Превъзходни наногорива чрез ултразвуково диспергиране
Разработването на наногорива започва с ефективно диспергиране. Наночастиците, добавени към дизелово гориво, биодизел или горивни смеси, могат да повлияят на горенето, но ефективността им зависи от това колко добре са разпределени в целия обем на течността. Агломерацията и утаяването затрудняват поддържането на постоянна концентрация на добавката и получаването на възпроизводими резултати. Ултразвуковото диспергиране преодолява това предизвикателство, като разрушава струпванията от частици и разпределя нанодобавките в целия обем на горивото.
Наногорива
Наногоривата представляват смес от базово гориво (напр. дизелово гориво, биодизел, горивни смеси) и наночастици. Тези наночастици действат като хибридни нанокатализатори, които осигуряват голяма реакционно активна повърхност. Ултразвуковото диспергиране на нанодобавката води до значително подобряване на експлоатационните характеристики на горивото, като намалено закъснение на запалването, по-продължително поддържане на пламъка и запалване на агломератите, както и до значително общо намаляване на емисиите.
Смесите от гориво и частици с наноразмери превъзхождат чистото течно гориво по експлоатационни характеристики благодарение на по-високата енергийна плътност, по-бързото и по-лесно запалване, засиления каталитичен ефект, намалените емисии, по-бързото изпаряване и по-високата скорост на горене, както и подобрената ефективност на горенето.
Използвайте ултразвукова обработка за нанодиспергиране на частици в горива!
Свържете се с нашия екип, за да проучите възможностите за ултразвуково диспергиране на вашата комбинация от гориво и наночастици.
Ултразвукова проточна система с мощност 7kW
Наногорива: ултразвуково диспергиране на наночастици в гориво
За да се избегне утаяването на наночастиците в резервоара за гориво, частиците трябва да се диспергират по усъвършенстван начин. Ултразвуковото диспергиране спомага за включването на наночастици като цериев оксид, алуминиев оксид и въглеродни нанотръби в дизелово гориво, биодизел и горивни смеси.
Чрез акустична кавитация – образуването и колапса на микроскопични мехурчета – ултразвуковата обработка генерира интензивни локални сили на срязване, които разрушават агломератите от частици и разпределят добавките в целия обем на течността. Това излага по-голяма част от повърхността на частиците на контакт с околното гориво, като подпомага оценката на каталитичните ползи и ползите, свързани с горенето.
Ултразвукът упражнява диспергиращото си действие директно в течността, без да се добавят смилащи микросфери, което премахва необходимостта от последващо отделяне на смилащата среда. Ултразвуковите апарати на Hielscher поддържат както подготовка на партиди, така и непрекъсната обработка в линия, което прави техниката полезна от лабораторните изследвания до промишленото производство.
Списъкът по-долу ви дава общ преглед на вече изпитани наноматериали, диспергирани в горива:
- CNTs – въглеродни нанотръби
- Ag – сребро
- Al – алуминий
- Al2O3 – алуминиев оксид
- AlCuOx – алуминиево-медни оксиди
- B – бор
- Ca – калций
- CaCO3 – калциев карбонат
- Fe – желязо
- Cu – мед
- CuO – меден оксид
- Ce – церий
- CeO2 – цериев оксид
- (CeO2)·(ZrO2) – цериево-циркониев оксид
- Co – кобалт
- Mg – магнезий
- Mn – манган
- TiO2 – титанов диоксид
- ZnO – цинков оксид
Цериевият оксид с наноразмери, монодиспергиран чрез ултразвук, осигурява висока каталитична активност благодарение на високото си съотношение повърхност към обем, което води до подобрена горивна ефективност и намалени емисии.
Водосъдържащи горива: емулсионни горива с наноразмери чрез ултразвукова обработка
Водосъдържащите горива са емулсии от типа вода в гориво, в които фини водни капчици са разпределени в целия обем на непрекъсната горивна фаза, например дизелово гориво. Ултразвуковите апарати на Hielscher генерират интензивна акустична кавитация, която раздробява по-големите капчици на по-малки и позволява разработването на емулсии с капчици с наноразмери при подходящ състав и условия на обработка. Регулируемата ултразвукова амплитуда, контролираното подаване на енергия и управлението на температурата спомагат за оптимизиране на размера на капчиците и възпроизводимостта, а съвместимите емулгатори подпомагат стабилността при съхранение и работа.
Щракнете тук, за да научите повече за водосъдържащите горива, приготвени чрез ултразвук!
Ултразвуково смесване на горива
Технологията за ултразвуково емулгиране се използва за получаване на стабилни смеси от етанол в декан, етанол в дизелово гориво или дизелово гориво–биодизел–етанол/биоетанол. Такива смеси са идеално базово гориво, което на втори етап може да се подобри чрез диспергиране на наночастици в горивото.
