તેલ/પાણીના ઇમલ્સિફિકેશન દ્વારા NOxમાં ઘટાડો

નાઇટ્રોજન ઑક્સાઇડ્સ (NO_x) માનવ અને પર્યાવરણીય સ્વાસ્થ્ય માટે તાત્કાલિક જોખમી હોવાનું જાણીતું છે. મોબાઇલ અને સ્થિર ડીઝલ તથા ગેસોલિન એન્જિનો વિશ્વભરમાં NO_x ના ઉત્સર્જનમાં મોટો ફાળો આપે છે. ઇંધણનું પાણી સાથે ઇમલ્સિફિકેશન કરવું એ એન્જિનોમાંથી થતા NO_x ના ઉત્સર્જનને ઘટાડવાનો એક ઉપાય છે. સૂક્ષ્મ કદનાં ઇંધણ/પાણીનાં ઇમલ્શન બનાવવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક ઇમલ્સિફિકેશન એક અસરકારક સાધન છે.

કાર અને ટ્રક, વિમાન, વિદ્યુત જનરેટર, ફોર્કલિફ્ટ, એર કન્ડિશનિંગ એકમો અને બોઇલર પેટ્રોલિયમ પેદાશોના દહન દ્વારા મોટા પ્રમાણમાં કણરૂપ પદાર્થો (PM) અને NO_x ઉત્પન્ન કરે છે. NO_x એ નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડ (NO) અને નાઇટ્રોજન ડાયૉક્સાઇડ (NO₂) તેમજ N₂O, NO₃, N₂O₄ અને N₂O₅નાં મિશ્રણો માટે વપરાતો શબ્દ છે. નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડ અને નાઇટ્રોજન ડાયૉક્સાઇડ જમીનની નજીકના સ્તરે ઓઝોન અને ધુમ્મસયુક્ત પ્રદૂષણની રચનામાં ફાળો આપે છે અને પર્યાવરણ તથા મનુષ્યો માટે જોખમી છે. પર્યાવરણીય નિયમનો હવા પ્રદૂષકોના ઉત્સર્જનને નિયંત્રિત કરવા માટે મર્યાદાઓ વધુ કડક બનાવે છે. ઇંધણમાં રહેલાં સલ્ફર સંયોજનોને કારણે એન્જિનના ઉત્સર્જનમાં સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ (SO₂) પણ હોય છે. આ સમસ્યા હાઇડ્રોડિસલ્ફરાઇઝેશન અથવા અલ્ટ્રાસોનિક સહાયથી થતા ડિસલ્ફરાઇઝેશન દ્વારા ઓછી થાય છે.

ઇંધણ/પાણીના ઇમલ્શન પર સંચાલન

તાજેતરનાં વર્ષોમાં NO_x ના ઉત્સર્જન સ્તરો પર પાણીના પ્રભાવ અંગે ઘણું કામ કરવામાં આવ્યું છે. દહનના ગુણધર્મો માટે 1:1 થી 19:1 સુધીના ઇંધણ:પાણીના વિવિધ આયતનીય ગુણોત્તરોનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું છે. મોટા ભાગના કિસ્સાઓમાં, ઇમલ્શનને સ્થિર બનાવવા માટે આયતનના 1 થી 2 ટકા જેટલો પૃષ્ઠસક્રિય પદાર્થ ઉમેરવામાં આવ્યો હતો.

દહન વિશેની પૃષ્ઠભૂમિ

ઇંધણના દહનથી ઉષ્મીય અને યાંત્રિક ઊર્જા ઉત્પન્ન થાય છે. યાંત્રિક ઊર્જાના ભાગનો ઉપયોગ પ્રણોદન અથવા વીજળી ઉત્પાદન માટે પિસ્ટન કે ટર્બાઇન ચલાવવામાં કરી શકાય છે. મોટા ભાગનાં એન્જિનોમાં ઉષ્મીય ઊર્જાનો ઉપયોગ થતો નથી. આના પરિણામે ઉષ્માગતિશાસ્ત્રીય કાર્યક્ષમતા ઓછી રહે છે.

આશરે 90% NO_x – જે ઇંધણના દહનની પ્રક્રિયાથી ઉત્પન્ન થાય છે – NO હોય છે. NO મુખ્યત્વે વાતાવરણીય નાઇટ્રોજન (N₂)ના ઑક્સિડેશનથી બને છે. ઇંધણમાં ઉમેરાયેલું પાણી બાષ્પીભવનને કારણે દહનનું તાપમાન ઘટાડે છે. ઇંધણ–પાણીના ઇમલ્શનમાં રહેલું પાણી બાષ્પીભવન પામે ત્યારે આસપાસનું ઇંધણ પણ બાષ્પીભવન પામે છે. આથી ઇંધણનું સપાટી ક્ષેત્રફળ વધે છે. નીચું તાપમાન અને ઇંધણનું વધુ સારું વિતરણ NO_{xની રચનામાં ઘટાડો કરે છે}.

