Špičková nanopaliva díky ultrazvukové disperzi
Vývoj nanopaliv začíná účinnou disperzí. Nančástice přidané do nafty, bionafty nebo směsných paliv mohou ovlivnit spalování, ale jejich účinnost závisí na tom, jak dobře jsou rozptýleny v kapalině. Aglomerace a sedimentace ztěžují udržení stálé koncentrace aditiv a dosažení reprodukovatelných výsledků. Ultrazvuková disperze řeší tento problém rozbitím shluků částic a rozptýlením nanoaditiv po celé hmotě paliva.
Nanopaliva
Nanopaliva spočívají ve směsi základního paliva (např. motorové nafty, bionafty, palivových směsí) a nanočástic. Tyto nanočástice působí jako hybridní nanokatalyzátory, které nabízejí velkou reaktivní povrchovou plochu. Ultrazvuková disperze nanoaditiva má za následek podstatné zlepšení výkonu paliva, jako je snížení zpoždění zapalování, delší výdrž plamene a vznícení aglomerátu, stejně jako významné celkové snížení emisí.
Směsi paliva a částic o nanovelikosti vynikají čistým kapalným palivem, pokud jde o výkon paliva, vyšší hustotou energie, rychlejším a snadnějším zapalováním, zvýšeným katalytickým účinkem, sníženými emisemi, rychlejším odpařováním a spalováním a zlepšenou účinností spalování.
K nanodispergaci částic v palivech využijte ultrazvuk!
Obraťte se na náš tým a zjistěte, jak lze ultrazvukovou disperzi využít pro vaši kombinaci paliva a nanočástic.
7kW ultrazvukový průtokový systém
Nanopaliva: Ultrazvuková disperze nanočástic v palivu
Aby se zabránilo usazování nanočástic v palivové nádrži, je nutné tyto částice důkladně dispergovat. Ultrazvuková disperze pomáhá začlenit nanočástice, jako jsou oxid ceru, oxid hlinitý a uhlíkové nanotrubice, do nafty, bionafty a palivových směsí.
Prostřednictvím akustické kavitace – vzniku a kolapsu mikroskopických bublin – Ultrazvukové ozařování vytváří intenzivní lokální smykové síly, které rozbíjejí shluky částic a rozptylují přísady v celé kapalině. Tím se zvětšuje povrch částic vystavený působení okolního paliva, což napomáhá posouzení katalytických a spalovacích výhod.
Ultrazvuk působí přímo v kapalině bez přidání mlecích kuliček, čímž odpadá nutnost následného oddělování mlecích médií. Ultrazvukové zařízení Hielscher podporuje jak šaržovou přípravu, tak i kontinuální zpracování v linkovém režimu, díky čemuž je tato technika využitelná od laboratorního výzkumu až po průmyslovou výrobu.
Níže uvedený seznam vám poskytuje přehled o již testovaných nanomateriálech rozptýlených v palivech:
- Moderátory – Uhlíkové nanotrubice
- Ag – Stříbro
- Hliník – hliník
- Hliník2O3 – oxid hlinitý
- AlCuOx – oxidy hliníku a mědi
- b – bór
- Ca – vápník
- CaCO3 – uhličitan vápenatý
- Fe – železo
- Měď – Měď
- CuO – oxid měďnatý
- Ce – cer
- Výkonný ředitel2 – Oxid ceritý
- (Generální ředitel2)· (ZrO2) – oxid ceričitý a zirkoničitý
- Emise CO – kobalt
- Mg – hořčík
- Mn – mangan
- TiO2 – oxid titaničitý
- ZnO – Zinečnatého
Nano-měřítko, ultrazvukem monodispergovaný oxid ceričitý nabízí vysokou katalytickou aktivitu díky vysokému poměru povrchu k objemu, což vede ke zlepšení palivové účinnosti a snížení emisí.
Aqua-Fuels: Emulzní paliva v nanoměřítku vyrobená pomocí ultrazvuku
Aqua-paliva jsou emulze typu „voda v palivu“, v nichž jsou jemné kapičky vody rozptýleny v souvislé palivové fázi, jako je například nafta. Ultrazvukové generátory společnosti Hielscher vytvářejí intenzivní akustickou kavitaci, která rozbíjí větší kapičky na menší, což při vhodném složení a za vhodných podmínek zpracování umožňuje vytváření emulzí s kapičkami v nanoměřítku. Nastavitelná amplituda ultrazvuku, řízený příkon energie a regulace teploty pomáhají optimalizovat velikost kapiček a reprodukovatelnost, zatímco kompatibilní emulgátory zajišťují stabilitu během skladování a manipulace.
Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukem připravených vodních palivech!
Ultrazvukové míchání paliv
Technologie ultrazvukové emulgace se používá k výrobě stabilních směsí etanolu v dekanu, etanolu v naftě nebo nafty, bionafty a etanolu/bioetanolu. Takové směsi jsou ideálním základním palivem, které lze ve druhém kroku vylepšit dispergací nanočástic do paliva.
