Ülimad nanokütused ultraheli dispergeerimise abil
Nanokütuste arendus algab tõhusast dispergeerimisest. Diislikütusele, biodiislile või kütusesegudele lisatud nanoosakesed võivad mõjutada põlemist, kuid nende toimivus sõltub sellest, kui hästi need vedelikus jaotuvad. Aglomeratsioon ja settimine muudavad lisandi ühtlase kontsentratsiooni säilitamise ja korratavate tulemuste saamise keerulisemaks. Ultraheli dispergeerimine lahendab selle probleemi, lõhkudes osakeste klastreid ja jaotades nanolisandid kogu kütuses.
Nanokütused
Nanokütused koosnevad baaskütuse (nt diislikütus, biodiisel, kütusesegud) ja nanoosakeste segust. Need nanoosakesed toimivad hübriidsete nanokatalüsaatoritena, millel on suur reaktiivne pindala. Nanolisandi ultraheli dispergeerimine parandab oluliselt kütuse toimivust, näiteks vähendab süütevilet, pikendab leegi püsimist ja soodustab aglomeraatide süttimist ning vähendab märkimisväärselt heitmeid tervikuna.
Nanosuuruses kütuse-osakeste segud ületavad puhast vedelkütust kütuse toimivuse poolest: suurem energiatihedus, kiirem ja lihtsam süttimine, tõhustatud katalüütiline toime, väiksemad heitmed, kiirem aurustumine ja põlemiskiirus ning parem põlemistõhusus.
Kasutage sonikeerimist osakeste nanodispergeerimiseks kütustes!
Võtke meie meeskonnaga ühendust, et uurida ultraheli dispergeerimist teie kütuse ja nanoosakeste kombinatsiooni jaoks.
7kW ultraheli läbivoolusüsteem
Nanokütused: nanoosakeste ultraheli dispergeerimine kütuses
Et vältida nanoosakeste settimist kütusepaagis, tuleb osakesed dispergeerida keerukalt. Ultraheli dispergeerimine aitab viia nanoosakesi, näiteks tseeriumoksiidi, alumiiniumoksiidi ja süsiniknanotorusid, diislikütusesse, biodiislisse ja kütusesegudesse.
Akustilise kavitatsiooni – mikroskoopiliste mullide tekke ja kollapsi – kaudu tekitab sonikeerimine intensiivseid lokaalseid nihkejõude, mis lõhuvad osakeste aglomeraate ja jaotavad lisandid kogu vedelikus. See paljastab ümbritsevale kütusele suurema osakeste pinna, toetades katalüütiliste ja põlemisega seotud eeliste hindamist.
Ultraheli annab oma dispergeeriva toime otse vedelikku ilma lisatud jahvatuskuulideta, mistõttu pole hiljem vaja jahvatuskeskkonda eraldada. Hielscheri sonikaatorid toetavad nii partiide ettevalmistamist kui ka pidevat inline-töötlust, mistõttu on meetod kasutatav laboriuuringutest tööstusliku tootmiseni.
Alljärgnev loetelu annab ülevaate kütustes dispergeeritult juba testitud nanomaterjalidest:
- CNTd – süsiniknanotorud
- Ag – hõbe
- Al – alumiinium
- Al2O3 – alumiiniumoksiid
- AlCuOx – alumiiniumi-vaskoksiidid
- B – boor
- Ca – kaltsium
- CaCO3 – kaltsiumkarbonaat
- Fe – raud
- Cu – vask
- CuO – vaskoksiid
- Ce – tseerium
- CeO2 – tseeriumoksiid
- (CeO2)·(ZrO2) – tseeriumi-tsirkooniumoksiid
- Co – koobalt
- Mg – magneesium
- Mn – mangaan
- TiO2 – titaandioksiid
- ZnO – tsinkoksiid
Nanomõõtmeline, ultrahelijõul monodisperseeritud tseeriumoksiid pakub suure pindala ja ruumala suhte tõttu kõrget katalüütilist aktiivsust, mis parandab kütusetõhusust ja vähendab heitmeid.
