نانوسوخت‌های برتر با پراکنده‌سازی فراصوتی
توسعهٔ نانوسوخت با پراکنده‌سازی مؤثر آغاز می‌شود. نانوذرات افزوده‌شده به گازوئیل، بیودیزل یا سوخت‌های ترکیبی می‌توانند بر احتراق تأثیر بگذارند، اما عملکرد آن‌ها به میزان توزیع مناسبشان در سراسر مایع بستگی دارد. کلوخه‌شدن و ته‌نشینی، حفظ غلظت یکنواخت افزودنی و دستیابی به نتایج بازتولیدپذیر را دشوارتر می‌کنند. پراکنده‌سازی فراصوتی با شکستن تجمعات ذرات و توزیع نانوافزودنی‌ها در سراسر سوخت، این چالش را برطرف می‌کند.
نانوسوخت‌ها
نانوسوخت‌ها از مخلوط یک سوخت پایه (مانند گازوئیل، بیودیزل یا ترکیب‌های سوختی) و نانوذرات تشکیل می‌شوند. این نانوذرات به‌صورت نانوکاتالیزورهای هیبریدی عمل می‌کنند و سطح واکنش‌پذیر وسیعی فراهم می‌آورند. پراکنده‌سازی فراصوتی نانوافزودنی، عملکرد سوخت را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد؛ از جمله با کاهش تأخیر اشتعال، تداوم طولانی‌تر شعله و اشتعال کلوخه‌ها، و نیز کاهش قابل‌توجه انتشار آلاینده‌ها در مجموع.
مخلوط‌های سوخت و ذرات نانومقیاس، از نظر عملکرد سوخت به‌دلیل چگالی انرژی بیشتر، اشتعال سریع‌تر و آسان‌تر، اثر کاتالیزوری تقویت‌شده، انتشار آلاینده‌های کمتر، نرخ بالاتر تبخیر و سوختن و بازده بهتر احتراق، از سوخت مایع خالص برترند.
برای پراکنده‌سازی ذرات در مقیاس نانو در سوخت‌ها، از فراصوت‌دهی استفاده کنید!
برای بررسی پراکنده‌سازی فراصوتی متناسب با ترکیب سوخت و نانوذرات خود، با تیم ما تماس بگیرید.
سامانهٔ جریان فراصوتی 7kW
نانوسوخت‌ها: پراکنده‌سازی فراصوتی نانوذرات در سوخت
برای جلوگیری از ته‌نشینی نانوذرات در مخزن سوخت، ذرات باید به‌شیوه‌ای دقیق و اصولی پراکنده شوند. پراکنده‌سازی فراصوتی به واردکردن نانوذراتی مانند اکسید سریم، اکسید آلومینیوم و نانولوله‌های کربنی به گازوئیل، بیودیزل و ترکیب‌های سوختی کمک می‌کند.
فراصوت‌دهی از طریق کاویتاسیون آکوستیکی – تشکیل و فروپاشی حباب‌های میکروسکوپی – نیروهای برشی موضعی شدیدی ایجاد می‌کند که کلوخه‌های ذرات را از هم می‌گسلند و افزودنی‌ها را در سراسر مایع توزیع می‌کنند. این فرایند سطح بیشتری از ذرات را در معرض سوخت پیرامون قرار می‌دهد و به ارزیابی مزایای کاتالیزوری و مرتبط با احتراق کمک می‌کند.
فراصوت اثر پراکنده‌سازی خود را مستقیماً درون مایع اعمال می‌کند، بدون آنکه نیازی به افزودن مهره‌های آسیاب باشد؛ بنابراین جداسازی محیط آسیاب‌کننده در پایان فرایند لازم نیست. سونیکاتورهای Hielscher هم از آماده‌سازی ناپیوسته و هم از پردازش پیوستهٔ درون‌خطی پشتیبانی می‌کنند و این روش را از پژوهش آزمایشگاهی تا تولید صنعتی کاربردی می‌سازند.
