Vrhunska nanogoriva putem ultrazvučne disperzije
Razvoj nanogoriva počinje učinkovitom disperzijom. Nanočestice dodane dizelu, biodizelu ili mješavinama goriva mogu utjecati na sagorijevanje, ali njihova učinkovitost ovisi o tome koliko su dobro raspoređene u tekućini. Aglomeracija i sedimentacija otežavaju održavanje ujednačene koncentracije aditiva i postizanje ponovljivih rezultata. Ultrazvučna disperzija rješava taj izazov razbijanjem nakupina čestica i raspoređivanjem nanoaditiva u cijelom gorivu.
Nanogoriva
Nanogoriva se sastoje od smjese osnovnog goriva (npr. dizela, biodizela, mješavina goriva) i nanočestica. Te nanočestice djeluju kao hibridni nanokatalizatori koji nude veliku reaktivnu površinu. Ultrazvučna disperzija nanoaditiva znatno poboljšava performanse goriva, kao što su kraće kašnjenje paljenja, duže održavanje plamena i paljenje aglomerata, te značajno ukupno smanjenje emisija.
Mješavine goriva i nanočestica nadmašuju čista tečna goriva u pogledu performansi zahvaljujući većoj gustoći energije, bržem i lakšem paljenju, pojačanom katalitičkom učinku, smanjenoj emisiji, bržem isparavanju i izgaranju te poboljšanoj efikasnosti sagorijevanja.
Primijenite ultrazvučnu obradu (sonikaciju) za nano-disperziju čestica u gorivima!
Kontaktirajte naš tim kako biste istražili ultrazvučnu disperziju za vašu kombinaciju goriva i nanočestica.
7kW ultrazvučni protočni sistem
Nanogoriva: ultrazvučna disperzija nanočestica u gorivu
Kako bi se spriječilo taloženje nanočestica u rezervoaru goriva, čestice se moraju dispergirati sofisticiranim postupkom. Ultrazvučna disperzija pomaže u ugradnji nanočestica kao što su cerij-oksid, aluminij-oksid i ugljične nanocijevi u dizel, biodizel i mješavine goriva.
Putem akustične kavitacije – nastanka i kolapsa mikroskopskih mjehurića – ultrazvučna obrada (sonikacija) stvara intenzivne lokalne smične sile koje razbijaju aglomerate čestica i raspoređuju aditive u cijeloj tekućini. Time se izlaže veća površina čestica okolnom gorivu, što podržava procjenu katalitičkih koristi i koristi povezanih sa sagorijevanjem.
Ultrazvuk djeluje disperzijski direktno u tekućini bez dodanih kuglica za mljevenje, čime se uklanja potreba za naknadnim odvajanjem medija za mljevenje. Hielscher sonikatori podržavaju i šaržnu pripremu i kontinuiranu inline obradu, zbog čega je ova tehnika korisna od laboratorijskih istraživanja do industrijske proizvodnje.
Popis u nastavku daje pregled nanomaterijala koji su već testirani i dispergirani u gorivima:
- CNTs – ugljične nanocijevi
- Ag – srebro
- Al – aluminij
- Al2O3 – aluminij-oksid
- AlCuOx – oksidi aluminija i bakra
- B – bor
- Ca – kalcij
- CaCO3 – kalcij-karbonat
- Fe – željezo
- Cu – bakar
- CuO – bakar-oksid
- Ce – cerij
- CeO2 – cerij-oksid
- (CeO2)·(ZrO2) – cerij-cirkonij-oksid
- Co – kobalt
- Mg – magnezij
- Mn – mangan
- TiO2 – titan-dioksid
- ZnO – cink-oksid
Nanodimenzionirani, ultrazvučno monodisperzirani cerij-oksid nudi visoku katalitičku aktivnost zbog visokog omjera površine i volumena, što dovodi do poboljšane efikasnosti goriva i smanjenih emisija.
Aqua-goriva: emulzijska goriva nanodimenzija pomoću ultrazvučne obrade (sonikacije)
Aqua-goriva su emulzije vode u gorivu u kojima su fine kapljice vode raspoređene u kontinuiranoj fazi goriva, kao što je dizel. Hielscher sonikatori stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju koja veće kapljice razbija u manje, omogućavajući razvoj emulzija s kapljicama nanometarskih dimenzija pod odgovarajućim uvjetima formulacije i obrade. Podesiva ultrazvučna amplituda, kontrolirani unos energije i upravljanje temperaturom pomažu u optimizaciji veličine kapljica i ponovljivosti, dok kompatibilni emulgatori podržavaju stabilnost tokom skladištenja i rukovanja.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučno pripremljenim aqua-gorivima!
Ultrazvučno miješanje goriva
Tehnologija ultrazvučne emulzifikacije koristi se za proizvodnju stabilnih mješavina etanola u dekanu, etanola u dizelu ili mješavina dizela, biodizela i etanola/bioetanola. Takve mješavine su idealno osnovno gorivo koje se u drugom koraku može poboljšati dispergiranjem nanočestica u gorivo.