Aquakütused: nanosuuruses emulsioonkütused sonikeerimisega
Aquakütused on vesi-kütuses-emulsioonid, milles peened veepiisad on jaotunud pidevas kütusefaasis, näiteks diislikütuses. Hielscheri sonikaatorid tekitavad intensiivset akustilist kavitatsiooni, mis lõhub suuremad piisad väiksemateks, võimaldades sobiva koostise ja töötlustingimuste korral arendada nanomõõtmeliste piiskadega emulsioone. Reguleeritav ultraheli amplituud, kontrollitud energiasisend ja temperatuuri juhtimine aitavad optimeerida piisasuurust ja korratavust, samas kui sobivad emulgaatorid toetavad stabiilsust ladustamisel ja käitlemisel.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheli abil valmistatud aquakütuste kohta!
Ultraheli kütusesegamine
Ultraheli emulgeerimistehnoloogiat kasutatakse stabiilsete etanool-detsaanis, etanool-diislikütuses või diislikütuse–biodiislikütuse–etanooli/bioetanooli segude valmistamiseks. Selline segu on ideaalne baaskütus, mida saab teises etapis täiendavalt parandada nanoosakeste dispergeerimisega kütusesse.
Emulsioonkütuste ultraheliga tootmine
Tööstuslikud sonikaatorid nanokütuste dispergeerimiseks ja emulgeerimiseks
Hielscheri sonikaatorid ühendavad tõhusa nanoosakeste deaglomeratsiooni täpse protsessijuhtimisega nanokütuste arendamiseks ja tootmiseks. Intensiivne ultraheli kavitatsioon aitab lõhkuda osakeste klastreid ning jaotada lisandeid, näiteks metalloksiide ja süsiniknanotorusid, ühtlaselt diislikütuses, biodiislikütuses ja segukütustes. Reguleeritav amplituud ning energiasisendi ja temperatuuri jälgimine toetavad reprodutseeritavat töötlust ja koostise optimeerimist. Laboriseadmete ning perioodilise või pideva läbivoolurežiimi jaoks konfigureeritud tööstussüsteemidega pakub Hielscher praktilist teed esimestelt katsetelt suuremate tootmismahtudeni. Automaatne protsessiandmete salvestamine digitaalsetel tööstusmudelitel aitab meeskondadel edukaid tingimusi dokumenteerida ja säilitada ühtlast töötlust läbilaske suurenedes.
Mastaabi suurendamine ja töökindel tootmine
Kui koostis vastab kvaliteedieesmärkidele, pakub läbivoolu-ultraheli töötlus tee suuremate tootmismahtudeni. Kütus läbib ultraheli töötlusvööndi kontrollitud töötingimustel, kusjuures ühekordne läbimine või retsirkulatsioon valitakse vastavalt vajalikule tulemusele. Seadmete valimiseks esitage baaskütus, lisandi tüüp ja kontsentratsioon, soovitud dispersiooni kvaliteet, nõutav läbilase ja töötemperatuur. Need andmed võimaldavad ettevõttel Hielscher soovitada protsessorit, sonotroodi ja läbivoolukambri konfiguratsiooni protsessikatseteks ja hilisemaks mastaabi suurendamiseks.
Hielscher pakub kulutõhusaid, väga töökindlaid ultraheliprotsessoreid väikese põrandapinnaga, mis sobivad paigaldamiseks piiratud ruumiga ja nõudlike tingimustega tehastesse.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatav sonikaator |
|---|---|---|
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – läbivoolukambri lisand parimate nanoemulsioonide jaoks
Korduma kippuvad küsimused ultraheliga nanokütuste tootmise kohta
Mis on nanokütused
Nanokütused on kütuse ja nanoosakeste segu. Nanoenergeetiliste osakeste dispergeerimisel kütusesse muutuvad kütuse füüsikalis-keemilised omadused nende funktsionaalsuse, dispersioonistruktuuri ning soojusülekande, vedelikuvoolu ja osakeste vastasmõjude keerulise koosmõju tõttu. Heterogeense koostise tõttu määravad nanokütuse omadused baaskütuse tüüp ning nanoosakeste koostis, suurus, kuju, kontsentratsioon ning füüsikalised ja keemilised omadused. Nanokütuse omadused võivad baaskütuse omadustest oluliselt erineda.
