Overlegne nanobrændstoffer ved ultralydsdispersion

Ofte stillede spørgsmål om produktion af nanobrændstof ved hjælp af ultralyd

Hvad er nanobrændstoffer?

Nanobrændstoffer henviser til en blanding af brændstof og nanopartikler. Ved at sprede nano-energetiske partikler i brændstoffet ændres brændstoffets fysisk-kemiske egenskaber af deres funktion, deres dispersive struktur og det komplekse samspil mellem varmeoverførsel, væskestrøm og partikelinteraktioner. På grund af den heterogene sammensætning bestemmes nanobrændstofegenskaber af typen af basisbrændstof samt nanopartiklernes sammensætning, størrelse, form, koncentration og fysiske og kemiske egenskaber. Nanobrændstofegenskaberne kan afvige markant fra basisbrændstoffets egenskaber.

Hvordan anvendes diesel som brændstof?

Diesel er flydende brændstof, der forbrændes i dieselmotorer. I dieselmotorer antændes brændstoffet uden gnist, men ved at komprimere indsugningsluftblandingen og derefter indsprøjte dieseloliet.
Konventionel diesel er et specifikt fraktioneret destillat af råolie. I bredere forstand henviser udtrykket diesel også til brændstoffer, der ikke stammer fra råolie, f.eks. biodiesel, biomasse-til-væske (BTL), gas-til-væske (GTL) eller kul-til-væske (CTL)-diesel. BTL, GTL og CTL er såkaldte syntetiske dieselbrændstoffer, som kan fremstilles af ethvert kulstofholdigt materiale (f.eks. biomasse, biogas, naturgas, kul osv.). Efter forgasning af råmaterialet til syntesegas efterfulgt af rensning omdannes det via Fischer–Tropsch-reaktionen til syntetisk diesel. Ultra-low-sulfur diesel (ULSD) er en standard for dieselbrændstof, der indeholder et markant reduceret svovlindhold.

Hvad er biodiesel?

Biodiesel er et vedvarende brændstof, der er fremstillet af vegetabilske olier, animalsk fedt eller genbrugsfedt. Biodiesel kan bruges til at køre i dieselkøretøjer og generatorer. Dens fysiske egenskaber svarer til petroleumsdiesel, selvom den brænder renere. Biodiesel reducerer emissionerne af uforbrændte kulbrinter (UHC), kuldioxid (CO2), kulilte (CO), svovloxider og sodpartikler – sammenlignet med emissioner fra forbrænding af konventionel diesel. Udledningen af nitrogenoxider (NOx) kan være højere for biodiesel (sammenlignet med diesel). Dette kan dog reduceres ved at optimere tidspunktet for brændstofindsprøjtning.
Produktionen af biodiesel forbedres betydeligt ved hjælp af ultralydstransesterificering. Klik her for at læse mere om fremstilling af biodiesel ved hjælp af ultralyd!

Kan ethanol bruges som brændstof?

Ja, ethanol – ethylalkohol (C₂H₅Åh, Gud! – kan bruges som brændstof. Ethanolbaserede brændstoffer anvendes hovedsageligt som motorbrændstoffer – hovedsageligt som tilsætningsstof til biobrændstof i benzin. I dag kan biler køre på 100 % ethanol eller på såkaldte flex-brændstoffer, som er en blanding af ethanol og benzin. Det fremstilles typisk ved en gæringsproces af biomasse, f.eks. majs eller sukkerrør. Da ethanolbrændstof stammer fra vedvarende, bæredygtig biomasse, kaldes det ofte bioethanol. Ultralyd med høj effekt kan forbedre produktionen af bioethanol betydeligt. Klik her for at læse mere om produktion af bioethanol ved hjælp af ultralyd!
Ethanol er iltatet i E-diesel. Den største ulempe ved E-diesel er ublandbarheden af ethanol i diesel over en lang række temperaturer. Biodiesel kan dog med succes bruges som et amfifilt overfladeaktivt middel til at stabilisere ethanol og diesel. Ethanol-biodiesel-diesel (EB-diesel) brændstof kan blandes ultralyd til en mikro- eller nano-emulsion, så EB-dieselen er stabil – selv ved minusgrader og tilbyder overlegne brændstofegenskaber i forhold til almindeligt dieselbrændstof.