فهرست زیر نمایی کلی از نانوموادی ارائه می‌دهد که پراکنده‌سازی آن‌ها در سوخت‌ها تاکنون آزمایش شده است:
- CNTs – نانولوله‌های کربنی
- Ag – نقره
- Al – آلومینیوم
- Al2O3 – اکسید آلومینیوم
- AlCuOx – اکسیدهای آلومینیوم و مس
- B – بور
- Ca – کلسیم
- CaCO3 – کربنات کلسیم
- Fe – آهن
- Cu – مس
- CuO – اکسید مس
- Ce – سریم
- CeO2 – اکسید سریم
- (CeO2)·(ZrO2) – اکسید سریم زیرکونیوم
- Co – کبالت
- Mg – منیزیم
- Mn – منگنز
- TiO2 – دی‌اکسید تیتانیوم
- ZnO – اکسید روی
اکسید سریم نانومقیاس که به‌کمک فراصوت به‌صورت تک‌پراکنش درآمده است، به‌دلیل نسبت بالای سطح به حجم خود، فعالیت کاتالیزوری بالایی دارد که به بهبود بازده سوخت و کاهش انتشار آلاینده‌ها می‌انجامد.
سوخت‌های آبی: سوخت‌های امولسیونی نانومقیاس با فراصوت‌دهی
سوخت‌های آبی، امولسیون‌های آب در سوخت هستند که در آن‌ها قطرات ریز آب در سراسر یک فاز پیوستهٔ سوخت، مانند گازوئیل، توزیع شده‌اند. سونیکاتورهای Hielscher کاویتاسیون آکوستیکی شدیدی ایجاد می‌کنند که قطرات بزرگ‌تر را به قطرات کوچک‌تر می‌شکند و در شرایط مناسب فرمولاسیون و پردازش، امکان توسعهٔ امولسیون‌هایی با قطرات نانومقیاس را فراهم می‌آورد. دامنهٔ قابل‌تنظیم فراصوت، انرژی ورودی کنترل‌شده و مدیریت دما به بهینه‌سازی اندازهٔ قطرات و بازتولیدپذیری کمک می‌کنند؛ درحالی‌که امولسیفایرهای سازگار، پایداری را هنگام نگهداری و جابه‌جایی تقویت می‌کنند.
برای آشنایی بیشتر با سوخت‌های آبی تهیه‌شده به‌کمک فراصوت، اینجا کلیک کنید!
اختلاط فراصوتی سوخت
فناوری امولسیون‌سازی فراصوتی برای تولید مخلوط‌های پایدار اتانول در دکان، اتانول در گازوئیل یا گازوئیل–بیودیزل–اتانول/بیواتانول به کار می‌رود. چنین مخلوط‌هایی سوخت پایهٔ ایدئالی هستند که می‌توان در مرحلهٔ دوم، با پراکنده‌سازی نانوذرات در سوخت، آن‌ها را بهبود داد.
تولید فراصوتی سوخت‌های امولسیونی
سونیکاتورهای صنعتی برای پراکنده‌سازی و امولسیون‌سازی نانوسوخت‌ها
سونیکاتورهای Hielscher برای توسعه و تولید نانوسوخت، کلوخه‌زدایی مؤثر نانوذرات را با کنترل دقیق فرایند ترکیب می‌کنند. کاویتاسیون شدید فراصوتی به شکستن تجمعات ذرات و توزیع افزودنی‌هایی مانند اکسیدهای فلزی و نانولوله‌های کربنی در سراسر گازوئیل، بیودیزل و سوخت‌های ترکیبی کمک می‌کند. دامنهٔ قابل‌تنظیم و پایش انرژی ورودی و دما، پردازش بازتولیدپذیر و بهینه‌سازی فرمولاسیون را امکان‌پذیر می‌سازند. Hielscher با تجهیزات آزمایشگاهی و سامانه‌های صنعتی پیکربندی‌شده برای کارکرد ناپیوسته یا جریان عبوری پیوسته، مسیری عملی از آزمایش‌های اولیه تا حجم‌های بالاتر تولید فراهم می‌کند. ثبت خودکار داده‌های فرایند در مدل‌های صنعتی دیجیتال به تیم‌ها کمک می‌کند شرایط موفق را مستند کنند و با افزایش ظرفیت تولید، یکنواختی پردازش را حفظ کنند.
