Ylivertaisia nanopolttoaineita ultraäänidispergoinnilla
Nanopolttoaineiden kehittäminen alkaa tehokkaasta dispergoinnista. Dieseliin, biodieseliin tai polttoaineseoksiin lisätyt nanohiukkaset voivat vaikuttaa palamiseen, mutta niiden suorituskyky riippuu siitä, kuinka hyvin ne jakautuvat koko nesteeseen. Agglomeroituminen ja sedimentoituminen vaikeuttavat tasaisen lisäainepitoisuuden ylläpitämistä ja toistettavien tulosten saavuttamista. Ultraäänidispergointi vastaa tähän haasteeseen hajottamalla hiukkasryppäitä ja jakamalla nanolisäaineet koko polttoaineeseen.
Nanopolttoaineet
Nanopolttoaineet koostuvat peruspolttoaineen (esim. diesel, biodiesel, polttoaineseokset) ja nanohiukkasten seoksesta. Nämä nanohiukkaset toimivat hybridinanokatalyytteinä, joilla on suuri reaktiivinen pinta-ala. Nanolisäaineen ultraäänidispergointi parantaa huomattavasti polttoaineen suorituskykyä: syttymisviive lyhenee, liekki säilyy pidempään ja agglomeraatit syttyvät. Lisäksi kokonaispäästöt vähenevät merkittävästi.
Nanokokoiset polttoaineen ja hiukkasten seokset ovat suorituskyvyltään puhdasta nestemäistä polttoainetta parempia suuremman energiatiheyden, nopeamman ja helpomman syttymisen, tehostuneen katalyyttisen vaikutuksen, vähäisempien päästöjen, nopeamman haihtumisen ja palamisen sekä paremman palamishyötysuhteen ansiosta.
Käytä ultraäänikäsittelyä hiukkasten nanodispergointiin polttoaineissa!
Ota yhteyttä tiimiimme ja selvitä ultraäänidispergoinnin mahdollisuudet polttoaineesi ja nanohiukkastesi yhdistelmälle.
7 kW:n ultraäänivirtausjärjestelmä
Nanopolttoaineet: nanohiukkasten ultraäänidispergointi polttoaineeseen
Nanohiukkasten laskeutumisen estämiseksi polttoainesäiliössä hiukkaset on dispergoitava kehittyneellä menetelmällä. Ultraäänidispergointi auttaa sekoittamaan nanohiukkasia, kuten ceriumoksidia, alumiinioksidia ja hiilinanoputkia, dieseliin, biodieseliin ja polttoaineseoksiin.
Akustisen kavitaation – mikroskooppisten kuplien muodostumisen ja luhistumisen – avulla ultraäänikäsittely tuottaa voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, jotka hajottavat hiukkasagglomeraatteja ja jakavat lisäaineet koko nesteeseen. Näin suurempi osa hiukkasten pinnasta altistuu ympäröivälle polttoaineelle, mikä tukee katalyyttisten ja palamiseen liittyvien hyötyjen arviointia.
Ultraääni kohdistaa dispergoivan vaikutuksensa suoraan nesteeseen ilman lisättyjä jauhatushelmiä, joten jauhatuskappaleita ei tarvitse erottaa jälkikäteen. Hielscherin ultraäänilaitteet soveltuvat sekä erävalmistukseen että jatkuvaan linjakäsittelyyn, joten tekniikka on hyödyllinen laboratoriotutkimuksesta teolliseen tuotantoon asti.
Alla oleva luettelo antaa yleiskuvan jo testatuista polttoaineisiin dispergoiduista nanomateriaaleista:
- CNTs – hiilinanoputket
- Ag – hopea
- Al – alumiini
- Al2O3 – alumiinioksidi
- AlCuOx – alumiini-kuparioksidit
- B – boori
- Ca – kalsium
- CaCO3 – kalsiumkarbonaatti
- Fe – rauta
- Cu – kupari
- CuO – kuparioksidi
- Ce – cerium
- CeO2 – ceriumoksidi
- (CeO2)·(ZrO2) – cerium-zirkoniumoksidi
- Co – koboltti
- Mg – magnesium
- Mn – mangaani
- TiO2 – titaanidioksidi
- ZnO – sinkkioksidi
Nanokokoinen, ultraäänellä monodispergoitu ceriumoksidi tarjoaa suuren katalyyttisen aktiivisuuden suuren pinta-alan ja tilavuuden suhteen ansiosta, mikä parantaa polttoainetehokkuutta ja vähentää päästöjä.