Ultrazvuková výroba emulzních paliv
Průmyslové ultrazvukové přístroje pro dispergaci a emulgaci nanopaliv
Ultrazvukové zařízení Hielscher kombinuje účinnou deaglomeraci nanočástic s přesnou regulací procesu pro vývoj a výrobu nanopaliv. Intenzivní ultrazvuková kavitace pomáhá rozbít shluky částic a rozptýlit přísady, jako jsou oxidy kovů a uhlíkové nanotrubice, v naftě, bionaftě a směsných palivech. Nastavitelná amplituda a monitorování příkonu energie a teploty podporují reprodukovatelné zpracování a optimalizaci složení. Díky laboratorním přístrojům a průmyslovým systémům konfigurovaným pro dávkový nebo kontinuální průtokový provoz nabízí společnost Hielscher praktickou cestu od počátečních pokusů až po vyšší objemy výroby. Automatický záznam procesních dat u digitálních průmyslových modelů pomáhá týmům dokumentovat úspěšné podmínky a udržovat konzistentní zpracování i při zvyšování průtoku.
Rozšíření výroby a spolehlivá výroba
Jakmile přípravek splní stanovené kvalitativní cíle, umožňuje průtoková sonikace zvýšit výrobní objemy. Palivo prochází zónou ultrazvukové úpravy za řízených provozních podmínek, přičemž se podle požadovaného výsledku volí jednorázové nebo recirkulační zpracování. Pro výběr zařízení uveďte základní palivo, typ a koncentraci aditiva, požadovanou kvalitu disperze, požadovaný průtok a provozní teplotu. Tyto údaje umožňují společnosti Hielscher doporučit konfiguraci procesoru, sonotrody a průtokové komory pro procesní zkoušky a následné zvýšení výrobního výkonu.
Hielscher nabízí nákladově efektivní, vysoce robustní ultrazvukové procesory s malým půdorysem pro instalaci v závodech s omezeným prostorem a náročným prostředím.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučený ultrazvukový přístroj |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000hdT |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000hdT |
Vícefázový kavitátor – Vložka do průtokové komory pro přípravu vysoce kvalitních nanoemulzí
Často kladené otázky týkající se výroby nanopaliv pomocí ultrazvuku
Co jsou to nanopaliva?
Nanopaliva označují směs paliva a nanočástic. Dispergací nanoenergetických částic do paliva se mění fyzikálně-chemické vlastnosti paliva podle jejich funkce, disperzní struktury a složité souhry přenosu tepla, proudění tekutin a interakcí částic. Vzhledem k heterogennímu složení jsou vlastnosti nanopaliv určeny typem základního paliva, jakož i složením, velikostí, tvarem, koncentrací a fyzikálními a chemickými vlastnostmi nanočástic. Vlastnosti nanopaliva se mohou výrazně lišit od vlastností základního paliva.
Jak se nafta používá jako palivo?
Nafta je kapalné palivo, které se spaluje v dieselových motorech. U vznětových motorů se palivo zapaluje bez jiskry, ale stlačováním směsi nasávaného vzduchu a následným vstřikováním motorové nafty.
Běžná motorová nafta je specifický frakční destilát z ropného topného oleje. V širším smyslu se termín „nafta“ vztahuje také na paliva, která nepocházejí z ropy, např. bionafta, nafta získaná z biomasy (BTL), z plynu (GTL) nebo z uhlí (CTL). BTL, GTL a CTL jsou tzv. syntetická naftová paliva, která lze získat z jakéhokoli uhlíkatého materiálu (např. biomasy, bioplynu, zemního plynu, uhlí atd.). Po zplynování suroviny na syntetický plyn a následném čištění se tento plyn pomocí Fischer–Tropschovy reakce přeměňuje na syntetickou naftu. Naftová směs s extrémně nízkým obsahem síry (ULSD) je norma pro naftu, která obsahuje výrazně snížený obsah síry.
Co je to bionafta?
Bionafta je obnovitelné palivo, které se vyrábí z rostlinných olejů, živočišných tuků nebo recyklovaných tuků. Bionafta může být použita pro provoz v dieselových vozidlech a generátorech. Jeho fyzikální vlastnosti jsou podobné jako u ropné nafty, i když hoří čistěji. Bionafta snižuje emise nespálených uhlovodíků (UHC), oxidu uhličitého (CO2), oxidu uhelnatého (CO), oxidů síry a částic sazí – ve srovnání s emisemi produkovanými spalováním konvenční nafty. Emise oxidů dusíku (NOx) mohou být u bionafty vyšší (ve srovnání s naftou). To však lze snížit optimalizací načasování vstřikování paliva.
Výroba bionafty se díky ultrazvukové transesterifikaci výrazně zlepšuje. Klikněte sem a dozvíte se více o výrobě bionafty pomocí ultrazvuku!