افزایش مقیاس و تولید قابل‌اعتماد
هنگامی که فرمولاسیون به اهداف کیفی خود دست یافت، فراصوت‌دهی در جریان عبوری مسیری برای دستیابی به حجم‌های بالاتر تولید فراهم می‌کند. سوخت در شرایط عملیاتی کنترل‌شده از یک ناحیهٔ تیمار فراصوتی عبور می‌کند و پردازش تک‌گذر یا بازچرخشی متناسب با نتیجهٔ موردنیاز انتخاب می‌شود. برای انتخاب تجهیزات، سوخت پایه، نوع و غلظت افزودنی، کیفیت هدف پراکندگی، ظرفیت تولید موردنیاز و دمای عملیاتی را مشخص کنید. این اطلاعات به Hielscher امکان می‌دهد پردازشگر، سونوتْرود و پیکربندی سلول جریان مناسب را برای آزمایش‌های فرایندی و افزایش مقیاس بعدی پیشنهاد کند.
Hielscher پردازشگرهای فراصوتی مقرون‌به‌صرفه و بسیار مقاومی با فضای اشغالی کم عرضه می‌کند که برای نصب در تأسیسات دارای فضای محدود و محیط‌های کاری دشوار مناسب‌اند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | سونیکاتور پیشنهادی |
|---|---|---|
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – قطعهٔ الحاقی سلول جریان برای نانوامولسیون‌های برتر
پرسش‌های متداول دربارهٔ تولید فراصوتی نانوسوخت
نانوسوخت‌ها چه هستند
نانوسوخت‌ها به مخلوطی از سوخت و نانوذرات گفته می‌شود. با پراکنده‌سازی نانوذرات پرانرژی در سوخت، خواص فیزیکی و شیمیایی سوخت تحت تأثیر عملکرد این ذرات، ساختار پراکندگی آن‌ها و برهم‌کنش پیچیدهٔ انتقال حرارت، جریان سیال و برهم‌کنش‌های ذرات تغییر می‌کند. به‌دلیل ترکیب ناهمگن، ویژگی‌های نانوسوخت به نوع سوخت پایه و نیز ترکیب، اندازه، شکل، غلظت و خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات بستگی دارد. ویژگی‌های نانوسوخت می‌تواند به‌طور چشمگیری با ویژگی‌های سوخت پایه متفاوت باشد.
گازوئیل چگونه به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود؟
گازوئیل سوختی مایع است که در موتورهای دیزلی سوزانده می‌شود. در موتورهای دیزلی، سوخت بدون هیچ جرقه‌ای و با فشرده‌سازی مخلوط هوای ورودی و سپس تزریق گازوئیل مشتعل می‌شود.
گازوئیل متعارف، برش مشخصی از تقطیر جزءبه‌جزء نفت کورهٔ نفتی است. در معنایی گسترده‌تر، اصطلاح گازوئیل به سوخت‌هایی که از نفت به دست نمی‌آیند نیز اطلاق می‌شود؛ مانند بیودیزل، گازوئیل حاصل از تبدیل زیست‌توده به مایع (BTL)، گاز به مایع (GTL) یا زغال‌سنگ به مایع (CTL). BTL، GTL و CTL اصطلاحاً سوخت‌های دیزل سنتزی نامیده می‌شوند و می‌توان آن‌ها را از هر مادهٔ کربن‌داری (مانند زیست‌توده، زیست‌گاز، گاز طبیعی، زغال‌سنگ و غیره) به دست آورد. پس از گازی‌سازی مادهٔ خام و تبدیل آن به گاز سنتز و سپس پالایش، گاز حاصل از طریق واکنش Fischer–Tropsch به گازوئیل سنتزی تبدیل می‌شود. گازوئیل با گوگرد فوق‌العاده کم (ULSD) استانداردی برای سوخت دیزل است که مقدار گوگرد آن به‌طور چشمگیری کاهش یافته است.
