Nano-Kraftstoffe mittels Ultraschall-Dispergierung
Die Entwicklung von Nanokraftstoffen beginnt mit einer effektiven Dispersion. Nanopartikel, die Diesel, Biodiesel oder Kraftstoffgemischen zugesetzt werden, können die Verbrennung beeinflussen, doch ihre Wirksamkeit hängt davon ab, wie gut sie in der Flüssigkeit verteilt sind. Agglomeration und Sedimentation erschweren es, eine gleichbleibende Additivkonzentration aufrechtzuerhalten und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Die Ultraschalldispersion löst dieses Problem, indem sie Partikelcluster aufbricht und die Nanoadditive im gesamten Kraftstoff verteilt.
Nano-Karftstoffe
Nanokraftstoffe bestehen aus einem Kraftstoff (Diesel, Biodiesel, Kraftstoffmischungen) sowie dispergierten Nanopartikeln. Diese Nanopartikel dienen als hybride Nanokatalysatoren, welche eine große reaktive Partikeloberfläche bieten. Mittels Ultraschall dispergierte Nanoadditive verbessern die Kraftstoffleistung erheblich. Diese Nanokraftstoffe weisen kürzere Zündverzögerungszeiten, längeren Flammerhalt, eine verdichtete Zündung sowie eine erheblich reduzierte Gesamtemissionen auf.
Nano-Kraftstoffmischungen, denen Nanopartikel beigemischt wurden, übertreffen reine Flüssigkraftstoffe in Hinblick auf deren Brennstoffleistung durch eine höhere Energiedichte, eine schnellere und einfachere Zündung, verbesserte katalytische Wirkung, geringere Emission, schnellere Verdampfung und Brenngeschwindigkeit reduziert sowie eine verbesserte Verbrennungseffizienz.
Nutzen Sie die Ultraschallbehandlung zur Nanodispersion von Partikeln in Kraftstoffen!
Wenden Sie sich an unser Team, um die Ultraschalldispersion für Ihre Kombination aus Kraftstoff und Nanopartikeln zu erkunden.
7kW Ultraschall-Durchflusssystem
Nanokraftstoffe: Ultraschalldispersion von Nanopartikeln in Kraftstoff
Um eine Absetzung von Nanopartikeln im Kraftstofftank zu vermeiden, müssen die Partikel auf ausgeklügelte Weise dispergiert werden. Mithilfe der Ultraschalldispergierung lassen sich Nanopartikel wie Ceroxid, Aluminiumoxid und Kohlenstoffnanoröhren in Diesel, Biodiesel und Kraftstoffgemische einbringen.
Durch akustische Kavitation – die Bildung und das Kollabieren von mikroskopischen Blasen – Durch die Ultraschallbehandlung entstehen lokal intensive Scherkräfte, die Partikelagglomerate aufbrechen und die Additive in der Flüssigkeit verteilen. Dadurch wird eine größere Partikeloberfläche dem umgebenden Kraftstoff ausgesetzt, was die Bewertung der katalytischen und verbrennungsbezogenen Vorteile unterstützt.
Ultraschall übt seine Dispergierwirkung direkt in der Flüssigkeit aus, ohne dass zusätzliche Mahlperlen hinzugefügt werden müssen, wodurch das anschließende Abscheiden der Mahlkörper entfällt. Die Ultraschallgeräte von Hielscher eignen sich sowohl für die Chargenverarbeitung als auch für die kontinuierliche Inline-Verarbeitung, wodurch sich diese Technik von der Laborforschung bis hin zur industriellen Produktion einsetzen lässt.
Die folgende Liste gibt einen Überblick über Nanomaterialien, welche bereits in Kraftstoffen getestet wurden:
- CNTs – Carbon Nanotubes
- Ag – Silber
- Al – Aluminium
- Al2O3 – Aluminiumoxid
- AlCuOx – Kupfer-Aluminiumoxide
- b – Bor
- Ca – Calcium
- CaCO3 – Kalziumcarbonat
- Fe – Eisen
- Cu – Kupfer
- CuO – Kupferoxid
- Ce – Cerium
- CeO2 – Ceriumoxid
- (CeO2)·(ZrO2) – Cerium-Zirkonoxid
- CO – Kobalt
- Mg – Magnesium
- Mn – Mangan
- TiO2 – Titandioxid
- ZnO – Zinkoxid
Nanoskaliges, durch Ultraschall mono-disperses Ceroxid bietet durch sein hohes hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis eine sehr gute katalytische Aktivität führt dadurch zu verbesserter Kraftstoffeffizienz und geringeren Emissionen.
