ננו־דלקים מעולים באמצעות דיספרסיה אולטרסונית
פיתוח ננו־דלק מתחיל בדיספרסיה יעילה. ננו־חלקיקים המוספים לסולר, לביודיזל או לתערובות דלק יכולים להשפיע על הבעירה, אך ביצועיהם תלויים במידת הפיזור שלהם ברחבי הנוזל. היווצרות אגלומרטים ושקיעה מקשות על שמירה על ריכוז אחיד של התוסף ועל השגת תוצאות הניתנות לשחזור. דיספרסיה אולטרסונית נותנת מענה לאתגר זה באמצעות פירוק צברי חלקיקים ופיזור תוספי ננו ברחבי הדלק.
ננו־דלקים
ננו־דלקים מורכבים מתערובת של דלק בסיס (למשל סולר, ביודיזל, תערובות דלק) וננו־חלקיקים. ננו־חלקיקים אלה פועלים כננו־זרזים היברידיים, המציעים שטח פנים תגובתי גדול. הדיספרסיה האולטרסונית של תוסף הננו משפרת במידה ניכרת את ביצועי הדלק, למשל באמצעות קיצור השהיית ההצתה, הארכת משך קיום הלהבה והצתת אגלומרטים, וכן הפחתה כוללת משמעותית של הפליטות.
תערובות של דלק וחלקיקים בגודל ננומטרי עולות על דלק נוזלי טהור בביצועי הדלק בזכות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, הצתה מהירה וקלה יותר, השפעה קטליטית מוגברת, פליטות מופחתות, קצבי אידוי ובעירה מהירים יותר ויעילות בעירה משופרת.
השתמשו בסוניקציה לפיזור חלקיקים בקנה מידה ננומטרי בדלקים!
צרו קשר עם הצוות שלנו כדי לבחון דיספרסיה אולטרסונית עבור שילוב הדלק והננו־חלקיקים שלכם.
מערכת זרימה אולטרסונית בהספק 7kW
ננו־דלקים: דיספרסיה אולטרסונית של ננו־חלקיקים בדלק
כדי למנוע שקיעת ננו־חלקיקים במכל הדלק, יש לפזר את החלקיקים באופן מתוחכם. דיספרסיה אולטרסונית מסייעת לשלב ננו־חלקיקים כגון תחמוצת צריום, תחמוצת אלומיניום וננו־צינוריות פחמן בסולר, בביודיזל ובתערובות דלק.
באמצעות קוויטציה אקוסטית – היווצרות וקריסה של בועות מיקרוסקופיות – סוניקציה יוצרת כוחות גזירה מקומיים עזים המפרקים אגלומרטים של חלקיקים ומפזרים את התוספים ברחבי הנוזל. כך נחשף שטח פנים גדול יותר של החלקיקים לדלק הסובב אותם, דבר המסייע להערכת היתרונות הקטליטיים והיתרונות הקשורים לבעירה.
האולטרסאונד מפעיל את פעולת הדיספרסיה ישירות בתוך הנוזל ללא הוספת חרוזי טחינה, ובכך מבטל את הצורך בהפרדת אמצעי הטחינה לאחר מכן. מכשירי הסוניקציה של Hielscher תומכים הן בהכנה במנות והן בעיבוד רציף בקו, ולכן השיטה שימושית החל ממחקר מעבדתי ועד לייצור תעשייתי.
הרשימה שלהלן מציגה סקירה של ננו־חומרים שכבר נבדקו כשהם מפוזרים בדלקים:
- CNTs – ננו־צינוריות פחמן
- Ag – כסף
- Al – אלומיניום
- Al2O3 – תחמוצת אלומיניום
- AlCuOx – תחמוצות אלומיניום ונחושת
- B – בורון
- Ca – סידן
- CaCO3 – סידן פחמתי
- Fe – ברזל
- Cu – נחושת
- CuO – תחמוצת נחושת
- Ce – צריום
- CeO2 – תחמוצת צריום
- (CeO2)·(ZrO2) – תחמוצת צריום וזירקוניום
- Co – קובלט
- Mg – מגנזיום
- Mn – מנגן
- TiO2 – טיטניום דו־חמצני
- ZnO – תחמוצת אבץ
תחמוצת צריום בקנה מידה ננומטרי, המפוזרת באופן מונודיספרסי באמצעות אולטרסאונד, מציעה פעילות קטליטית גבוהה הודות ליחס הגבוה בין שטח הפנים לנפח שלה, המוביל לשיפור ביעילות הדלק ולהפחתת הפליטות.