بیودیزل چیست؟
بیودیزل سوختی تجدیدپذیر است که از روغن‌های گیاهی، چربی‌های حیوانی یا چربی‌های بازیافتی تولید می‌شود. از بیودیزل می‌توان برای به‌کارانداختن خودروها و ژنراتورهای دیزلی استفاده کرد. خواص فیزیکی آن مشابه گازوئیل نفتی است، هرچند پاک‌تر می‌سوزد. بیودیزل در مقایسه با آلاینده‌های حاصل از سوزاندن گازوئیل متعارف، انتشار هیدروکربن‌های نسوخته (UHC)، دی‌اکسید کربن (CO2)، مونوکسید کربن (CO)، اکسیدهای گوگرد و ذرات دوده را کاهش می‌دهد. انتشار اکسیدهای نیتروژن (NOx) برای بیودیزل می‌تواند بیشتر باشد (در مقایسه با گازوئیل). بااین‌حال، می‌توان این انتشار را با بهینه‌سازی زمان‌بندی تزریق سوخت کاهش داد.
تولید بیودیزل با ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی به‌طور چشمگیری بهبود می‌یابد. برای آشنایی بیشتر با تولید فراصوتی بیودیزل، اینجا کلیک کنید!
آیا می‌توان از اتانول به‌عنوان سوخت استفاده کرد؟
بله، اتانول – الکل اتیلیک (C₂H5OH) – را می‌توان به‌عنوان سوخت استفاده کرد. سوخت‌های اتانولی عمدتاً به‌عنوان سوخت موتور به کار می‌روند – بیشتر به‌صورت افزودنی زیست‌سوختی در بنزین. امروزه خودروها می‌توانند با سوخت اتانول 100% یا با سوخت‌های موسوم به فلکس، که مخلوطی از اتانول و بنزین هستند، کار کنند. اتانول معمولاً از طریق فرایند تخمیر زیست‌توده، مانند ذرت یا نیشکر، تولید می‌شود. ازآنجاکه سوخت اتانول از زیست‌تودهٔ تجدیدپذیر و پایدار به دست می‌آید، اغلب بیواتانول نامیده می‌شود. فراصوت پرتوان می‌تواند تولید بیواتانول را به‌طور چشمگیری بهبود دهد. برای آشنایی بیشتر با تولید فراصوتی بیواتانول، اینجا کلیک کنید!
اتانول جزء اکسیژن‌دار E-diesel است. عیب اصلی E-diesel، امتزاج‌ناپذیری اتانول با گازوئیل در گسترهٔ وسیعی از دماهاست. بااین‌حال، می‌توان از بیودیزل با موفقیت به‌عنوان سورفکتانت آمفی‌فیل برای پایدارسازی اتانول و گازوئیل استفاده کرد. سوخت اتانول−بیودیزل−گازوئیل (EB-diesel) را می‌توان به‌کمک فراصوت به‌صورت میکروامولسیون یا نانوامولسیون مخلوط کرد، به‌گونه‌ای که EB-diesel حتی در دماهای زیر صفر نیز پایدار بماند و خواص سوختی برتری نسبت به گازوئیل معمولی ارائه دهد.
پراکنده‌سازی فراصوتی در تولید نانوسوخت چگونه عمل می‌کند؟
پراکنده‌سازی فراصوتی از کاویتاسیون آکوستیکی برای شکستن کلوخه‌های ذرات در سوخت استفاده می‌کند. حباب‌های میکروسکوپی تشکیل می‌شوند و فرو می‌پاشند و نیروهای برشی موضعی و جت‌های مایع ایجاد می‌کنند که ذرات تجمع‌یافته را از هم جدا می‌سازند. این فرایند به توزیع نانوافزودنی‌ها در سراسر مایع کمک می‌کند و توسعهٔ بازتولیدپذیر فرمولاسیون را امکان‌پذیر می‌سازد.