Vesipolttoaineet: nanokokoiset emulsiopolttoaineet ultraäänikäsittelyllä
Vesipolttoaineet ovat vesi-polttoaine-emulsioita, joissa hienojakoiset vesipisarat jakautuvat jatkuvaan polttoainefaasiin, kuten dieseliin. Hielscherin ultraäänilaitteet tuottavat voimakasta akustista kavitaatiota, joka hajottaa suuremmat pisarat pienemmiksi ja mahdollistaa nanokokoisia pisaroita sisältävien emulsioiden kehittämisen sopivissa koostumus- ja käsittelyolosuhteissa. Säädettävä ultraääniamplitudi, hallittu energiansyöttö ja lämpötilan hallinta auttavat optimoimaan pisarakoon ja toistettavuuden, ja yhteensopivat emulgointiaineet tukevat stabiiliutta varastoinnin ja käsittelyn aikana.
Lue lisää ultraäänellä valmistetuista vesipolttoaineista napsauttamalla tästä!
Polttoaineiden sekoittaminen ultraäänellä
Ultraääniemulgointitekniikkaa käytetään stabiilien etanoli-dekaani-, etanoli-diesel- tai diesel–biodiesel–etanoli/bioetanoliseosten valmistamiseen. Tällaiset seokset ovat ihanteellinen peruspolttoaine, jota voidaan toisessa vaiheessa parantaa dispergoimalla polttoaineeseen nanohiukkasia.
Emulsiopolttoaineiden valmistus ultraäänellä
Teolliset ultraäänilaitteet nanopolttoaineiden dispergointiin ja emulgointiin
Hielscherin ultraäänilaitteissa yhdistyvät tehokas nanohiukkasten agglomeraattien hajotus ja tarkka prosessinhallinta nanopolttoaineiden kehittämistä ja tuotantoa varten. Voimakas ultraäänikavitaatio auttaa hajottamaan hiukkasryppäitä ja jakamaan lisäaineita, kuten metallioksideja ja hiilinanoputkia, koko dieseliin, biodieseliin ja polttoaineseoksiin. Säädettävä amplitudi sekä energiansyötön ja lämpötilan seuranta tukevat toistettavaa käsittelyä ja koostumuksen optimointia. Eräkäsittelyyn tai jatkuvaan läpivirtauskäsittelyyn konfiguroitujen laboratoriolaitteiden ja teollisten järjestelmien avulla Hielscher tarjoaa käytännöllisen reitin ensimmäisistä kokeista suurempiin tuotantomääriin. Digitaalisten teollisuusmallien automaattinen prosessitietojen tallennus auttaa tiimejä dokumentoimaan onnistuneet olosuhteet ja ylläpitämään tasaista käsittelyä käsittelykapasiteetin kasvaessa.
Mittakaavan suurentaminen ja luotettava tuotanto
Kun koostumus täyttää laatutavoitteensa, läpivirtauksessa tehtävä ultraäänikäsittely tarjoaa reitin suurempiin tuotantomääriin. Polttoaine kulkee ultraäänikäsittelyvyöhykkeen läpi hallituissa käyttöolosuhteissa. Yhden läpimenon käsittely tai kierrätyskäsittely valitaan vaaditun tuloksen mukaan. Ilmoita laitevalintaa varten peruspolttoaine, lisäaineen tyyppi ja pitoisuus, dispersion tavoiteltu laatu, tarvittava käsittelykapasiteetti ja käyttölämpötila. Näiden tietojen avulla Hielscher voi suositella prosessorin, sonotrodin ja virtauskennon kokoonpanoa prosessikokeisiin ja myöhempään mittakaavan suurentamiseen.
Hielscher tarjoaa kustannustehokkaita, erittäin kestäviä ja vähän tilaa vieviä ultraääniprosessoreita asennettaviksi laitoksiin, joissa on rajallisesti tilaa ja vaativat ympäristöolosuhteet.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositeltu ultraäänilaite |
|---|---|---|
| 10–2000 mL | 20–400 mL/min | UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100 L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | suurempi | seuraavista laitteista koostuva ryhmä: UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Virtauskennon sisäosa ylivertaisia nanoemulsioita varten
Usein kysyttyjä kysymyksiä nanopolttoaineiden valmistuksesta ultraäänellä
Mitä nanopolttoaineet ovat
Nanopolttoaineilla tarkoitetaan polttoaineen ja nanohiukkasten seosta. Kun polttoaineeseen dispergoidaan energeettisiä nanohiukkasia, niiden toiminnallisuus, dispersiorakenne sekä lämmönsiirron, nestevirtauksen ja hiukkasten vuorovaikutusten monimutkainen yhteisvaikutus muuttavat polttoaineen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia. Heterogeenisen koostumuksen vuoksi nanopolttoaineen ominaisuudet määräytyvät peruspolttoaineen tyypin sekä nanohiukkasten koostumuksen, koon, muodon, pitoisuuden ja fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien perusteella. Nanopolttoaineen ominaisuudet voivat poiketa merkittävästi peruspolttoaineen ominaisuuksista.