Ултразвуково производство на емулсионни горива
Промишлени ултразвукови апарати за диспергиране и емулгиране на наногорива
Ултразвуковите апарати на Hielscher съчетават ефективна деагломерация на наночастици с прецизен контрол на процеса при разработването и производството на наногорива. Интензивната ултразвукова кавитация спомага за разрушаването на струпванията от частици и разпределянето на добавки като метални оксиди и въглеродни нанотръби в целия обем на дизеловото гориво, биодизела и горивните смеси. Регулируемата амплитуда и наблюдението на подадената енергия и температурата подпомагат възпроизводимата обработка и оптимизирането на състава. С лабораторни уреди и промишлени системи, конфигурирани за партидна или непрекъсната проточна работа, Hielscher осигурява практичен път от първоначалните изпитвания до по-големи производствени обеми. Автоматичното записване на данните за процеса при цифровите промишлени модели помага на екипите да документират успешните условия и да поддържат постоянство на обработката при увеличаване на производителността.
Мащабиране и надеждно производство
След като формулата постигне целевите си показатели за качество, проточната ултразвукова обработка осигурява път към по-големи производствени обеми. Горивото преминава през зона за ултразвукова обработка при контролирани работни условия, като според необходимия резултат се избира обработка с еднократно преминаване или с рециркулация. За избор на оборудване посочете базовото гориво, вида и концентрацията на добавката, целевото качество на дисперсията, необходимата производителност и работната температура. Тези данни позволяват на Hielscher да препоръча конфигурация на процесор, сонотрод и проточна клетка за изпитвания на процеса и последващо мащабиране.
Hielscher предлага икономически ефективни, изключително здрави ултразвукови процесори с малка заемана площ за монтаж в предприятия с ограничено пространство и взискателни условия.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителен ултразвуков апарат |
|---|---|---|
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000hdT |
MultiphaseCavitator – Вложка за проточна клетка за превъзходни наноемулсии
Често задавани въпроси за ултразвуковото производство на наногорива
Какво представляват наногоривата
Наногоривата представляват смес от гориво и наночастици. При диспергиране на наноразмерни енергетични частици в горивото неговите физикохимични свойства се променят вследствие на функционалността на частиците, тяхната дисперсна структура и сложното взаимодействие между топлопреноса, потока на флуида и взаимодействията между частиците. Поради хетерогенния състав характеристиките на наногоривото се определят от вида на базовото гориво, както и от състава, размера, формата, концентрацията и физичните и химичните свойства на наночастиците. Характеристиките на наногоривото могат да се различават значително от характеристиките на базовото гориво.
Как се използва дизеловото гориво като гориво?
Дизеловото гориво е течно гориво, което се изгаря в дизелови двигатели. В дизеловите двигатели горивото се запалва без искра, чрез компресиране на входящата въздушна смес и последващо впръскване на дизеловото гориво.
Конвенционалното дизелово гориво е специфичен фракционен дестилат на нефтен мазут. В по-широк смисъл терминът дизелово гориво се отнася и за горива, които не са получени от нефт, напр. биодизел, дизелово гориво от биомаса чрез технологията biomass-to-liquid (BTL), от газ чрез gas-to-liquid (GTL) или от въглища чрез coal-to-liquid (CTL). BTL, GTL и CTL са така наречените синтетични дизелови горива, които могат да се получат от всякакъв въглеродсъдържащ материал (напр. биомаса, биогаз, природен газ, въглища и др.). След газификация на суровината до синтез-газ и последващо пречистване той се превръща в синтетично дизелово гориво чрез реакцията на Фишер–Тропш. Дизеловото гориво с ултраниско съдържание на сяра (ULSD) е стандарт за дизелово гориво със значително намалено съдържание на сяра.
Какво е биодизел?
Биодизелът е възобновяемо гориво, което се произвежда от растителни масла, животински мазнини или рециклирани мазнини. Биодизелът може да се използва за задвижване на дизелови превозни средства и генератори. Физичните му свойства са сходни с тези на нефтеното дизелово гориво, въпреки че изгаря по-чисто. Биодизелът намалява емисиите на неизгорели въглеводороди (UHC), въглероден диоксид (CO2), въглероден моноксид (CO), серни оксиди и частици сажди – в сравнение с емисиите при изгаряне на конвенционално дизелово гориво. Емисиите на азотни оксиди (NOx) могат да бъдат по-високи при биодизела (в сравнение с дизеловото гориво). Това обаче може да се намали чрез оптимизиране на момента на впръскване на горивото.
Производството на биодизел се подобрява значително чрез ултразвукова трансестерификация. Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковото производство на биодизел!
Може ли етанолът да се използва като гориво?
Да, етанолът – етилов алкохол (C₂H5OH) – може да се използва като гориво. Етаноловите горива се използват предимно като моторни горива – главно като добавка от биогориво към бензина. Днес автомобилите могат да работят със 100% етанолово гориво или с така наречените гъвкави горивни смеси, които представляват смес от етанол и бензин. Етанолът обикновено се произвежда чрез ферментация на биомаса, напр. царевица или захарна тръстика. Тъй като етаноловото гориво се получава от възобновяема, устойчива биомаса, то често се нарича биоетанол. Мощният ултразвук може значително да подобри производството на биоетанол. Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковото производство на биоетанол!