کدام نانوذرات را می‌توان با استفاده از فراصوت در سوخت‌ها پراکنده کرد؟
مواد بررسی‌شده در فرمولاسیون‌های سوخت شامل اکسید سریم (CeO₂)، اکسید آلومینیوم (Al₂O₃)، دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂)، اکسید روی (ZnO) و نانولوله‌های کربنی (CNTs) هستند. افزودنی مناسب به سوخت پایه و هدف عملکردی موردنظر بستگی دارد. هر ترکیب برای تعیین غلظت‌های مناسب، شرایط پردازش و پایداری به آزمایش نیاز دارد.
تفاوت میان دیسپرسیون نانوسوخت و نانوامولسیون سوخت چیست؟
دیسپرسیون نانوذرات حاوی ذرات جامدی است که در یک سوخت مایع توزیع شده‌اند. نانوامولسیون سوخت حاوی قطرات بسیار کوچک یک مایع است که در مایع دیگری پراکنده شده‌اند، مانند قطرات آب در گازوئیل. فراصوت می‌تواند به هر دو فرایند کمک کند. فرمولاسیون‌های حاوی نانوذرات و قطرات مایع پراکنده، به ارزیابی پایداری ذرات و پایداری امولسیون نیاز دارند.
آیا پراکنده‌سازی فراصوتی از ته‌نشینی نانوذرات جلوگیری می‌کند؟
تیمار فراصوتی می‌تواند کلوخه‌شدن را کاهش دهد و توزیع اولیهٔ ذرات را بهبود بخشد، اما پایداری بلندمدت به فرمولاسیون نیز بستگی دارد. خواص ذرات، غلظت افزودنی، ترکیب سوخت و عوامل پراکنده‌ساز سازگار، بر معلق‌ماندن ذرات تأثیر می‌گذارند. آزمون‌های نگهداری باید مشخص کنند نانوسوخت نهایی در شرایط موردنظر خود، توزیع قابل‌قبول را تا چه مدت حفظ می‌کند.
کدام پارامترهای پردازش فراصوتی بیشترین اهمیت را دارند؟
پارامترهای کلیدی شامل دامنه، انرژی ورودی، مدت تیمار و دما هستند. در پردازش جریان عبوری، دبی و فشار راکتور نیز اهمیت دارند. این تنظیمات باید همراه با فرمولاسیون ارزیابی شوند. مستندسازی شرایطی که پراکندگی مطلوب را ایجاد می‌کنند، به ایجاد پردازش تکرارپذیر و افزایش مقیاس بعدی کمک می‌کند.
آیا می‌توان تولید فراصوتی نانوسوخت را از مقیاس آزمایشگاهی به پردازش پیوسته ارتقا داد؟
بله. آزمایش‌های آزمایشگاهی می‌توانند پیش از ارزیابی در سلول جریان فراصوتی، فرمولاسیون و شرایط پردازش را تعیین کنند. در کارکرد پیوسته، سوخت از یک ناحیهٔ تیمار کنترل‌شده عبور می‌کند. در افزایش مقیاس باید تأیید شود که سامانهٔ بزرگ‌تر در ظرفیت تولید موردنظر، به کیفیت پراکندگی و پایداری لازم دست می‌یابد.
چگونه یک دستگاه پراکنده‌ساز فراصوتی Hielscher برای نانوسوخت‌ها انتخاب کنم؟
با مشخص‌کردن سوخت پایه، نوع و غلظت نانوذرات، حجم هر بچ یا دبی موردنیاز و کیفیت هدف پراکندگی شروع کنید. دمای عملیاتی و مدت نگهداری موردنظر را نیز ذکر کنید. این اطلاعات به ما کمک می‌کند سونیکاتور، سونوتْرود و پیکربندی سلول جریان ایدئال را برای آزمایش‌های کاربردی و برنامه‌ریزی تولید پیشنهاد کنیم.
منابع علمی / مراجع
- 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.