Ultrazvučna proizvodnja emulzijskih goriva
Industrijski sonikatori za disperziju i emulzifikaciju nanogoriva
Hielscher sonikatori kombiniraju učinkovitu deaglomeraciju nanočestica s preciznom kontrolom procesa za razvoj i proizvodnju nanogoriva. Intenzivna ultrazvučna kavitacija pomaže u razbijanju nakupina čestica i raspoređivanju aditiva kao što su metalni oksidi i ugljične nanocijevi u dizelu, biodizelu i mješavinama goriva. Podesiva amplituda te praćenje unosa energije i temperature podržavaju ponovljivu obradu i optimizaciju formulacije. Uz laboratorijske uređaje i industrijske sisteme konfigurirane za šaržni ili kontinuirani protočni rad, Hielscher nudi praktičan put od početnih ispitivanja do većih proizvodnih količina. Automatsko bilježenje procesnih podataka na digitalnim industrijskim modelima pomaže timovima da dokumentiraju uspješne uvjete i održe dosljednu obradu kako se protok povećava.
Povećanje skale i pouzdana proizvodnja
Kada formulacija ispuni ciljeve kvalitete, protočna ultrazvučna obrada (sonikacija) omogućava put prema većim proizvodnim količinama. Gorivo prolazi kroz zonu ultrazvučne obrade pri kontroliranim radnim uvjetima, pri čemu se obrada u jednom prolazu ili s recirkulacijom bira prema traženom rezultatu. Za odabir opreme navedite osnovno gorivo, vrstu i koncentraciju aditiva, ciljni kvalitet disperzije, potreban protok i radnu temperaturu. Na osnovu tih podataka Hielscher može preporučiti procesor, sonotrodu i konfiguraciju protočne ćelije za procesna ispitivanja i naknadno povećanje skale.
Hielscher nudi isplative, vrlo robusne ultrazvučne procesore male površine za ugradnju u postrojenja s ograničenim prostorom i zahtjevnim okruženjem.
Tabela u nastavku daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni sonikator |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | veći | klaster od UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Umetak protočne ćelije za vrhunske nanoemulzije
Često postavljana pitanja o ultrazvučnoj proizvodnji nanogoriva
Šta su nanogoriva
Nanogoriva su smjesa goriva i nanočestica. Dispergiranjem nanoenergetskih čestica u gorivo mijenjaju se fizičko-hemijska svojstva goriva zbog njihove funkcionalnosti, njihove disperzivne strukture i složenog međudjelovanja prijenosa topline, strujanja fluida i interakcija čestica. Zbog heterogenog sastava, karakteristike nanogoriva određene su vrstom osnovnog goriva, kao i sastavom, veličinom, oblikom, koncentracijom te fizičkim i hemijskim svojstvima nanočestica. Karakteristike nanogoriva mogu se znatno razlikovati od karakteristika osnovnog goriva.
Kako se dizel koristi kao gorivo?
Dizel je tečno gorivo koje sagorijeva u dizel motorima. U dizel motorima gorivo se pali bez iskre, i to kompresijom smjese usisnog zraka, a zatim ubrizgavanjem dizelskog goriva.
Konvencionalno dizelsko gorivo je specifični frakcijski destilat naftnog loživog ulja. U širem smislu, pojam dizel odnosi se i na goriva koja nisu dobivena iz nafte, npr. biodizel, dizel iz biomase u tekućinu (BTL), iz plina u tekućinu (GTL) ili iz uglja u tekućinu (CTL). BTL, GTL i CTL takozvana su sintetička dizelska goriva koja se mogu dobiti iz bilo kojeg materijala koji sadrži ugljik (npr. biomase, bioplina, prirodnog plina, uglja itd.). Nakon gasifikacije sirovine u sintezni plin i potom pročišćavanja, on se Fischer–Tropschovom reakcijom pretvara u sintetički dizel. Dizel s ultraniskim sadržajem sumpora (ULSD) je standard za dizelsko gorivo koje sadrži znatno smanjen udio sumpora.
Šta je biodizel?
Biodizel je obnovljivo gorivo koje se proizvodi iz biljnih ulja, životinjskih masti ili recikliranih masti za prženje i podmazivanje. Biodizel se može koristiti za pogon dizelskih vozila i generatora. Njegova fizička svojstva slična su svojstvima naftnog dizela, iako sagorijeva čišće. Biodizel smanjuje emisije neizgorjelih ugljikovodika (UHC), ugljik-dioksida (CO2), ugljik-monoksida (CO), sumpornih oksida i čestica čađi – u poređenju s emisijama nastalim sagorijevanjem konvencionalnog dizela. Emisija dušikovih oksida (NOx) može biti veća kod biodizela (u poređenju s dizelom). Međutim, to se može smanjiti optimizacijom trenutka ubrizgavanja goriva.
