Ylivoimaiset nanopolttoaineet ultraäänidispersiolla
Nanopolttoaineiden kehittäminen alkaa tehokkaasta dispergoinnista. Dieselpolttoaineeseen, biodieseliin tai sekoitettuihin polttoaineisiin lisätyt nanohiukkaset voivat vaikuttaa palamiseen, mutta niiden suorituskyky riippuu siitä, kuinka hyvin ne jakautuvat nesteeseen. Agglomeroituminen ja sedimentaatio vaikeuttavat tasaisen lisäainepitoisuuden ylläpitämistä ja toistettavien tulosten saavuttamista. Ultraäänidispersio ratkaisee tämän haasteen hajottamalla hiukkaskertymät ja jakamalla nanolisäaineet tasaisesti polttoaineeseen.
Nano-polttoaineet
Nanopolttoaineet koostuvat peruspolttoaineen (esim. diesel, biodiesel, polttoaineseokset) ja nanohiukkasten seoksesta. Nämä nanohiukkaset toimivat hybridinanokatalyytteinä, jotka tarjoavat suuren reaktiivisen pinta-alan. Nano-lisäaineen ultraäänidispersio parantaa merkittävästi polttoaineen suorituskykyä, kuten vähentynyttä syttymisviivettä, pidempää liekin ravintoa ja agglomeraattisytytystä sekä päästöjen merkittävää kokonaisvähennystä.
Nanokokoiset polttoainehiukkasseokset ylittävät puhtaan nestemäisen polttoaineen polttoaineen suorituskyvyn suhteen korkeammalla energiatiheydellä, nopeammalla ja helpommalla sytytyksellä, paremmalla katalyyttisellä vaikutuksella, vähentyneillä päästöillä, nopeammalla haihtumis- ja palamisnopeudella sekä paremmalla palamistehokkuudella.
Käytä ultraäänikäsittelyä hiukkasten nanodispersiota varten polttoaineissa!
Ota yhteyttä tiimiimme, niin voimme selvittää, sopiiko ultraäänidispersio juuri sinun polttoaine- ja nanohiukkasyhdistelmällesi.
7kW ultraäänivirtausjärjestelmä
Nanopolttoaineet: Nanopartikkelien ultraäänidispersio polttoaineessa
Jotta nanopartikkelit eivät laskeutuisi polttoainesäiliöön, ne on dispergoitava huolellisesti. Ultraäänidispergoinnin avulla nanopartikkelit, kuten ceriumoksidi, alumiinioksidi ja hiilinanoputket, voidaan sekoittaa dieselpolttoaineeseen, biodieseliin ja polttoaineseoksiin.
Akustisen kavitaation avulla – mikroskooppisten kuplien muodostuminen ja romahtaminen – Ultraäänikäsittely tuottaa voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, jotka hajottavat hiukkasten agglomeraatit ja levittävät lisäaineet tasaisesti nesteeseen. Tämä altistaa suuremman osan hiukkasten pinnasta ympäröivälle polttoaineelle, mikä tukee katalyyttisten ja palamiseen liittyvien hyötyjen arviointia.
Ultraääni vaikuttaa suoraan nesteeseen ilman lisättyjä jauhatushelmiä, jolloin jauhatusaineita ei tarvitse erottaa myöhemmin. Hielscherin ultraäänilaitteet soveltuvat sekä erävalmistukseen että jatkuvaan linjakäsittelyyn, minkä ansiosta menetelmää voidaan hyödyntää laboratoriotutkimuksesta teolliseen tuotantoon saakka.
Alla oleva luettelo antaa sinulle yleiskatsauksen jo testatuista nanomateriaaleista, jotka on dispergoitu polttoaineisiin:
- CNT:t – hiilinanoputket
- Ag – hopea
- Al – alumiini
- Al2O3 – alumiinioksidi
- AlCuOx – alumiini kuparioksidit
- b – boori
- Ca – kalsium
- CaCO3 – kalsiumkarbonaatti
- Fe – rauta
- Cu – kupari
- CuO – kuparioksidi
- JAA – cerium
- Toimitusjohtaja2 – ceriumoksidi
- (CeO2)· (ZrO2) – cerium zirkoniumoksidi
- CO – koboltti
- Mg – magnesium
- Mn – mangaani
- TiO2 – titaanidioksidi
- ZnO – sinkkioksidi
Nanomittakaavainen, ultraäänellä monodispergoitu ceriumoksidi tarjoaa korkean katalyyttisen aktiivisuuden korkean pinta-tilavuussuhteensa ansiosta, mikä parantaa polttoainetehokkuutta ja vähentää päästöjä.
