کاهش NOx با امولسیون‌سازی روغن/آب

اکسیدهای نیتروژن (NO_x) به‌عنوان موادی با خطر فوری برای سلامت انسان و محیط‌زیست شناخته می‌شوند. موتورهای دیزلی و بنزینی متحرک و ثابت سهم عمده‌ای در انتشار جهانی NO_x دارند. امولسیون‌سازی سوخت با آب یکی از راه‌های کاهش انتشار NO_x از موتورها است. امولسیون‌سازی فراصوتی روشی مؤثر برای تولید امولسیون‌های سوخت/آب با قطرات ریز است.

خودروها و کامیون‌ها، هواپیماها، مولدهای برق، لیفتراک‌ها، دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع و دیگ‌های بخار، مقادیر زیادی ذرات معلق (PM) و NO_x را بر اثر احتراق فرآورده‌های نفتی تولید می‌کنند. NO_x به مخلوط‌هایی از مونوکسید نیتروژن (NO) و دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) و همچنین N₂O، NO₃، N₂O₄ و N₂O₅ اشاره دارد. مونوکسید نیتروژن و دی‌اکسید نیتروژن در تشکیل اُزن نزدیک سطح زمین و مه‌دود نقش دارند و برای محیط‌زیست و انسان خطرناک‌اند. مقررات زیست‌محیطی با سخت‌گیرانه‌تر کردن حدود مجاز به کنترل انتشار آلاینده‌های هوا می‌پردازند. آلاینده‌های خروجی موتور همچنین شامل دی‌اکسید گوگرد (SO₂) هستند که از ترکیبات گوگردی موجود در سوخت ناشی می‌شود. این مشکل با گوگردزدایی هیدروژنی یا گوگردزدایی به کمک فراصوت کاهش می‌یابد.

کارکرد با امولسیون سوخت/آب

در سال‌های اخیر، پژوهش‌های فراوانی دربارهٔ تأثیر آب بر میزان انتشار NO_x انجام شده است. نسبت‌های حجمی مختلف سوخت:آب از 1:1 تا 19:1 از نظر ویژگی‌های احتراق آزمایش شده‌اند. در بیشتر موارد، برای پایدارسازی امولسیون، 1 تا 2 درصد حجمی مادهٔ فعال سطحی افزوده شده است.

مبانی احتراق

احتراق سوخت انرژی حرارتی و مکانیکی تولید می‌کند. بخش مکانیکی این انرژی را می‌توان برای به حرکت درآوردن پیستون‌ها یا توربین‌ها به‌منظور ایجاد نیروی پیشران یا تولید برق به کار برد. در بیشتر موتورها، از انرژی حرارتی استفاده نمی‌شود. این امر به بازده ترمودینامیکی پایین‌تر منجر می‌شود.

حدود 90% از NO_x حاصل از فرایند احتراق سوخت، NO است. NO عمدتاً از اکسایش نیتروژن جو (N₂) تشکیل می‌شود. آب افزوده‌شده به سوخت، به‌دلیل تبخیر آب، دمای احتراق را کاهش می‌دهد. هنگامی که آب موجود در امولسیون سوخت–آب تبخیر می‌شود، سوخت پیرامون آن نیز تبخیر می‌شود. این امر مساحت سطح سوخت را افزایش می‌دهد. نتیجهٔ دمای پایین‌تر و توزیع بهتر سوخت عبارت است از کاهش تشکیل NO_x.

امولسیون‌سازی فراصوتی

پژوهش‌های بسیاری نشان داده‌اند که وارد کردن آب به فرایند احتراق سوخت موجب کاهش انتشار NO_x می‌شود. آب را می‌توان از طریق تشکیل امولسیون سوخت/آب به دو روش اضافه کرد:

• پایدارنشده: امولسیون‌سازی درون‌خطی آب در سوخت پیش از تزریق
• پایدارشده: تولید امولسیون پایدار سوخت/آب برای استفاده به‌عنوان سوخت جایگزین مستقیم، بدون نیاز به تغییر تجهیزات

Canfield (1999) کاهش NO_x با استفاده از آب و سایر افزودنی‌ها را به‌صورت زیر خلاصه می‌کند:

• امولسیون پایدارنشده
  • آب افزوده‌شده بر حسب vol%: از 10 تا 80%
  • NO_x به این میزان کاهش می‌یابد: 4 تا 60%
• امولسیون پایدارشده
  • آب افزوده‌شده بر حسب vol%: از 25 تا 50%
  • NO_x به این میزان کاهش می‌یابد: 22 تا 83%

امولسیون

امولسیون مخلوطی از مایعات عموماً امتزاج‌ناپذیر (فازها)، مانند روغن و آب است. طی فرایند امولسیون‌سازی، فاز پراکنده (برای مثال آب) وارد فاز مایع (برای مثال روغن) می‌شود. با اعمال برش زیاد، اندازهٔ ذرات (= اندازهٔ قطرات) فاز پراکنده کاهش می‌یابد. هرچه اندازهٔ ذرات کوچک‌تر باشد، امولسیون تولیدشده پایدارتر است. با افزودن مواد فعال سطحی یا پایدارکننده‌ها می‌توان پایداری بیشتری ایجاد کرد. روی تصویر بالا کلیک کنید تا نمونه‌هایی از نتایج امولسیون‌سازی فراصوتی 10% آب در روغن موتور (Velocite 3، Mobil Oil، هامبورگ، آلمان) را ببینید. این مطالعه توسط Behrend and Schubert (2000) انجام شد.