דלקי מים: דלקי תחליב בגודל ננומטרי באמצעות סוניקציה
דלקי מים הם תחליבי מים בדלק שבהם טיפות מים זעירות מפוזרות ברחבי פאזה רציפה של דלק, כגון סולר. מכשירי הסוניקציה של Hielscher יוצרים קוויטציה אקוסטית עזה המפרקת טיפות גדולות לטיפות קטנות יותר, ומאפשרת פיתוח תחליבים עם טיפות בקנה מידה ננומטרי בתנאי פורמולציה ועיבוד מתאימים. משרעת אולטרסונית ניתנת לכוונון, תשומת אנרגיה מבוקרת וניהול הטמפרטורה מסייעים למיטוב גודל הטיפות ויכולת השחזור, ואילו חומרים מתחלבים תואמים מסייעים לשמירה על יציבות במהלך האחסון והטיפול.
לחצו כאן למידע נוסף על דלקי מים המוכנים באמצעות אולטרסאונד!
ערבול דלקים באמצעות אולטרסאונד
טכנולוגיית תחלוב אולטרסוני משמשת לייצור תערובות יציבות של אתנול בדקאן, אתנול בסולר או סולר–ביודיזל–אתנול/ביואתנול. תערובות כאלה הן דלק בסיס אידיאלי, שניתן לשפר בשלב שני באמצעות פיזור ננו-חלקיקים בדלק.
ייצור אולטרסוני של דלקים מתחליבים
מכשירי סוניקציה תעשייתיים לפיזור ולתחלוב של ננו-דלקים
מכשירי הסוניקציה של Hielscher משלבים פירוק יעיל של אגלומרטים של ננו-חלקיקים עם בקרת תהליך מדויקת לפיתוח ולייצור של ננו-דלקים. קוויטציה אולטרסונית עוצמתית מסייעת לפרק צברי חלקיקים ולפזר תוספים כגון תחמוצות מתכת וננו-צינוריות פחמן בכל נפחם של סולר, ביודיזל ותערובות דלקים. משרעת ניתנת לכוונון וניטור של האנרגיה המושקעת והטמפרטורה תומכים בעיבוד הדיר ובמיטוב הפורמולציה. באמצעות מכשירי מעבדה ומערכות תעשייתיות המוגדרים לפעולה במנות או בזרימה רציפה, Hielscher מספקת מסלול מעשי מניסויים ראשוניים להיקפי ייצור גדולים יותר. רישום אוטומטי של נתוני התהליך בדגמים תעשייתיים דיגיטליים מסייע לצוותים לתעד תנאים שהניבו תוצאות מוצלחות ולשמור על עיבוד עקבי עם העלייה בתפוקה.
הגדלת קנה המידה וייצור אמין
לאחר שהפורמולציה עומדת ביעדי האיכות שלה, סוניקציה בזרימה מאפשרת מעבר להיקפי ייצור גדולים יותר. הדלק עובר באזור טיפול אולטרסוני בתנאי הפעלה מבוקרים, כאשר עיבוד במעבר יחיד או בסחרור חוזר נבחר בהתאם לתוצאה הנדרשת. לצורך בחירת הציוד, ציינו את דלק הבסיס, סוג התוסף וריכוזו, איכות הפיזור הרצויה, התפוקה הנדרשת וטמפרטורת ההפעלה. פרטים אלה מאפשרים ל-Hielscher להמליץ על מעבד אולטרסוני, סונוטרודה ותצורת תא זרימה לניסויי תהליך ולהגדלת קנה המידה בהמשך.
Hielscher מציעה מעבדים אולטרסוניים חסכוניים ועמידים במיוחד, התופסים שטח רצפה קטן, להתקנה במפעלים בעלי שטח מוגבל ובסביבות תובעניות.
הטבלה שלהלן נותנת אינדיקציה לכושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח מנה | ספיקת זרימה | מכשיר סוניקציה מומלץ |
|---|---|---|
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – רכיב להחדרה לתא זרימה ליצירת ננו-תחליבים באיכות מעולה
שאלות נפוצות על ייצור אולטרסוני של ננו-דלקים
מהם ננו-דלקים
ננו-דלקים הם תערובת של דלק וננו-חלקיקים. פיזור ננו-חלקיקים אנרגטיים בדלק משנה את תכונותיו הפיזיקליות והכימיות באמצעות הפונקציונליות שלהם, מבנה הפיזור שלהם ויחסי הגומלין המורכבים בין מעבר חום, זרימת נוזל ואינטראקציות בין חלקיקים. בשל ההרכב ההטרוגני, מאפייני הננו-דלק נקבעים על ידי סוג דלק הבסיס וכן על ידי ההרכב, הגודל, הצורה, הריכוז והתכונות הפיזיקליות והכימיות של הננו-חלקיקים. מאפייני הננו-דלק עשויים להיות שונים במידה ניכרת ממאפייני דלק הבסיס.