Aqua-Kraftstoffe: Emulsionskraftstoffe im Nanobereich durch Ultraschallbehandlung
Aqua-Kraftstoffe sind Wasser-in-Kraftstoff-Emulsionen, in denen feine Wassertröpfchen in einer kontinuierlichen Kraftstoffphase, wie beispielsweise Diesel, verteilt sind. Hielscher-Ultraschallgeräte erzeugen intensive akustische Kavitation, die größere Tröpfchen in kleinere aufspaltet und so unter geeigneten Formulierungs- und Verarbeitungsbedingungen die Herstellung von Emulsionen mit Tröpfchen im Nanobereich ermöglicht. Eine einstellbare Ultraschallamplitude, eine kontrollierte Energiezufuhr und ein Temperaturmanagement tragen zur Optimierung der Tröpfchengröße und der Reproduzierbarkeit bei, während geeignete Emulgatoren die Stabilität während der Lagerung und Handhabung gewährleisten.
Klicken Sie hier, um mehr über die ultraschall-gestützte Herstellung von Aqua-Kraftstoffen zu erfahren!
Ultraschall-Kraftstoffmischung
Die Ultraschall-Emulgiertechnologie wird dazu verwendet, um stabile Ethanol-in-Dekan, Ethanol-in-Diesel oder Diesel-Biodiesel-Ethanol/Bioethanol -Gemische herzustellen. Solche Gemische sind ein idealer Ausgangskraftstoff, der in einem zweiten Schritt durch das Einmischen von Nanopartikeln verbessert werden kann.
Ultraschallproduktion von Emulsionskraftstoffen
Industrielle Ultraschallgeräte zum Dispergieren und Emulgieren von Nanokraftstoffen
Hielscher-Ultraschallgeräte kombinieren eine effektive Deagglomeration von Nanopartikeln mit einer präzisen Prozesssteuerung für die Entwicklung und Herstellung von Nanokraftstoffen. Intensive Ultraschallkavitation hilft dabei, Partikelcluster aufzubrechen und Additive wie Metalloxide und Kohlenstoffnanoröhren in Diesel, Biodiesel und Kraftstoffgemischen zu verteilen. Die einstellbare Amplitude sowie die Überwachung der Energiezufuhr und der Temperatur gewährleisten eine reproduzierbare Verarbeitung und die Optimierung der Rezeptur. Mit Laborgeräten und industriellen Systemen, die für den Chargen- oder kontinuierlichen Durchflussbetrieb ausgelegt sind, bietet Hielscher einen praktischen Weg von ersten Versuchen bis hin zu höheren Produktionsmengen. Die automatische Aufzeichnung von Prozessdaten bei digitalen Industriemodellen hilft den Teams, erfolgreiche Bedingungen zu dokumentieren und eine konsistente Verarbeitung auch bei steigendem Durchsatz aufrechtzuerhalten.
Skalierung und zuverlässige Produktion
Sobald die Formulierung die Qualitätsziele erfüllt, bietet die Durchfluss-Ultraschallbehandlung einen Weg zu höheren Produktionsmengen. Der Kraftstoff durchläuft unter kontrollierten Betriebsbedingungen eine Ultraschallbehandlungszone, wobei je nach gewünschtem Ergebnis zwischen Einmal- oder Kreislaufverfahren gewählt wird. Für die Auswahl der Anlage sind der Ausgangskraftstoff, die Art und Konzentration der Additive, die angestrebte Dispersionsqualität, der erforderliche Durchsatz sowie die Betriebstemperatur anzugeben. Anhand dieser Angaben kann Hielscher eine geeignete Konfiguration aus Prozessor, Sonotrode und Durchflusszelle für Prozessversuche und die anschließende Skalierung empfehlen.
Hielscher bietet kostengünstige, robuste Ultraschallprozessoren mit geringem Platzbedarf für die Integration in Produktionlinien mit begrenztem Platz sowie in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlener Ultraschallzerkleinerer |
|---|---|---|
| 10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP400St |
| 0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000hdT |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000hdT |
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Häufig gestellte Fragen zur Herstellung von Nano-Kraftstoffen mittels Ultraschall
Was sind Nnano-Kraftstoffe?
Als Nano-Kraftstoffe werden Kraftstoffgemische bezeichnet, die mit Nanopartikeln versetzt sind. Durch die Dispergierung energetischer Nanopartikel in den Kraftstoff werden die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Kraftstoffs durch die Eigenschaften der Nanomaterialien, z.B. deren dispersen Struktur, sowie dem komplexen Zusammenspiel von Wärmeübertragung, Strömung und Partikelwechselwirkungen beeinflusst. Aufgrund ihrer heterogenen Zusammensetzung sind die Eigenschaften eines Nanokraftstoffes stark von dem Ausgangskraftstoff, der Zusammensetzung, Partikelgröße und -form, Konzentration sowie von den spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften der Nanopartikel abhängig. Die Eigenschaften des Nanokraftstoffes kann sich jedoch erheblich von den Eigenschaften der Ausgangskraftstoffes unterscheiden.