Miten dieseliä käytetään polttoaineena?
Diesel on nestemäinen polttoaine, jota poltetaan dieselmoottoreissa. Dieselmoottoreissa polttoaine syttyy ilman kipinää, kun sisään tuleva ilmaseos puristetaan ja dieselpolttoaine ruiskutetaan sen jälkeen.
Tavanomainen dieselpolttoaine on tietty maaöljypohjaisen polttoöljyn jakotisle. Laajemmassa merkityksessä dieselillä tarkoitetaan myös polttoaineita, joita ei valmisteta maaöljystä, kuten biodieseliä sekä biomassasta nestemäiseksi polttoaineeksi muunnettua (BTL), kaasusta nestemäiseksi polttoaineeksi muunnettua (GTL) tai kivihiilestä nestemäiseksi polttoaineeksi muunnettua (CTL) dieseliä. BTL, GTL ja CTL ovat niin sanottuja synteettisiä dieselpolttoaineita, joita voidaan valmistaa mistä tahansa hiilipitoisesta materiaalista (esim. biomassasta, biokaasusta, maakaasusta, kivihiilestä jne.). Kun raaka-aine on kaasutettu synteesikaasuksi ja kaasu on puhdistettu, se muunnetaan Fischer–Tropsch-reaktiolla synteettiseksi dieseliksi. Erittäin vähärikkinen diesel (ULSD) on standardi dieselpolttoaineelle, jonka rikkipitoisuutta on alennettu merkittävästi.
Mitä biodiesel on?
Biodiesel on uusiutuva polttoaine, jota valmistetaan kasviöljyistä, eläinrasvoista tai kierrätetyistä rasvoista. Biodieseliä voidaan käyttää dieselajoneuvojen ja generaattorien polttoaineena. Sen fysikaaliset ominaisuudet ovat samankaltaiset kuin maaöljypohjaisella dieselillä, mutta se palaa puhtaammin. Biodiesel vähentää palamattomien hiilivetyjen (UHC), hiilidioksidin (CO2), hiilimonoksidin (CO), rikkioksidien ja nokihiukkasten päästöjä verrattuna tavanomaisen dieselin polttamisesta syntyviin päästöihin. Typen oksidien (NOx) päästöt voivat olla biodieselillä suuremmat kuin dieselillä. Niitä voidaan kuitenkin vähentää optimoimalla polttoaineen ruiskutuksen ajoitus.
Ultraäänellä toteutettu transesteröinti parantaa biodieselin tuotantoa huomattavasti. Lue lisää biodieselin tuotannosta ultraäänellä napsauttamalla tästä!
Voidaanko etanolia käyttää polttoaineena?
Kyllä, etanolia – etyylialkoholia (C₂H5OH) – voidaan käyttää polttoaineena. Etanolipolttoaineita käytetään pääasiassa moottoripolttoaineina – lähinnä bensiinin biopolttoainelisäaineena. Nykyään autoissa voidaan käyttää 100 %:n etanolipolttoainetta tai niin sanottuja flex-fuel-polttoaineita, jotka ovat etanolin ja bensiinin seoksia. Etanolia valmistetaan yleisesti biomassasta, kuten maissista tai sokeriruo’osta, käymisprosessilla. Koska etanolipolttoaine valmistetaan uusiutuvasta, kestävästä biomassasta, sitä kutsutaan usein bioetanoliksi. Tehoultraääni voi parantaa bioetanolin tuotantoa huomattavasti. Lue lisää bioetanolin tuotannosta ultraäänellä napsauttamalla tästä!
Etanoli on E-dieselin happea sisältävä komponentti. E-dieselin merkittävin haittapuoli on etanolin sekoittumattomuus dieseliin laajalla lämpötila-alueella. Biodieseliä voidaan kuitenkin käyttää onnistuneesti amfifiilisenä pinta-aktiivisena aineena etanolin ja dieselin stabiloimiseen. Etanoli–biodiesel–dieselpolttoaine (EB-diesel) voidaan sekoittaa ultraäänellä mikro- tai nanoemulsioksi siten, että EB-diesel on stabiili myös nollan alapuolisissa lämpötiloissa ja tarjoaa tavanomaista dieselpolttoainetta paremmat polttoaineominaisuudet.