Hvordan fungerer ultralydsdispersion i produktionen af nanobrændstof?

Ultralydsdispersion udnytter akustisk kavitation til at nedbryde partikelklumper i brændstoffet. Der dannes og kollapser mikroskopiske bobler, hvilket skaber lokale forskydningskræfter og væskestråler, der adskiller de sammenklumpede partikler. Denne proces bidrager til at fordele nanoadditiver i hele væsken og understøtter udviklingen af reproducerbare formuleringer.

Hvilke nanopartikler kan dispergeres i brændstoffer ved hjælp af ultralyd?

Blandt de materialer, der er undersøgt i brændstofsammensætninger, kan nævnes ceriumoxid (CeO₂), aluminiumoxid (Al₂O₃), titandioxid (TiO₂), zinkoxid (ZnO) og kulstofnanorør (CNT’er). Valget af det rette tilsætningsstof afhænger af basisbrændstoffet og det tilsigtede ydelsesmål. Hver kombination kræver afprøvning for at fastlægge passende koncentrationer, forarbejdningsbetingelser og stabilitet.

Hvad er forskellen mellem en nanobrændstofdispersion og en brændstofnanoemulsion?

En nanopartikeldispersion består af faste partikler, der er fordelt i et flydende brændstof. En brændstofnanoemulsion består af meget små dråber af én væske, der er dispergeret i en anden, f.eks. vanddråber i diesel. Ultralyd kan understøtte begge processer. Formuleringer, der indeholder nanopartikler og dispergerede væskedråber, kræver en vurdering af både partikelstabilitet og emulsionsstabilitet.

Forhindrer ultralydsdispersion, at nanopartiklerne bundfælder sig?

Ultralydsbehandling kan mindske agglomerering og forbedre partiklernes indledende fordeling, men den varige stabilitet afhænger også af sammensætningen. Partiklernes egenskaber, tilsætningsstoffernes koncentration, brændstofsammensætningen og kompatible dispergeringsmidler har indflydelse på, om partiklerne forbliver i suspension. Opbevaringstests bør fastslå, hvor længe det færdige nanobrændstof opretholder en acceptabel fordeling under de tilsigtede betingelser.

Hvilke parametre for ultralydsbehandling er de vigtigste?

De vigtigste parametre omfatter amplitude, energitilførsel, behandlingsvarighed og temperatur. Ved gennemstrømningsbehandling spiller gennemstrømningshastighed og reaktortryk også en rolle. Disse indstillinger bør vurderes i sammenhæng med formuleringen. Dokumentering af de betingelser, der giver den ønskede dispersion, bidrager til at sikre en gentagelig proces og understøtter den efterfølgende opskalering.

Kan produktionen af nanobrændstof ved hjælp af ultralyd skaleres fra laboratoriet til kontinuerlig produktion?

Ja. Gennem laboratorieforsøg kan man fastlægge formuleringen og procesbetingelserne, inden der foretages en evaluering i en ultralydsflowcelle. Ved kontinuerlig drift ledes brændstoffet gennem et kontrolleret behandlingsområde. Ved opskalering bør det bekræftes, at det større anlæg opnår den krævede dispersionskvalitet og stabilitet ved den tilsigtede gennemstrømning.

Hvordan vælger jeg en Hielscher-ultralydsdisperser til nanobrændstoffer?

Start med at angive basisbrændstoffet, nanopartikeltypen og -koncentrationen, det krævede batchvolumen eller gennemstrømningshastighed samt den ønskede dispersionskvalitet. Angiv desuden driftstemperaturen og den forventede opbevaringsperiode. Disse oplysninger hjælper os med at anbefale den optimale ultralydsenhed, sonotrode og flowcellekonfiguration til anvendelsesforsøg og produktionsplanlægning.