Aqua-Fuels: ultraäänikäsiteltyjä nanokokoisia emulsio-polttoaineita
Aqua-polttoaineet ovat ”vesi-polttoaine”-emulsioita, joissa hienoja vesipisaroita on jakautunut tasaisesti jatkuvaan polttoainevaiheeseen, kuten dieseliin. Hielscherin ultraäänilaitteet tuottavat voimakasta akustista kavitaatiota, joka hajottaa suuremmat pisarat pienemmiksi, mikä mahdollistaa nanokokoisia pisaroita sisältävien emulsioiden kehittämisen sopivissa koostumus- ja käsittelyolosuhteissa. Säädettävä ultraäänen amplitudi, hallittu energiansyöttö ja lämpötilan hallinta auttavat optimoimaan pisaran koon ja toistettavuuden, kun taas yhteensopivat emulgointiaineet tukevat vakauden säilymistä varastoinnin ja käsittelyn aikana.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultraäänellä valmistetuista vesipolttoaineista!
Polttoaineen sekoittaminen ultraäänellä
Ultraääniemulgointitekniikkaa käytetään stabiilien etanoli-dekaani-, etanoli-diesel- tai diesel-biodiesel-etanoli / bioetanoliseosten tuottamiseen. Tällaiset seokset ovat ihanteellinen peruspolttoaine, jota voidaan toisessa vaiheessa parantaa hajottamalla nanohiukkasia polttoaineeseen.
Emulsiopolttoaineiden ultraäänituotanto
Teolliset ultraäänilaitteet nanopolttoaineiden dispergointiin ja emulgointiin
Hielscherin ultraäänilaitteet yhdittävät tehokkaan nanopartikkelien agglomeraation purkamisen ja tarkan prosessinohjauksen nanopolttoaineiden kehittämiseen ja tuotantoon. Voimakas ultraäänikavitaatio auttaa hajottamaan hiukkaskertymiä ja jakamaan lisäaineita, kuten metallioksideja ja hiilinanoputkia, tasaisesti dieselpolttoaineeseen, biodieseliin ja sekoitettuihin polttoaineisiin. Säädettävä amplitudi sekä energiankulutuksen ja lämpötilan seuranta tukevat toistettavia prosesseja ja formulaatioiden optimointia. Hielscher tarjoaa laboratoriolaitteilla ja teollisuusjärjestelmillä, jotka on konfiguroitu erä- tai jatkuvakäyttöön, käytännöllisen reitin alkuvaiheen kokeiluista suurempiin tuotantomääriin. Automaattinen prosessitietojen tallennus digitaalisissa teollisuusmalleissa auttaa tiimejä dokumentoimaan onnistuneet olosuhteet ja ylläpitämään yhdenmukaista prosessointia tuotantomäärien kasvaessa.
Tuotannon laajentaminen ja luotettava tuotanto
Kun koostumus täyttää laatutavoitteet, virtausultraäänikäsittely tarjoaa keinon saavuttaa suurempia tuotantomääriä. Polttoaine kulkee ultraäänikäsittelyvyöhykkeen läpi hallituissa käyttöolosuhteissa, ja käsittelytapa (yksivaiheinen tai kierrätyskäsittely) valitaan vaaditun tuloksen mukaan. Laitteiston valintaa varten ilmoita peruspolttoaine, lisäaineen tyyppi ja pitoisuus, tavoiteltu dispergointilaatu, vaadittu läpimenomäärä sekä käyttölämpötila. Näiden tietojen avulla Hielscher voi suositella prosessikokeisiin ja myöhempään tuotannon laajentamiseen sopivaa prosessoria, sonotrodia ja virtauskammion kokoonpanoa.
Hielscher tarjoaa kustannustehokkaita, erittäin kestäviä ultraääniprosessoreita, joilla on pieni jalanjälki asennettavaksi laitoksiin, joissa on rajoitetusti tilaa ja vaativia ympäristöjä.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositeltava ultraäänilaite |
|---|---|---|
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000hdT |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000hdT |
Monivaiheinen kavitaattori – Virtauskennon insertti korkealaatuisten nanoemulsioiden valmistukseen
Usein kysyttyjä kysymyksiä ultraäänipohjaisesta nanopolttoaineen tuotannosta
Mitä ovat nanopolttoaineet?