Етанолът е кислородсъдържащата добавка в E-diesel. Основният недостатък на E-diesel е несмесваемостта на етанола с дизеловото гориво в широк температурен диапазон. Биодизелът обаче може успешно да се използва като амфифилно повърхностноактивно вещество за стабилизиране на етанола и дизеловото гориво. Горивото етанол–биодизел–дизелово гориво (EB-diesel) може да се смеси чрез ултразвук до микроемулсия или наноемулсия, така че EB-diesel да е стабилно – дори при температури под нулата – и да предлага превъзходни горивни свойства спрямо обикновеното дизелово гориво.
Как действа ултразвуковото диспергиране при производството на наногорива?
Ултразвуковото диспергиране използва акустична кавитация за разрушаване на агломератите от частици в горивото. Микроскопични мехурчета се образуват и колабират, генерирайки локални сили на срязване и течни струи, които разделят струпаните частици. Този процес спомага за разпределянето на нанодобавките в целия обем на течността и подпомага възпроизводимото разработване на формули.
Кои наночастици могат да се диспергират в горива с помощта на ултразвук?
Материалите, изследвани в горивни формули, включват цериев оксид (CeO₂), алуминиев оксид (Al₂O₃), титанов диоксид (TiO₂), цинков оксид (ZnO) и въглеродни нанотръби (CNTs). Подходящата добавка зависи от базовото гориво и целевите експлоатационни характеристики. Всяка комбинация изисква изпитвания за установяване на подходящи концентрации, условия на обработка и стабилност.
Каква е разликата между дисперсия на наногориво и горивна наноемулсия?
Дисперсията на наночастици съдържа твърди частици, разпределени в течно гориво. Горивната наноемулсия съдържа много малки капчици от една течност, диспергирани в друга, например водни капчици в дизелово гориво. Ултразвукът може да подпомага и двата процеса. Формули, съдържащи наночастици и диспергирани течни капчици, изискват оценка както на стабилността на частиците, така и на стабилността на емулсията.
Предотвратява ли ултразвуковото диспергиране утаяването на наночастиците?
Ултразвуковата обработка може да намали агломерацията и да подобри първоначалното разпределение на частиците, но дълготрайната стабилност зависи и от състава. Свойствата на частиците, концентрацията на добавката, съставът на горивото и съвместимите диспергиращи агенти влияят върху това дали частиците остават суспендирани. Изпитванията при съхранение трябва да установят колко дълго готовото наногориво поддържа приемливо разпределение при предвидените условия.
Кои параметри на ултразвуковата обработка са най-важни?
Основните параметри включват амплитудата, подадената енергия, продължителността на обработката и температурата. При проточна обработка дебитът и налягането в реактора също имат значение. Тези настройки трябва да се оценяват заедно със състава. Документирането на условията, при които се получава желаната дисперсия, спомага за установяване на повторяема обработка и подпомага последващото мащабиране.
Може ли ултразвуковото производство на наногорива да се мащабира от лабораторни условия до непрекъсната обработка?
Да. Лабораторните изпитвания могат да установят състава и условията на обработка преди оценяването им в ултразвукова проточна клетка. При непрекъсната работа горивото преминава през контролирана зона за обработка. Мащабирането трябва да потвърди, че по-голямата система постига необходимото качество и стабилност на дисперсията при предвидената производителност.
Как да избера ултразвуков диспергатор на Hielscher за наногорива?
Започнете с базовото гориво, вида и концентрацията на наночастиците, необходимия обем на партидата или дебит и целевото качество на дисперсията. Включете работната температура и предвидения срок на съхранение. Тези данни ни помагат да препоръчаме идеалната конфигурация на ултразвуков апарат, сонотрод и проточна клетка за изпитвания на приложението и планиране на производството.
Литература / Източници
- Asako, Yutaka & Mohamed, S.; Muhammad, Nura & Aziz, Arif; Yusof, Siti Nurul Akmal; Che Sidik, Nor Azwadi (2021): A comprehensive review of the influences of nanoparticles as a fuel additive in an internal combustion engine (ICE). Nanotechnology Reviews 9,2021. 1326-1349.
- D’Silva, R.; Vinoothan, K.; Binu, K.G.; Thirumaleshwara, B.; Raju, K. (2016): Effect of Titanium Dioxide and Calcium Carbonate Nanoadditives on the Performance and Emission Characteristics of C.I. Engine. Journal of Mechanical Engineering and Automation 6(5A), 2016. 28-31.
- Ghanbari, M.; Najafi, G.; Ghobadian, B.; Mamat, R.; Noor, M.M.; Moosavian, A. (2015): Adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) to predict CI engine parameters fueled with nano-particles additive to diesel fuel. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 100, 2015.
- Heydari-Maleney, K.; Taghizadeh-Alisaraei, A.; Ghobadian, B.; Abbaszadeh-Mayvan, A. (2017): Analyzing and evaluation of carbon nanotubes additives to diesohol-B2 fuels on performance and emission of diesel engines. Fuel 196, 2017. 110–123.
- Raj, N.M.; Gajendiran, M.; Pitchandi, K.; Nallusamy, N. (2016): Investigation on aluminium oxide nano particles blended diesel fuel combustion, performance and emission characteristics of a diesel engine. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research 8(3), 2016. 246-257.