Špičková nanopaliva díky ultrazvukové disperzi
Vývoj nanopaliv začíná účinnou disperzí. Nanočástice přidané do motorové nafty, bionafty nebo směsných paliv mohou ovlivnit spalování, jejich účinek však závisí na tom, jak dobře jsou rozptýleny v celém objemu kapaliny. Aglomerace a sedimentace ztěžují udržení konzistentní koncentrace aditiva a dosažení reprodukovatelných výsledků. Ultrazvuková disperze tento problém řeší tím, že rozbíjí shluky částic a rozptyluje nanoaditiva v celém objemu paliva.
Nanopaliva
Nanopaliva sestávají ze směsi základního paliva (např. motorové nafty, bionafty, palivových směsí) a nanočástic. Tyto nanočástice působí jako hybridní nanokatalyzátory, které nabízejí velký reaktivní povrch. Ultrazvuková disperze nanoaditiva vede k podstatnému zlepšení výkonnosti paliva, jako je zkrácené zpoždění vznícení, delší udržení plamene a vznícení aglomerátů, a také k výraznému celkovému snížení emisí.
Směsi paliva s částicemi nanometrové velikosti předčí čisté kapalné palivo z hlediska výkonnosti díky vyšší energetické hustotě, rychlejšímu a snadnějšímu vznícení, zesílenému katalytickému účinku, nižším emisím, rychlejšímu odpařování a vyšší rychlosti hoření a vyšší účinnosti spalování.
Použijte sonikaci k nanodisperzi částic v palivech!
Kontaktujte náš tým a prozkoumejte možnosti ultrazvukové disperze pro vaši kombinaci paliva a nanočástic.
7kW ultrazvukový průtokový systém
Nanopaliva: ultrazvuková disperze nanočástic v palivu
Aby se zabránilo usazování nanočástic v palivové nádrži, musí být částice dispergovány důmyslně. Ultrazvuková disperze pomáhá začlenit nanočástice, jako je oxid ceričitý, oxid hlinitý a uhlíkové nanotrubice, do motorové nafty, bionafty a palivových směsí.
Prostřednictvím akustické kavitace – vzniku a kolapsu mikroskopických bublin – vytváří sonikace intenzivní lokální smykové síly, které rozbíjejí aglomeráty částic a rozptylují aditiva v celém objemu kapaliny. Tím se okolnímu palivu vystavuje větší povrch částic, což podporuje hodnocení katalytických přínosů a přínosů souvisejících se spalováním.
Ultrazvuk působí dispergačně přímo v kapalině bez přidaných mlecích kuliček, takže odpadá nutnost mlecí média následně oddělovat. Sonikátory Hielscher podporují jak vsádkovou přípravu, tak kontinuální inline zpracování, díky čemuž je tato technika užitečná od laboratorního výzkumu až po průmyslovou výrobu.
Níže uvedený seznam vám poskytne přehled již testovaných nanomateriálů dispergovaných v palivech:
- CNTs – uhlíkové nanotrubice
- Ag – stříbro
- Al – hliník
- Al2O3 – oxid hlinitý
- AlCuOx – oxidy hliníku a mědi
- B – bor
- Ca – vápník
- CaCO3 – uhličitan vápenatý
- Fe – železo
- Cu – měď
- CuO – oxid měďnatý
- Ce – cer
- CeO2 – oxid ceričitý
- (CeO2)·(ZrO2) – oxid ceru a zirkonia
- Co – kobalt
- Mg – hořčík
- Mn – mangan
- TiO2 – oxid titaničitý
- ZnO – oxid zinečnatý
Nanometrický, ultrazvukem monodisperzně rozptýlený oxid ceričitý vykazuje díky vysokému poměru povrchu k objemu vysokou katalytickou aktivitu, což vede ke zlepšení palivové účinnosti a snížení emisí.
Aqua-paliva: nanometrická emulzní paliva pomocí sonikace
Aqua-paliva jsou emulze vody v palivu, v nichž jsou jemné kapky vody rozptýleny ve spojité palivové fázi, například v motorové naftě. Sonikátory Hielscher vytvářejí intenzivní akustickou kavitaci, která rozbíjí větší kapky na menší, a umožňují tak při vhodné formulaci a vhodných podmínkách zpracování vývoj emulzí s kapkami v nanoměřítku. Nastavitelná amplituda ultrazvuku, řízený vstup energie a regulace teploty pomáhají optimalizovat velikost kapek a reprodukovatelnost, zatímco kompatibilní emulgátory podporují stabilitu během skladování a manipulace.
Klikněte zde a zjistěte více o aqua-palivech připravených ultrazvukem!
Ultrazvukové míchání paliv
Technologie ultrazvukové emulgace se používá k výrobě stabilních směsí ethanolu v dekanu, ethanolu v motorové naftě nebo směsí nafta–bionafta–ethanol/bioethanol. Takové směsi jsou ideálním základním palivem, které lze ve druhém kroku vylepšit dispergováním nanočástic do paliva.