Nanopolttoaineilla tarkoitetaan polttoaineen ja nanohiukkasten seosta. Dispergoimalla nanoenergisiä hiukkasia polttoaineeseen polttoaineen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia muuttavat niiden toimintakyky, dispergoiva rakenne ja lämmönsiirron, nestevirtauksen ja hiukkasten vuorovaikutusten monimutkainen vuorovaikutus. Heterogeenisen koostumuksen vuoksi nanopolttoaineen ominaisuudet määräytyvät peruspolttoaineen tyypin sekä nanohiukkasten koostumuksen, koon, muodon, pitoisuuden sekä fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien mukaan. Nanopolttoaineen ominaisuudet voivat poiketa merkittävästi peruspolttoaineen ominaisuuksista.
Miten dieselöljyä käytetään polttoaineena?
Diesel on nestemäistä polttoainetta, jota poltetaan dieselmoottoreissa. Dieselmoottoreissa polttoaine sytytetään ilman kipinää, mutta puristamalla tuloilmaseos ja ruiskuttamalla sitten dieselpolttoaine.
Perinteinen dieselpolttoaine on tietty fraktio, joka on tislattu raakaöljystä. Laajemmassa merkityksessä termi ”diesel” viittaa myös polttoaineisiin, joita ei ole johdettu raakaöljystä, kuten biodieseliin, biomassasta nesteeksi (BTL), kaasusta nesteeksi (GTL) tai kivihiilestä nesteeksi (CTL) tuotettuun dieseliin. BTL, GTL ja CTL ovat niin sanottuja synteettisiä dieselpolttoaineita, joita voidaan tuottaa mistä tahansa hiilipitoisesta materiaalista (esim. biomassasta, biokaasusta, maakaasusta, kivihiilestä jne.). Raaka-aine kaasutetaan synteesikaasuksi, joka puhdistetaan ja muunnetaan sitten Fischer–Tropsch-reaktiolla synteettiseksi dieseliksi. Erittäin vähärikkinen diesel (ULSD) on dieselpolttoaineen standardi, jonka rikkipitoisuus on huomattavasti alhaisempi.
Mitä on biodieseli?
Biodiesel on uusiutuva polttoaine, jota valmistetaan kasviöljyistä, eläinrasvoista tai kierrätysrasvoista. Biodieseliä voidaan käyttää dieselajoneuvoissa ja generaattoreissa. Sen fysikaaliset ominaisuudet ovat samanlaisia kuin öljydieselin, vaikka se palaa puhtaammin. Biodiesel vähentää palamattomien hiilivetyjen (UHC), hiilidioksidin (CO2), hiilimonoksidin (CO), rikin oksidien ja nokihiukkasten päästöjä – verrattuna perinteisen dieselin polttamisesta syntyviin päästöihin. Typen oksidien (NOx) päästöt voivat olla suuremmat biodieselillä (verrattuna dieseliin). Tätä voidaan kuitenkin vähentää optimoimalla polttoaineen ruiskutuksen ajoitus.
Biodieselin tuotanto tehostuu huomattavasti ultraäänitransesteröinnin avulla. Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultraäänitekniikkaa hyödyntävästä biodieselin tuotannosta!
Voidaanko etanolia käyttää polttoaineena?
Kyllä, etanoli – etyylialkoholi (C₂H5Voi luoja! – voidaan käyttää polttoaineena. Etanolipolttoaineita käytetään pääasiassa moottoripolttoaineina – pääasiassa bensiinin biopolttoaineen lisäaineena. Nykyään autoja voidaan käyttää 100-prosenttisella etanolipolttoaineella tai niin sanotuilla flex-polttoaineilla, jotka ovat etanolin ja bensiinin sekoitusta. Sitä tuotetaan yleensä biomassan, kuten maissin tai sokeriruo’on, käymisprosessin avulla. Koska etanolipolttoaine on peräisin uusiutuvasta, kestävästä biomassasta, sitä kutsutaan usein bioetanoliksi. Tehokas ultraääni voi parantaa bioetanolin tuotantoa huomattavasti. Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultraäänipohjaisesta bioetanolin tuotannosta!
Etanoli on E-dieselin oksygenaatti. E-dieselin suurin haittapuoli on etanolin sekoittumattomuus dieseliin laajalla lämpötila-alueella. Biodieseliä voidaan kuitenkin käyttää menestyksekkäästi amfifiilipinta-aktiivisena aineena etanolin ja dieselin stabiloimiseksi. Etanoli-biodiesel-diesel (EB-diesel) polttoaine voidaan sekoittaa ultraäänellä mikro- tai nanoemulsioon siten, että EB-diesel on stabiili – jopa alle nollan lämpötiloissa ja tarjoaa erinomaiset polttoaineominaisuudet kuin tavallinen dieselpolttoaine.