Kuidas diislikütust kasutatakse kütusena?
Diislikütus on vedelkütus, mida põletatakse diiselmootorites. Diiselmootorites süüdatakse kütus ilma sädemeta, surudes kokku sissevõetava õhusegu ja seejärel sissepritsides diislikütuse.
Tavapärane diislikütus on naftakütteõli kindel fraktsioneeritud destillaat. Laiemas tähenduses hõlmab mõiste diislikütus ka kütuseid, mis ei ole saadud naftast, nt biodiislikütus, biomassist vedelkütus (BTL), gaasist vedelkütus (GTL) või söest vedelkütus (CTL). BTL, GTL ja CTL on nn sünteetilised diislikütused, mida saab valmistada mis tahes süsinikku sisaldavast materjalist (nt biomass, biogaas, maagaas, kivisüsi jne). Pärast tooraine gaasistamist sünteesgaasiks ja sellele järgnevat puhastamist muundatakse see Fischeri–Tropschi reaktsiooni abil sünteetiliseks diislikütuseks. Ülimadala väävlisisaldusega diislikütus (ULSD) on diislikütuse standard, mis sisaldab oluliselt vähendatud väävlisisaldust.
Mis on biodiislikütus?
Biodiisel on taastuv kütus, mida toodetakse taimeõlidest, loomsetest rasvadest või ringlusse võetud rasvadest. Biodiislit saab kasutada diiselsõidukites ja generaatorites. Selle füüsikalised omadused on sarnased naftadiisli omadega, kuigi see põleb puhtamalt. Biodiisel vähendab põletamata süsivesinike (UHC), süsinikdioksiidi (CO2), süsinikmonooksiidi (CO), vääveloksiidide ja tahmaosakeste heitmeid – võrreldes tavalise diisli põletamisel tekkivate heitmetega. Lämmastikoksiidide (NOx) heide võib biodiisli puhul olla suurem (võrreldes diisliga). Seda saab siiski vähendada kütuse sissepritse ajastuse optimeerimisega.
Biodiisli tootmist parandab suuresti ultraheli abil toimuv transesterdamine. Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheli abil toimuva biodiisli tootmise kohta!
Kas etanooli saab kasutada kütusena?
Jah, etanooli – etüülalkoholi (C₂H5OH) – saab kasutada kütusena. Etanoolkütuseid kasutatakse enamasti mootorikütustena – peamiselt biokütuse lisandina bensiinis. Tänapäeval saab autosid käitada 100% etanoolkütusega või nn paindkütustega (flex-fuel), mis on etanooli ja bensiini segu. Etanooli toodetakse tavaliselt biomassi, nt maisi või suhkruroo kääritamise teel. Kuna etanoolkütus on saadud taastuvast, jätkusuutlikust biomassist, nimetatakse seda sageli bioetanooliks. Võimsusultraheli võib bioetanooli tootmist oluliselt parandada. Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheli abil toimuva bioetanooli tootmise kohta!
Etanool on E-diisli hapnikuühend. E-diisli peamine puudus on etanooli seguneda-võimatus diislis laias temperatuurivahemikus. Biodiislit saab siiski edukalt kasutada amfifiilse pindaktiivse ainena etanooli ja diisli stabiliseerimiseks. Etanooli–biodiisli–diisli (EB-diisli) kütust saab ultraheli abil segada mikro- või nanoemulsiooniks, nii et EB-diisel on stabiilne – isegi alla nulli jäävatel temperatuuridel – ning selle kütuseomadused on tavalisest diislikütusest paremad.