Lze ethanol použít jako palivo?
Ano, ethanol – ethylalkohol (C₂H5Ach, Bože! – lze použít jako palivo. Ethanolová paliva se většinou používají jako motorová paliva – především jako přísada do benzínu v podobě biopaliva. Dnes mohou automobily jezdit na 100% etanolové palivo nebo na tzv. flex-paliva, která představují směs etanolu a benzínu. Obvykle se vyrábí fermentací biomasy, např. kukuřice nebo cukrové třtiny. Jelikož se etanolové palivo získává z obnovitelné a udržitelné biomasy, často se mu říká bioetanol. Výkonný ultrazvuk může výrobu bioetanolu podstatně zlepšit. Klikněte sem a dozvíte se více o výrobě bioetanolu pomocí ultrazvuku!
Ethanol je okysličovadlo v E-dieselu. Hlavní nevýhodou E-dieselu je nemísitelnost etanolu v naftě v širokém rozsahu teplot. Bionaftu však lze úspěšně použít jako amfifilní povrchově aktivní látku ke stabilizaci etanolu a nafty. Palivo ethanol-bionafta-nafta (EB-nafta) může být přimícháno ultrazvukem do mikro- nebo nanoemulze, takže EB-nafta je stabilní – i při teplotách pod bodem mrazu a nabízí vynikající palivové vlastnosti než běžná motorová nafta.
Jak funguje ultrazvuková disperze při výrobě nanopaliv?
Ultrazvuková disperze využívá akustickou kavitaci k rozbití shluků částic v palivu. Vznikají a zanikají mikroskopické bublinky, které generují lokální smykové síly a proudy kapaliny, jež oddělují shluknuté částice. Tento proces napomáhá rozptýlení nanoaditiv v celé kapalině a podporuje vývoj reprodukovatelných receptur.
Které nanočástice lze pomocí ultrazvuku dispergovat do paliv?
Mezi materiály zkoumané v rámci složení paliv patří oxid ceritý (CeO₂), oxid hlinitý (Al₂O₃), oxid titaničitý (TiO₂), oxid zinečnatý (ZnO) a uhlíkové nanotrubice (CNTs). Výběr vhodného aditiva závisí na základním palivu a zamýšleném výkonnostním cíli. Každá kombinace vyžaduje testování za účelem stanovení vhodných koncentrací, podmínek zpracování a stability.
Jaký je rozdíl mezi disperzí nanopaliva a nanoemulzí paliva?
Disperze nanočástic obsahuje pevné částice rozptýlené v kapalném palivu. Palivová nanoemulze obsahuje velmi malé kapičky jedné kapaliny rozptýlené v jiné, například kapičky vody v naftě. Ultrazvuk může podporovat oba tyto procesy. U přípravků obsahujících nanočástice a rozptýlené kapičky kapaliny je nutné posoudit jak stabilitu částic, tak stabilitu emulze.
Zabraňuje ultrazvuková disperze usazování nanočástic?
Ultrazvuková úprava může omezit aglomeraci a zlepšit počáteční rozložení částic, avšak dlouhodobá stabilita závisí také na složení přípravku. Na to, zda částice zůstanou v suspenzi, mají vliv vlastnosti částic, koncentrace přísad, složení paliva a kompatibilní dispergační činidla. Skladovací zkoušky by měly určit, jak dlouho si hotové nanopalivo zachovává přijatelné rozložení za předpokládaných podmínek.
Které parametry ultrazvukového zpracování jsou nejdůležitější?
Mezi klíčové parametry patří amplituda, příkon energie, doba zpracování a teplota. U průtočného zpracování hrají roli také průtok a tlak v reaktoru. Tato nastavení je třeba posuzovat společně se složením přípravku. Zaznamenání podmínek, za kterých se dosáhne požadované disperze, pomáhá zajistit opakovatelnost zpracování a usnadňuje následné zvýšení výrobního rozsahu.
Je možné výrobu nanopaliv pomocí ultrazvuku rozšířit z laboratorního měřítka na kontinuální zpracování?
Ano. Laboratorní zkoušky umožňují stanovit složení a podmínky zpracování ještě před vyhodnocením v ultrazvukové průtokové komoře. V nepřetržitém provozu palivo prochází řízenou zónou úpravy. Při škálování by se mělo ověřit, zda větší systém dosahuje požadované kvality disperze a stability při zamýšleném průtoku.
Jak si mám vybrat ultrazvukový dispergátor Hielscher pro nanopaliva?
Začněte s výběrem základního paliva, typu a koncentrace nanočástic, požadovaného objemu šarže nebo průtoku a cílové kvality disperze. Uveďte také provozní teplotu a plánovanou dobu skladování. Tyto údaje nám pomohou doporučit ideální konfiguraci ultrazvukového zařízení, sonotrody a průtokové komory pro zkušební aplikace 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.