Miten ultraäänidispersio toimii nanopolttoaineen tuotannossa?
Ultraäänidispersiossa hyödynnetään akustista kavitaatiota polttoaineessa olevien hiukkasten agglomeraattien hajottamiseen. Mikroskooppisen pienet kuplat muodostuvat ja romahtavat, jolloin syntyy paikallisia leikkausvoimia ja nestesuihkuja, jotka erottavat toisiinsa tarttuneet hiukkaset toisistaan. Tämä prosessi auttaa jakamaan nano-lisäaineita tasaisesti nesteeseen ja tukee toistettavissa olevaa formulaatioiden kehittämistä.
Mitkä nanohiukkaset voidaan dispergoida polttoaineisiin ultraäänen avulla?
Polttoainekoostumuksissa tutkittuja materiaaleja ovat muun muassa ceriumoksidi (CeO₂), alumiinioksidi (Al₂O₃), titaanidioksidi (TiO₂), sinkkioksidi (ZnO) ja hiilinanoputket (CNT). Sopiva lisäaine riippuu peruspolttoaineesta ja tavoitellusta suorituskyvystä. Jokainen yhdistelmä vaatii testausta sopivien pitoisuuksien, käsittelyolosuhteiden ja stabiilisuuden määrittämiseksi.
Mitä eroa on nanopolttoainedispersioilla ja polttoaineen nanoemulsioilla?
Nanopartikkelidispersio sisältää kiinteitä hiukkasia, jotka ovat jakautuneet nestemäiseen polttoaineeseen. Polttoaineen nanoemulsio sisältää hyvin pieniä pisaroita, jotka koostuvat yhdestä nesteestä ja jotka ovat dispergoituneet toiseen nesteeseen, kuten vesipisarat dieselpolttoaineessa. Ultraääni voi tukea molempia prosesseja. Nanopartikkeleita ja dispergoituneita nestepisaroita sisältävien formulaatioiden osalta on arvioitava sekä hiukkasten vakauden että emulsion vakauden.
Estääkö ultraäänidispersio nanopartikkelien laskeutumisen?
Ultraäänikäsittely voi vähentää agglomeroitumista ja parantaa hiukkasten alkuperäistä jakautumista, mutta pysyvä stabiilisuus riippuu myös koostumuksesta. Hiukkasten ominaisuudet, lisäaineiden pitoisuus, polttoaineen koostumus ja yhteensopivat dispergointiaineet vaikuttavat siihen, pysyvätkö hiukkaset suspensiossa. Varastointikokeilla tulisi selvittää, kuinka kauan valmis nanopolttoaine säilyttää hyväksyttävän jakautumisen sille tarkoitetuissa olosuhteissa.
Mitkä ultraäänikäsittelyn parametrit ovat tärkeimpiä?
Keskeisiä parametreja ovat amplitudi, syötetty energia, käsittelyn kesto ja lämpötila. Läpivirtauskäsittelyssä myös virtausnopeudella ja reaktorin paineella on merkitystä. Näitä asetuksia tulisi arvioida yhdessä tuotekoostumuksen kanssa. Halutun dispersiotuloksen tuottavien olosuhteiden dokumentointi auttaa varmistamaan toistettavan käsittelyn ja tukee myöhempää tuotannon laajentamista.
Voidaanko ultraäänipohjaisen nanopolttoaineen tuotantoa laajentaa laboratoriotasolta jatkuvaksi tuotannoksi?
Kyllä. Laboratoriokokeilla voidaan määrittää koostumus ja käsittelyolosuhteet ennen arviointia ultraäänivirtauskammiossa. Jatkuvassa tuotannossa polttoaine kulkee hallitun käsittelyalueen läpi. Laajennuskokeissa tulisi varmistaa, että suurempi järjestelmä saavuttaa vaaditun dispergointilaadun ja vakauden suunnitellulla tuotantokapasiteetilla.
Miten valitsen Hielscher-ultraäänidispersoijan nanopolttoaineiden valmistukseen?
Aloita valitsemalla peruspolttoaine, nanopartikkelityyppi ja -pitoisuus, tarvittava erän tilavuus tai virtausnopeus sekä tavoiteltu dispergointilaatu. Mainitse myös käyttölämpötila ja suunniteltu varastointiaika. Näiden tietojen avulla voimme suositella ihanteellista ultraäänilaitetta, sonotrodia ja virtauskammion kokoonpanoa sovelluskokeita ja tuotantosuunnittelua varten.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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.