Kuidas toimib ultraheli dispergeerimine nanokütuste tootmisel?
Ultraheli dispergeerimine kasutab akustilist kavitatsiooni, et lõhkuda kütuses olevaid osakeste aglomeraate. Mikroskoopilised mullid tekivad ja kollabeeruvad, tekitades lokaalseid nihkejõude ja vedelikujuge, mis eraldavad kokkukleepunud osakesi. See protsess aitab jaotada nanolisandid kogu vedelikus ning toetab reprodutseeritavat retseptuuri väljatöötamist.
Milliseid nanoosakesi saab ultraheli abil kütustesse dispergeerida?
Kütusesegudes uuritud materjalide hulka kuuluvad tseeriumoksiid (CeO₂), alumiiniumoksiid (Al₂O₃), titaandioksiid (TiO₂), tsinkoksiid (ZnO) ja süsiniknanotorud (CNT-d). Sobiv lisand sõltub baaskütusest ja soovitud toimivuse eesmärgist. Iga kombinatsiooni puhul tuleb teha katseid, et leida sobivad kontsentratsioonid, töötlustingimused ja stabiilsus.
Mis vahe on nanokütuse dispersioonil ja kütuse nanoemulsioonil?
Nanoosakeste dispersioon sisaldab vedelas kütuses jaotunud tahkeid osakesi. Kütuse nanoemulsioon sisaldab väga väikeseid ühe vedeliku tilku, mis on dispergeeritud teises vedelikus, näiteks veetilku diislis. Ultraheli võib toetada mõlemat protsessi. Nanoosakesi ja dispergeeritud vedelikutilku sisaldavate segude puhul tuleb hinnata nii osakeste stabiilsust kui ka emulsiooni stabiilsust.
Kas ultraheli dispergeerimine takistab nanoosakeste settimist?
Ultraheli töötlus võib vähendada aglomeratsiooni ja parandada osakeste esialgset jaotumist, kuid püsiv stabiilsus sõltub ka koostisest. Osakeste omadused, lisandi kontsentratsioon, kütuse koostis ja sobivad dispergeerivad ained mõjutavad seda, kas osakesed jäävad hõljuma. Ladustamiskatsed peaksid näitama, kui kaua valmis nanokütus säilitab ettenähtud tingimustes vastuvõetava jaotuse.
Millised ultraheli töötlusparameetrid on kõige olulisemad?
Põhiparameetrite hulka kuuluvad amplituud, energiasisend, töötlusaeg ja temperatuur. Läbivoolutöötluse korral on olulised ka vooluhulk ja reaktori rõhk. Neid seadistusi tuleks hinnata koos koostisega. Soovitud dispersiooni andvate tingimuste dokumenteerimine aitab tagada korratava töötluse ja toetab hilisemat skaleerimist.
Kas ultraheli abil nanokütuse tootmist saab laboratoorsest mastaabist skaleerida pidevaks töötluseks?
Jah. Laboratoorsed katsed võivad kindlaks määrata koostise ja töötlustingimused enne hindamist ultraheli läbivoolukambris. Pidevas töös läbib kütus kontrollitud töötlustsooni. Skaleerimisel tuleks kinnitada, et suurem süsteem saavutab nõutava dispersiooni kvaliteedi ja stabiilsuse kavandatud läbilaskevõimsusel.
Kuidas valida Hielscheri ultraheli dispergeerija nanokütuste jaoks?
Alustage põhikütusest, nanoosakeste tüübist ja kontsentratsioonist, nõutavast partii mahust või vooluhulgast ning soovitud dispersiooni kvaliteedist. Lisage tööttemperatuur ja kavandatud ladustamisperiood. Need andmed aitavad meil soovitada ideaalse sonikaatori, sonotroodi ja läbivoolukambri konfiguratsiooni rakenduskatsete ja tootmise planeerimiseks.
Kirjandus / viited
- 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.