فراصوت

هنگام فراصوت‌دهی مایعات با شدت‌های بالا، امواج صوتی منتشرشونده در محیط مایع، چرخه‌های متناوب فشار بالا (تراکم) و فشار پایین (انبساط) ایجاد می‌کنند که نرخ تکرار آن‌ها به فرکانس بستگی دارد. طی چرخهٔ فشار پایین، امواج فراصوت با شدت بالا حباب‌های کوچک خلأ یا حفره‌هایی در مایع ایجاد می‌کنند. هنگامی که حباب‌ها به حجمی می‌رسند که دیگر نمی‌توانند انرژی جذب کنند، طی یک چرخهٔ فشار بالا به‌شدت فرومی‌پاشند. این پدیده کاویتاسیون نام دارد. هنگام فروپاشی، دماهای بسیار بالا (حدود 5٬000K) و فشارهای بسیار بالا (حدود 2٬000atm) به‌صورت موضعی ایجاد می‌شوند. فروپاشی حباب کاویتاسیون همچنین جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s ایجاد می‌کند.

ثابت شده است که فراصوت می‌تواند امولسیون‌های بسیار همگن آب در روغن (w/o) و روغن در آب (o/w) را به کمک برش شدید ناشی از کاویتاسیون تولید کند. از آنجا که پارامترهای فراصوت‌دهی به‌خوبی قابل‌کنترل‌اند، اندازه و توزیع ذرات نیز به‌خوبی قابل‌تنظیم و تکرارپذیر است. معمولاً فراصوت در راکتور سلول جریان اعمال می‌شود. بنابراین، امولسیون را می‌توان به‌صورت پیوسته و درون‌خطی تولید کرد. به همین دلیل، فراصوت‌دهی را می‌توان برای تولید امولسیون‌های پایدارشده و پایدارنشده به کار برد.

جدول زیر ظرفیت‌های کلی پردازش را برای سطوح مختلف توان فراصوت نشان می‌دهد.

گاززدایی و کف‌زدایی فراصوتی

فراصوت همچنین به کاهش مقدار حباب‌های هوا در مخلوط امولسیون کمک می‌کند. تصویر سمت راست، تأثیر فراصوت‌دهی بر میزان حباب‌ها را نشان می‌دهد (تصاویر پیشرفت فرایند با فاصلهٔ 5sec. از چپ به راست). از آنجا که تغییرات میزان حباب‌ها موجب نوسان در زمان‌بندی تزریق می‌شود، گاززدایی، هواگیری و کف‌زدایی با فراصوت‌دهی عملکرد موتور را بهبود می‌دهد.

تجهیزات فرایندی فراصوتی

Hielscher تأمین‌کنندهٔ پیشرو دستگاه‌های فراصوتی با ظرفیت بالا در سراسر جهان است. از آنجا که Hielscher پردازشگرهای فراصوتی با توان حداکثر 16kW برای هر دستگاه تولید می‌کند، هیچ محدودیتی در اندازهٔ تأسیسات یا ظرفیت پردازش وجود ندارد. مجموعه‌هایی متشکل از چند سامانهٔ 16kW برای تولید حجم بالایی از سوخت‌های جایگزین مستقیم، قابل‌استفاده بدون تغییر تجهیزات، به کار می‌روند. پردازش صنعتی سوخت به انرژی فراصوتی زیادی نیاز ندارد. نیاز واقعی به انرژی را می‌توان با استفاده از یک پردازشگر فراصوتی 1kW در مقیاس رومیزی تعیین کرد. تمام نتایج این آزمایش‌های رومیزی را می‌توان به‌آسانی به مقیاس بزرگ‌تر تعمیم داد.

هزینه‌های فراصوت‌دهی

فراصوت‌دهی فناوری مؤثری برای پردازش است. هزینه‌های پردازش فراصوتی عمدتاً شامل سرمایه‌گذاری برای دستگاه‌های فراصوتی، هزینه‌های خدمات و انرژی مصرفی و نگهداری می‌شود. بازده انرژی برجسته (به نمودار مراجعه کنید) در دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به کاهش هزینه‌های خدمات و انرژی مصرفی کمک می‌کند.

منابع

Behrend, O., Schubert, H. (2000)تاثیر ویسکوزیته فاز پیوسته در امولسیون سازی توسط سونوگرافی، در: سونوشیمی اولتراسونیک 7 (2000) 77-85.:

Canfield, A., C. (1999): اثرات احتراق امولسیون گازوئیل و آب بر NO موتور دیزل_x انتشارات ، در: پایان نامه کارشناسی ارشد ارائه شده به دانشکده تحصیلات تکمیلی دانشگاه فلوریدا ، 1999.