અલ્ટ્રાસોનિક ઇમલ્સિફિકેશન

ઇંધણના દહનમાં પાણી ઉમેરવાથી NO_x ના ઉત્સર્જનમાં ઘટાડો થાય છે એવું ઘણા અભ્યાસોમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. ઇંધણ/પાણીનું ઇમલ્શન બનાવીને બે રીતે પાણી ઉમેરી શકાય છે:

• અસ્થિરીકૃત: ઇન્જેક્શન પહેલાં ઇંધણમાં પાણીનું ઇન–લાઇન ઇમલ્સિફિકેશન
• સ્થિરીકૃત: ઇંધણના સીધા બદલા તરીકે વાપરી શકાય એવા સ્થિર ઇંધણ/પાણીના ઇમલ્શનનું ઉત્પાદન

Canfield (1999) પાણી અને અન્ય ઉમેરણોના ઉપયોગથી થતા NO_x ના ઘટાડાનો સારાંશ આપે છે:

• અસ્થિરીકૃત ઇમલ્શન
  • ઉમેરાયેલું પાણી, આયતન%: 10 થી 80%
  • NO_x માં ઘટાડો: 4 થી 60%
• સ્થિરીકૃત ઇમલ્શન
  • ઉમેરાયેલું પાણી, આયતન%: 25 થી 50%
  • NO_x માં ઘટાડો: 22 થી 83%

ઇમલ્શન

ઇમલ્શન સામાન્ય રીતે એકબીજામાં ન ભળતાં પ્રવાહીઓ (પ્રાવસ્થાઓ), જેમ કે તેલ અને પાણીનું મિશ્રણ છે. ઇમલ્સિફિકેશનની પ્રક્રિયા દરમિયાન વિખેરાયેલી પ્રાવસ્થા (દા.ત. પાણી) પ્રવાહી પ્રાવસ્થામાં (દા.ત. તેલ) દાખલ કરવામાં આવે છે. ઉચ્ચ કર્તન બળ લાગુ કરવાથી વિખેરાયેલી પ્રાવસ્થાના કણોનું કદ (= ટીપાંનું કદ) ઘટે છે. કણોનું કદ જેટલું નાનું હોય, બનાવેલું ઇમલ્શન તેટલું વધુ સ્થિર હોય છે. પૃષ્ઠસક્રિય પદાર્થો અથવા સ્થિરકો ઉમેરીને વધારાની સ્થિરતા મેળવી શકાય છે. ઉપરના આલેખ પર ક્લિક કરો અને મોટર તેલ (Velocite 3, Mobil Oil, હેમ્બર્ગ જર્મની)માં 10% પાણીના અલ્ટ્રાસોનિક ઇમલ્સિફિકેશનનાં ઉદાહરણરૂપ પરિણામો જુઓ. આ અભ્યાસ Behrend અને Schubert (2000) દ્વારા કરવામાં આવ્યો હતો.

અલ્ટ્રાસાઉન્ડ

પ્રવાહીઓને ઉચ્ચ તીવ્રતાએ સોનિકેશન આપતી વખતે, પ્રવાહી માધ્યમમાં પ્રસરી રહેલાં ધ્વનિતરંગો વારાફરતી ઉચ્ચ દબાણ (સંકોચન) અને નીચા દબાણ (વિરલન)નાં ચક્રો ઉત્પન્ન કરે છે, જેનો દર આવર્તન પર આધાર રાખે છે. નીચા દબાણના ચક્ર દરમિયાન ઉચ્ચ તીવ્રતાનાં અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહીમાં નાના નિર્વાત પરપોટા અથવા પોલાણો બનાવે છે. જ્યારે પરપોટા એવા આયતન સુધી પહોંચે છે કે જ્યાં તેઓ વધુ ઊર્જા શોષી શકતા નથી, ત્યારે ઉચ્ચ દબાણના ચક્ર દરમિયાન તેઓ પ્રચંડ રીતે અંદરની તરફ તૂટી પડે છે. આ ઘટનાને કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે. આ અંતઃસ્ફોટ દરમિયાન સ્થાનિક રીતે ખૂબ ઊંચું તાપમાન (આશરે 5,000K) અને દબાણ (આશરે 2,000atm) સર્જાય છે. કેવિટેશન પરપોટાના અંતઃસ્ફોટથી 280m/s સુધીના વેગવાળી પ્રવાહી ધારાઓ પણ ઉત્પન્ન થાય છે.

અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અત્યંત સમાન ઇમલ્શન – તેલમાં પાણીનાં (w/o) અને પાણીમાં તેલનાં (o/w) – કેવિટેશનજન્ય ઉચ્ચ કર્તન બળથી બનાવે છે એવું સાબિત થયું છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશનનાં પરિમાણો સારી રીતે નિયંત્રિત કરી શકાય છે, તેથી કણોનું કદ અને વિતરણ સારી રીતે સમાયોજિત કરી શકાય છે અને ફરીથી સમાન રીતે મેળવી શકાય છે. સામાન્ય રીતે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ફ્લો–સેલ રિએક્ટરમાં લાગુ કરવામાં આવે છે. તેથી ઇમલ્શન સતત ઇન–લાઇન બનાવી શકાય છે. આ કારણથી અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો ઉપયોગ સ્થિરીકૃત અને અસ્થિરીકૃત ઇમલ્શન બનાવવા માટે કરી શકાય છે.

નીચેનું કોષ્ટક વિવિધ અલ્ટ્રાસોનિક શક્તિ સ્તરો માટેની સામાન્ય પ્રક્રિયા ક્ષમતાઓ દર્શાવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક ડીગેસિંગ અને ફીણ દૂર કરવું

અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઇમલ્શન મિશ્રણમાં હવાના પરપોટાનું પ્રમાણ ઘટાડવામાં પણ મદદ કરે છે. જમણી બાજુનું ચિત્ર પરપોટાના પ્રમાણ પર અલ્ટ્રાસોનિકેશનની અસર દર્શાવે છે (ડાબેથી જમણે 5sec.ના અંતરે પ્રગતિનાં ચિત્રો). પરપોટાના પ્રમાણમાં ફેરફાર થવાથી ઇન્જેક્શનના સમયમાં વધઘટ થાય છે, તેથી વાયુ, હવા અને ફીણ દૂર કરવાની પ્રક્રિયા અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા કરવાથી એન્જિનની કામગીરી સુધરે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા ઉપકરણો

Hielscher વિશ્વભરમાં ઉચ્ચ ક્ષમતાવાળાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોનો અગ્રણી સપ્લાયર છે. Hielscher દરેક ઉપકરણ દીઠ મહત્તમ 16kW શક્તિવાળાં અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર બનાવે છે, તેથી પ્લાન્ટના કદની કોઈ મર્યાદા નથી અને પ્રક્રિયા ક્ષમતાની પણ કોઈ મર્યાદા નથી. સીધા બદલા તરીકે વાપરી શકાય એવાં ઇંધણોનું મોટા પ્રમાણમાં ઉત્પાદન કરવા માટે અનેક 16kW સિસ્ટમોના સમૂહોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ઔદ્યોગિક ઇંધણ પ્રક્રિયા માટે વધુ અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જાની જરૂર પડતી નથી. બેન્ચ–ટોપ સ્તરે 1kW અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરનો ઉપયોગ કરીને ઊર્જાની વાસ્તવિક જરૂરિયાત નક્કી કરી શકાય છે. આવા બેન્ચ–ટોપ પરીક્ષણોનાં તમામ પરિણામોને સરળતાથી મોટા પાયે લાગુ કરી શકાય છે.

અલ્ટ્રાસોનિકેશનના ખર્ચ

અલ્ટ્રાસોનિકેશન એક અસરકારક પ્રક્રિયા તકનીક છે. અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાનો ખર્ચ મુખ્યત્વે અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણો માટેના રોકાણ, ઉપયોગિતા સેવાઓના ખર્ચ અને જાળવણીને કારણે થાય છે. ઉત્કૃષ્ટ ઊર્જા કાર્યક્ષમતા (જુઓ આલેખ) એ Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોનો એવો ગુણ છે જે ઉપયોગિતા સેવાઓનો ખર્ચ ઘટાડવામાં મદદ કરે છે.

સંદર્ભસાહિત્ય

Behrend, O., Schubert, H. (2000): અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા ઇમલ્સિફિકેશન પર સતત પ્રાવસ્થાની સ્નિગ્ધતાનો પ્રભાવ, માં: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): ડીઝલ એન્જિનના NO_x ઉત્સર્જન પર ડીઝલ–પાણીના ઇમલ્શનના દહનની અસરો, માં: University of Floridaની સ્નાતકોત્તર શાળામાં રજૂ કરાયેલ માસ્ટરનો મહાનિબંધ, 1999.