Wie wird Diesel als Kraftstoff verwendet?
Diesel ist ein Flüssigkraftstoff, welcher in Dieselmotoren verbrannt wird. Bei Dieselmotoren wird der Brennstoff ohne Funken, sondern lediglich durch Komprimieren des Einlassluft-Gemisches und die anschließende Injektion des Dieselkraftstoffes gezündet.
Herkömmlicher Dieselkraftstoff ist ein bestimmtes fraktioniertes Destillat aus Erdölheizöl. Im weiteren Sinne bezieht sich der Begriff „Diesel“ auch auf Kraftstoffe, die nicht aus Erdöl gewonnen werden, z. B. Biodiesel, Biomasse-zu-Flüssig-Diesel (BTL), Gas-zu-Flüssig-Diesel (GTL) oder Kohle-zu-Flüssig-Diesel (CTL). BTL, GTL und CTL sind sogenannte synthetische Dieselkraftstoffe, die aus beliebigen kohlenstoffhaltigen Materialien (z. B. Biomasse, Biogas, Erdgas, Kohle usw.) gewonnen werden können. Nach der Vergasung des Ausgangsmaterials zu Synthesegas und der anschließenden Reinigung wird dieses mittels der Fischer-Tropsch-Reaktion in synthetischen Diesel umgewandelt. Ultra-Low-Sulfur-Diesel (ULSD) ist ein Standard für Dieselkraftstoff, der einen deutlich reduzierten Schwefelgehalt aufweist.
Was ist Biodiesel?
Biodiesel ist ein erneuerbarer Brennstoff, welcher aus pflanzlichen Ölen, tierische Fetten oder recycelten Ölen bzw. Fette hergestellt wird. Biodiesel kann in Dieselfahrzeugen und Generatoren verbrannt werden. Biodiesel weist ähnliche physikalischen Eigenschaften wie aus Erdöl gewonnener Diesel auf, wobei Biodiesel sauberer verbrennt. Biodiesel reduziert die Emissionen der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (UHC), Kohlendioxids (CO2), Kohlenmonoxids (CO), Schwefeloxide und Rußpartikel – im Vergleich zu den Emissionen welche bei der Verbrennung herkömmlichen Diesels entstehen. Die Emission von Stickoxiden (NOx) kann für Biodiesel (im Vergleich zu Diesel) allerdings höher sein. Durch einen optimierten Einspritzungszeitpunkt lässt sich diese Emission jedoch reduzieren.
Die Biodieselproduktion wird durch die Ultraschall-Transesterifizierung erheblich verbessert. Klicken Sie hier, um mehr über die Herstellung von Biodiesel mittels Ultraschall zu erfahren!
Kann Ethanol als Kraftstoff verwendet werden?
Ja, Ethanol – Ethylalkohol (C₂H5Oh Gott! – können als Kraftstoff verwendet werden. Ethanolkraftstoffe werden meist als Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge eingesetzt. – hauptsächlich als Biokraftstoffzusatz in Benzin. Heutzutage können Autos mit 100 % Ethanol oder mit sogenannten Flex-Kraftstoffen betrieben werden, bei denen es sich um eine Mischung aus Ethanol und Benzin handelt. Es wird üblicherweise durch einen Fermentationsprozess aus Biomasse, z. B. Mais oder Zuckerrohr, hergestellt. Da Ethanol aus erneuerbarer, nachhaltiger Biomasse gewonnen wird, wird es oft als Bioethanol bezeichnet. Leistungsultraschall kann die Produktion von Bioethanol erheblich verbessern. Klicken Sie hier, um mehr über die Herstellung von Bioethanol mittels Ultraschall zu erfahren!
Ethanol dient als Oxygenat in E-Diesel (Ethanoldiesel). Der Nachteil von E-Diesel liegt in der Phasentrennung von Ethanol und Diesel über einen weiten Temperaturbereich. Allerdings kann Biodiesel erfolgreich als amphiphiles Tensid verwendet werden, um ein Ethanol-Dieselgemisch zu stabilisieren. Ethanol−Biodiesel−Diesel (EB-Diesel) kann mittels Ultraschall zu einer Nano-Emulsion gemischt werden, so dass der EB-Diesel stabil bleibt – sogar bei unter Temperaturen unter dem Gefrierpunkt - gleichzeitig bietet EB-Diesel im Vergleich zu herkömmlichem Dieselkraftstoff überlegene Kraftstoffeigenschaften.