Ultrazvuková výroba emulzních paliv
Průmyslové sonikátory pro dispergaci a emulgaci nanopaliv
Sonikátory Hielscher kombinují účinnou deaglomeraci nanočástic s přesným řízením procesu pro vývoj a výrobu nanopaliv. Intenzivní ultrazvuková kavitace pomáhá rozbíjet shluky částic a rozptylovat aditiva, jako jsou oxidy kovů a uhlíkové nanotrubice, v motorové naftě, bionaftě a směsných palivech. Nastavitelná amplituda a monitorování vstupu energie a teploty podporují reprodukovatelné zpracování a optimalizaci formulace. Díky laboratorním přístrojům a průmyslovým systémům konfigurovaným pro vsádkový nebo kontinuální průtokový provoz nabízí Hielscher praktickou cestu od prvních zkoušek k vyšším objemům výroby. Automatický záznam procesních dat u digitálních průmyslových modelů pomáhá týmům dokumentovat úspěšné podmínky a udržovat konzistentní zpracování se zvyšující se průchodností.
Zvětšování měřítka a spolehlivá výroba
Jakmile formulace splní své kvalitativní cíle, průtoková sonikace nabízí cestu k vyšším objemům výroby. Palivo prochází zónou ultrazvukového ošetření za řízených provozních podmínek, přičemž se podle požadovaného výsledku volí jednoprůchodové nebo recirkulační zpracování. Pro výběr zařízení uveďte základní palivo, typ a koncentraci aditiva, cílovou kvalitu disperze, požadovanou průchodnost a provozní teplotu. Tyto údaje umožní společnosti Hielscher doporučit konfiguraci procesoru, sonotrody a průtokové cely pro procesní zkoušky a následné zvětšení měřítka.
Hielscher nabízí cenově efektivní, vysoce robustní ultrazvukové procesory s malými zastavěnými rozměry pro instalaci v provozech s omezeným prostorem a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:
| Objem vsádky | Průtok | Doporučený sonikátor |
|---|---|---|
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | větší | klastr UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – vložka průtokové cely pro špičkové nanoemulze
Často kladené otázky o ultrazvukové výrobě nanopaliv
Co jsou nanopaliva
Nanopaliva označují směs paliva a nanočástic. Dispergováním nanoenergetických částic do paliva se fyzikálně-chemické vlastnosti paliva mění vlivem jejich funkčnosti, jejich disperzní struktury a komplexní souhry přenosu tepla, proudění tekutiny a interakcí částic. Vzhledem k heterogennímu složení jsou vlastnosti nanopaliva určeny typem základního paliva i složením, velikostí, tvarem, koncentrací a fyzikálními a chemickými vlastnostmi nanočástic. Vlastnosti nanopaliva se mohou výrazně lišit od vlastností základního paliva.
Jak se motorová nafta používá jako palivo?
Motorová nafta je kapalné palivo, které se spaluje ve vznětových motorech. Ve vznětových motorech se palivo nezapaluje jiskrou, ale stlačením nasávané vzduchové směsi a následným vstříknutím motorové nafty.
Konvenční motorová nafta je specifický frakční destilát ropného topného oleje. V širším smyslu označuje pojem nafta také paliva, která nepocházejí z ropy, např. bionaftu nebo naftu typu biomass-to-liquid (BTL), gas-to-liquid (GTL) či coal-to-liquid (CTL). BTL, GTL a CTL jsou tzv. syntetická motorová paliva, která lze získat z jakéhokoli uhlíkatého materiálu (např. biomasy, bioplynu, zemního plynu, uhlí atd.). Po zplynění suroviny na syntézní plyn a jeho následném čištění se tento plyn přeměňuje Fischerovou–Tropschovou reakcí na syntetickou naftu. Nafta s ultranízkým obsahem síry (ULSD) je standard pro motorovou naftu s výrazně sníženým obsahem síry.
Co je bionafta?
Bionafta je obnovitelné palivo, které se vyrábí z rostlinných olejů, živočišných tuků nebo recyklovaných tuků. Bionaftu lze používat k pohonu dieselových vozidel a generátorů. Její fyzikální vlastnosti jsou podobné vlastnostem ropné motorové nafty, ačkoli hoří čistěji. Bionafta snižuje emise nespálených uhlovodíků (UHC), oxidu uhličitého (CO2), oxidu uhelnatého (CO), oxidů síry a sazových částic – ve srovnání s emisemi vznikajícími spalováním konvenční motorové nafty. Emise oxidů dusíku (NOx) mohou být u bionafty vyšší (ve srovnání s motorovou naftou). Lze je však snížit optimalizací časování vstřiku paliva.