Miten ultraäänidispergointi toimii nanopolttoaineiden tuotannossa?
Ultraäänidispergointi hyödyntää akustista kavitaatiota polttoaineessa olevien hiukkasagglomeraattien hajottamiseen. Mikroskooppiset kuplat muodostuvat ja luhistuvat synnyttäen paikallisia leikkausvoimia ja nestesuihkuja, jotka erottavat ryppäiksi kerääntyneet hiukkaset toisistaan. Tämä prosessi auttaa jakamaan nanolisäaineet koko nesteeseen ja tukee toistettavaa koostumusten kehittämistä.
Mitä nanohiukkasia voidaan dispergoida polttoaineisiin ultraäänellä?
Polttoainekoostumuksissa tutkittuja materiaaleja ovat esimerkiksi ceriumoksidi (CeO₂), alumiinioksidi (Al₂O₃), titaanidioksidi (TiO₂), sinkkioksidi (ZnO) ja hiilinanoputket (CNTs). Sopiva lisäaine riippuu peruspolttoaineesta ja tavoitellusta suorituskyvystä. Jokainen yhdistelmä vaatii testausta sopivien pitoisuuksien, käsittelyolosuhteiden ja stabiiliuden selvittämiseksi.
Mitä eroa on nanopolttoainedispersiolla ja polttoaineen nanoemulsiolla?
Nanohiukkasdispersio sisältää kiinteitä hiukkasia, jotka ovat jakautuneet nestemäiseen polttoaineeseen. Polttoaineen nanoemulsio sisältää hyvin pieniä yhden nesteen pisaroita dispergoituneina toiseen nesteeseen, kuten vesipisaroita dieselissä. Ultraääni voi tukea molempia prosesseja. Nanohiukkasia ja dispergoituneita nestepisaroita sisältävät koostumukset edellyttävät sekä hiukkasten stabiiliuden että emulsion stabiiliuden arviointia.
Estääkö ultraäänidispergointi nanohiukkasten laskeutumisen?
Ultraäänikäsittely voi vähentää agglomeroitumista ja parantaa hiukkasten alkuvaiheen jakautumista, mutta pitkäaikainen stabiilius riippuu myös koostumuksesta. Hiukkasten ominaisuudet, lisäainepitoisuus, polttoaineen koostumus ja yhteensopivat dispergointiaineet vaikuttavat siihen, pysyvätkö hiukkaset suspensiossa. Varastointikokeilla tulisi selvittää, kuinka kauan valmis nanopolttoaine säilyttää hiukkasten hyväksyttävän jakautumisen suunnitelluissa olosuhteissaan.
Mitkä ultraäänikäsittelyn parametrit ovat tärkeimpiä?
Keskeisiä parametreja ovat amplitudi, energiansyöttö, käsittelyn kesto ja lämpötila. Läpivirtauskäsittelyssä myös tilavuusvirta ja reaktorin paine ovat merkityksellisiä. Näitä asetuksia tulisi arvioida yhdessä koostumuksen kanssa. Halutun dispersion tuottavien olosuhteiden dokumentointi auttaa määrittämään toistettavan käsittelyn ja tukee myöhempää mittakaavan suurentamista.
Voidaanko nanopolttoaineiden ultraäänituotannon mittakaavaa suurentaa laboratoriosta jatkuvaan käsittelyyn?
Kyllä. Laboratoriokokeilla voidaan määrittää koostumus ja käsittelyolosuhteet ennen niiden arviointia ultraäänivirtauskennossa. Jatkuvassa toiminnassa polttoaine kulkee hallitun käsittelyvyöhykkeen läpi. Mittakaavaa suurennettaessa tulisi varmistaa, että suurempi järjestelmä saavuttaa vaaditun dispersion laadun ja stabiiliuden suunnitellulla käsittelykapasiteetilla.
Miten valitsen Hielscherin ultraäänidispergointilaitteen nanopolttoaineita varten?
Aloita peruspolttoaineesta, nanohiukkasten tyypistä ja pitoisuudesta, tarvittavasta erätilavuudesta tai tilavuusvirrasta sekä dispersion tavoitellusta laadusta. Ilmoita myös käyttölämpötila ja suunniteltu varastointiaika. Nämä tiedot auttavat meitä suosittelemaan ihanteellista ultraäänilaitteen, sonotrodin ja virtauskennon kokoonpanoa sovelluskokeisiin ja tuotannon suunnitteluun.
Kirjallisuus / lähteet
- 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.