Proizvodnja biodizela znatno se poboljšava ultrazvučnom transesterifikacijom. Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnoj proizvodnji biodizela!
Može li se etanol koristiti kao gorivo?
Da, etanol – etilni alkohol (C₂H5OH) – može se koristiti kao gorivo. Etanolna goriva uglavnom se koriste kao motorna goriva – uglavnom kao biogorivni aditiv benzinu. Danas se automobili mogu pokretati 100% etanolnim gorivom ili takozvanim fleksibilnim gorivima (flex-fuel), koja su mješavina etanola i benzina. Obično se proizvodi procesom fermentacije biomase, npr. kukuruza ili šećerne trske. Budući da se etanolno gorivo dobiva iz obnovljive, održive biomase, često se naziva bioetanol. Snažni ultrazvuk može znatno poboljšati proizvodnju bioetanola. Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnoj proizvodnji bioetanola!
Etanol je oksigenat u E-dizelu. Glavni nedostatak E-dizela je nemješljivost etanola u dizelu u širokom rasponu temperatura. Međutim, biodizel se može uspješno koristiti kao amfifilni surfaktant za stabilizaciju etanola i dizela. Gorivo etanol−biodizel−dizel (EB-dizel) može se ultrazvučno miješati u mikro- ili nanoemulziju tako da je EB-dizel stabilan – čak i na temperaturama ispod nule – i nudi bolja svojstva goriva od običnog dizelskog goriva.
Kako ultrazvučna disperzija funkcionira u proizvodnji nanogoriva?
Ultrazvučna disperzija koristi akustičnu kavitaciju za razbijanje aglomerata čestica u gorivu. Mikroskopski mjehurići nastaju i kolabiraju, stvarajući lokalne smične sile i tečne mlazove koji razdvajaju nakupine čestica. Ovaj proces pomaže u raspoređivanju nanoaditiva u cijeloj tekućini i podržava ponovljiv razvoj formulacije.
Koje se nanočestice mogu dispergirati u goriva pomoću ultrazvuka?
Materijali ispitivani u formulacijama goriva uključuju cerij-oksid (CeO₂), aluminij-oksid (Al₂O₃), titan-dioksid (TiO₂), cink-oksid (ZnO) i ugljične nanocijevi (CNTs). Odgovarajući aditiv ovisi o osnovnom gorivu i ciljanim performansama. Svaka kombinacija zahtijeva ispitivanje kako bi se utvrdile prikladne koncentracije, uvjeti obrade i stabilnost.
Koja je razlika između disperzije nanogoriva i nanoemulzije goriva?
Disperzija nanočestica sadrži čvrste čestice raspoređene u tečnom gorivu. Nanoemulzija goriva sadrži vrlo male kapljice jedne tekućine dispergirane u drugoj, kao što su kapljice vode u dizelu. Ultrazvuk može podržati oba procesa. Formulacije koje sadrže nanočestice i dispergirane kapljice tekućine zahtijevaju procjenu i stabilnosti čestica i stabilnosti emulzije.
Sprječava li ultrazvučna disperzija taloženje nanočestica?
Ultrazvučna obrada može smanjiti aglomeraciju i poboljšati početnu raspodjelu čestica, ali trajna stabilnost ovisi i o formulaciji. Svojstva čestica, koncentracija aditiva, sastav goriva i kompatibilni dispergatori utječu na to hoće li čestice ostati suspendirane. Ispitivanjima skladištenja treba utvrditi koliko dugo gotovo nanogorivo održava prihvatljivu raspodjelu pod predviđenim uvjetima.
Koji su parametri ultrazvučne obrade najvažniji?
Ključni parametri uključuju amplitudu, unos energije, trajanje obrade i temperaturu. Kod protočne obrade važni su i protok i tlak u reaktoru. Ove postavke treba procjenjivati zajedno s formulacijom. Dokumentiranje uvjeta koji daju željenu disperziju pomaže u uspostavljanju ponovljive obrade i podržava naknadno povećanje skale.
Može li se ultrazvučna proizvodnja nanogoriva prenijeti iz laboratorija na kontinuiranu obradu?
Da. Laboratorijska ispitivanja mogu utvrditi formulaciju i uvjete obrade prije evaluacije u ultrazvučnoj protočnoj ćeliji. Pri kontinuiranom radu gorivo prolazi kroz kontroliranu zonu obrade. Povećanje skale treba potvrditi da veći sistem postiže traženi kvalitet disperzije i stabilnost pri predviđenom protoku.
Kako odabrati Hielscher ultrazvučni disperzer za nanogoriva?
Počnite od osnovnog goriva, vrste i koncentracije nanočestica, potrebnog volumena šarže ili protoka te ciljnog kvaliteta disperzije. Navedite radnu temperaturu i predviđeni period skladištenja. Ovi podaci nam pomažu da preporučimo idealan sonikator, sonotrodu i konfiguraciju protočne ćelije za ispitivanja primjene i planiranje proizvodnje.
Literatura / reference
- 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.