Výrobu bionafty výrazně zlepšuje ultrazvuková transesterifikace. Klikněte zde a zjistěte více o ultrazvukové výrobě bionafty!
Lze ethanol použít jako palivo?
Ano, ethanol – ethylalkohol (C₂H5OH) – lze použít jako palivo. Ethanolová paliva se většinou používají jako motorová paliva – především jako biopalivová přísada do benzinu. Dnes mohou automobily jezdit na 100% ethanolové palivo nebo na tzv. flex-fuel paliva, což jsou směsi ethanolu a benzinu. Ethanol se běžně vyrábí fermentací biomasy, např. kukuřice nebo cukrové třtiny. Protože se ethanolové palivo získává z obnovitelné, udržitelné biomasy, často se nazývá bioethanol. Výkonový ultrazvuk může výrobu bioethanolu podstatně zlepšit. Klikněte zde a zjistěte více o ultrazvukové výrobě bioethanolu!
Ethanol je oxygenátem v E-dieselu. Hlavní nevýhodou E-dieselu je nemísitelnost ethanolu s motorovou naftou v širokém rozsahu teplot. Bionaftu však lze úspěšně použít jako amfifilní povrchově aktivní látku ke stabilizaci ethanolu a nafty. Palivo ethanol−bionafta−nafta (EB-diesel) lze ultrazvukem smísit do mikro- nebo nanoemulze, takže EB-diesel je stabilní – a to i při teplotách pod bodem mrazu – a nabízí lepší palivové vlastnosti než běžná motorová nafta.
Jak funguje ultrazvuková disperze při výrobě nanopaliv?
Ultrazvuková disperze využívá akustickou kavitaci k rozbití aglomerátů částic v palivu. Mikroskopické bubliny vznikají a kolabují, přičemž vytvářejí lokální smykové síly a proudy kapaliny, které oddělují shluky částic. Tento proces pomáhá rozptýlit nanoaditiva v celém objemu kapaliny a podporuje reprodukovatelný vývoj formulací.
Které nanočástice lze pomocí ultrazvuku dispergovat do paliv?
Mezi materiály zkoumané v palivových formulacích patří oxid ceričitý (CeO₂), oxid hlinitý (Al₂O₃), oxid titaničitý (TiO₂), oxid zinečnatý (ZnO) a uhlíkové nanotrubice (CNTs). Vhodné aditivum závisí na základním palivu a zamýšleném výkonnostním cíli. Každá kombinace vyžaduje testování ke stanovení vhodných koncentrací, podmínek zpracování a stability.
Jaký je rozdíl mezi disperzí nanopaliva a palivovou nanoemulzí?
Disperze nanočástic obsahuje pevné částice rozptýlené v kapalném palivu. Palivová nanoemulze obsahuje velmi malé kapky jedné kapaliny dispergované v jiné, například kapky vody v motorové naftě. Ultrazvuk může podpořit oba procesy. Formulace obsahující nanočástice i dispergované kapky kapaliny vyžadují posouzení jak stability částic, tak stability emulze.
Zabraňuje ultrazvuková disperze usazování nanočástic?
Ultrazvukové ošetření může snížit aglomeraci a zlepšit počáteční rozložení částic, trvalá stabilita však závisí také na formulaci. Vlastnosti částic, koncentrace aditiva, složení paliva a kompatibilní dispergační činidla ovlivňují, zda částice zůstanou v suspenzi. Skladovací testy by měly stanovit, jak dlouho si hotové nanopalivo zachová přijatelné rozložení za zamýšlených podmínek.
Které parametry ultrazvukového zpracování jsou nejdůležitější?
Mezi klíčové parametry patří amplituda, vstup energie, doba ošetření a teplota. U průtokového zpracování hrají roli také průtok a tlak v reaktoru. Tato nastavení by se měla vyhodnocovat společně s formulací. Dokumentace podmínek, které vedou k požadované disperzi, pomáhá zajistit opakovatelné zpracování a podporuje následné zvětšení měřítka.
Lze ultrazvukovou výrobu nanopaliv převést z laboratoře na kontinuální zpracování?
Ano. Laboratorní zkoušky mohou stanovit formulaci a podmínky zpracování před vyhodnocením v ultrazvukové průtokové cele. V kontinuálním provozu prochází palivo řízenou zónou ošetření. Zvětšení měřítka by mělo potvrdit, že větší systém dosahuje požadované kvality disperze a stability při zamýšlené průchodnosti.
Jak si vybrat ultrazvukový dispergátor Hielscher pro nanopaliva?
Začněte základním palivem, typem a koncentrací nanočástic, požadovaným objemem vsádky nebo průtokem a cílovou kvalitou disperze. Uveďte také provozní teplotu a zamýšlenou dobu skladování. Tyto údaje nám pomohou doporučit ideální konfiguraci sonikátoru, sonotrody a průtokové cely pro aplikační zkoušky a plánování výroby.
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.