Wie funktioniert die Ultraschalldispersion bei der Herstellung von Nanokraftstoffen?
Bei der Ultraschalldispersion werden Partikelagglomerate im Kraftstoff mithilfe akustischer Kavitation aufgebrochen. Dabei bilden sich mikroskopisch kleine Bläschen, die zusammenbrechen und lokale Scherkräfte sowie Flüssigkeitsstrahlen erzeugen, welche die gebündelten Partikel voneinander trennen. Dieser Prozess trägt zur Verteilung von Nano-Additiven in der Flüssigkeit bei und unterstützt eine reproduzierbare Formulierungsentwicklung.
Welche Nanopartikel lassen sich mithilfe von Ultraschall in Kraftstoffe dispergieren?
Zu den in Kraftstoffformulierungen untersuchten Materialien gehören Ceroxid (CeO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Zinkoxid (ZnO) und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs). Die Wahl des geeigneten Additivs hängt vom Grundkraftstoff und dem angestrebten Leistungsziel ab. Jede Kombination muss getestet werden, um geeignete Konzentrationen, Verarbeitungsbedingungen und Stabilität zu ermitteln.
Was ist der Unterschied zwischen einer Nanokraftstoffdispersion und einer Kraftstoff-Nanoemulsion?
Eine Nanopartikel-Dispersion enthält feste Partikel, die in einem flüssigen Kraftstoff verteilt sind. Eine Kraftstoff-Nanoemulsion enthält sehr kleine Tröpfchen einer Flüssigkeit, die in einer anderen Flüssigkeit dispergiert sind, beispielsweise Wassertröpfchen in Diesel. Ultraschall kann beide Prozesse unterstützen. Bei Formulierungen, die Nanopartikel und dispergierte Flüssigkeitströpfchen enthalten, müssen sowohl die Partikelstabilität als auch die Emulsionsstabilität bewertet werden.
Verhindert die Ultraschalldispersion das Absetzen von Nanopartikeln?
Eine Ultraschallbehandlung kann die Agglomeration verringern und die anfängliche Verteilung der Partikel verbessern, doch hängt die dauerhafte Stabilität auch von der Rezeptur ab. Partikeleigenschaften, Additivkonzentration, Kraftstoffzusammensetzung und kompatible Dispergiermittel beeinflussen, ob die Partikel in Suspension bleiben. In Lagerungstests sollte ermittelt werden, wie lange der fertige Nanokraftstoff unter den vorgesehenen Bedingungen eine akzeptable Verteilung beibehält.
Welche Parameter der Ultraschallbearbeitung sind am wichtigsten?
Zu den wichtigsten Parametern zählen Amplitude, Energiezufuhr, Behandlungsdauer und Temperatur. Bei der Durchflussverarbeitung spielen zudem die Durchflussrate und der Reaktordruck eine Rolle. Diese Einstellungen sollten zusammen mit der Rezeptur bewertet werden. Die Dokumentation der Bedingungen, unter denen die gewünschte Dispersion erzielt wird, trägt zur Etablierung einer reproduzierbaren Verarbeitung bei und unterstützt die anschließende Skalierung.
Lässt sich die Herstellung von Nano-Kraftstoffen mittels Ultraschall vom Labormaßstab auf die kontinuierliche Produktion übertragen?
Ja. In Laborversuchen können die Rezeptur und die Verarbeitungsbedingungen vor der Bewertung in einer Ultraschall-Durchflusszelle festgelegt werden. Im Dauerbetrieb durchläuft der Kraftstoff eine kontrollierte Behandlungszone. Durch die Skalierung sollte bestätigt werden, dass das größere System bei dem vorgesehenen Durchsatz die erforderliche Dispersionsqualität und Stabilität erreicht.
Wie wähle ich einen Hielscher-Ultraschalldispergierer für Nanokraftstoffe aus?
Geben Sie zunächst den Ausgangsstoff, die Art und Konzentration der Nanopartikel, das erforderliche Chargenvolumen oder die Durchflussrate sowie die angestrebte Dispersionsqualität an. Geben Sie außerdem die Betriebstemperatur und die vorgesehene Lagerdauer an. Anhand dieser Angaben können wir Ihnen den idealen Ultraschallapparat, die geeignete Sonotrode und die optimale Durchflusszellenkonfiguration für Anwendungsversuche und die Produktionsplanung empfehlen.
Literatur / Literaturhinweise
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- 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.