כיצד משמש סולר כדלק?
סולר הוא דלק נוזלי הנשרף במנועי דיזל. במנועי דיזל, הדלק מוצת ללא כל ניצוץ, באמצעות דחיסת תערובת האוויר הנכנסת ולאחר מכן הזרקת הסולר.
סולר קונבנציונלי הוא תזקיק מסוים המתקבל בזיקוק למקוטעין של שמן דלק שמקורו בנפט. במובן הרחב יותר, המונח סולר מתייחס גם לדלקים שאינם מופקים מנפט, כגון ביודיזל, סולר המופק מביומסה לנוזל (BTL), מגז לנוזל (GTL) או מפחם לנוזל (CTL). דלקי BTL, GTL ו-CTL הם דלקי סולר המכונים סינתטיים, וניתן להפיקם מכל חומר פחמני (כגון ביומסה, ביוגז, גז טבעי, פחם וכדומה). לאחר גיזוז חומר הגלם לגז סינתזה וטיהורו, הגז מומר לסולר סינתטי באמצעות תגובת פישר–טרופש. סולר בעל תכולת גופרית נמוכה במיוחד (ULSD) הוא תקן לסולר המכיל תכולת גופרית מופחתת במידה ניכרת.
מהו ביודיזל?
ביודיזל הוא דלק מתחדש המיוצר משמנים צמחיים, משומנים מן החי או משומנים ממוחזרים. ניתן להשתמש בביודיזל להפעלת כלי רכב בעלי מנוע דיזל וגנרטורים. תכונותיו הפיזיקליות דומות לאלו של סולר המופק מנפט, אך הוא נשרף בצורה נקייה יותר. ביודיזל מפחית את פליטות הפחמימנים הבלתי שרופים (UHC), הפחמן הדו־חמצני (CO2), הפחמן החד־חמצני (CO), תחמוצות הגופרית וחלקיקי הפיח – בהשוואה לפליטות הנוצרות משרפת סולר רגיל. פליטת תחמוצות החנקן (NOx) עשויה להיות גבוהה יותר בשימוש בביודיזל (בהשוואה לסולר). עם זאת, ניתן להפחיתה באמצעות מיטוב תזמון הזרקת הדלק.
טרנסאסטריפיקציה אולטרסונית משפרת במידה רבה את ייצור הביודיזל. לחצו כאן למידע נוסף על ייצור ביודיזל באמצעות אולטרסאונד!
האם ניתן להשתמש באתנול כדלק?
כן, אתנול – אלכוהול אתילי (C₂H5OH) – יכול לשמש כדלק. דלקי אתנול משמשים בעיקר כדלקים למנועים – בעיקר כתוסף דלק ביולוגי בבנזין. כיום ניתן להפעיל מכוניות באמצעות דלק המכיל 100% אתנול או באמצעות דלקים המכונים דלקים גמישים, שהם תערובת של אתנול ובנזין. אתנול מיוצר בדרך כלל בתהליך תסיסה של ביומסה, למשל תירס או קנה סוכר. מכיוון שדלק אתנול מופק מביומסה מתחדשת ובת־קיימא, הוא מכונה לעיתים קרובות ביואתנול. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יכול לשפר במידה ניכרת את ייצור הביואתנול. לחצו כאן למידע נוסף על ייצור ביואתנול באמצעות אולטרסאונד!
אתנול הוא הרכיב המכיל חמצן ב־E-diesel. החיסרון העיקרי של E-diesel הוא שאתנול וסולר אינם מתערבבים בטווח רחב של טמפרטורות. עם זאת, ניתן להשתמש בביודיזל בהצלחה כחומר פעיל שטח אמפיפילי לייצוב אתנול וסולר. ניתן לערבב דלק אתנול–ביודיזל–סולר (EB-diesel) באמצעות אולטרסאונד ליצירת מיקרו־אמולסיה או ננו־אמולסיה, כך שה־EB-diesel יהיה יציב – אפילו בטמפרטורות מתחת לאפס – ויציע תכונות דלק עדיפות על אלו של סולר רגיל.
כיצד פועל פיזור אולטרסוני בייצור ננו־דלק?
פיזור אולטרסוני משתמש בקוויטציה אקוסטית לפירוק אגלומרטים של חלקיקים בדלק. בועות מיקרוסקופיות נוצרות וקורסות, ויוצרות כוחות גזירה מקומיים וסילוני נוזל המפרידים בין חלקיקים שהתקבצו. תהליך זה מסייע לפזר תוספים ננומטריים ברחבי הנוזל ותומך בפיתוח פורמולציות שניתן לשחזר את תוצאותיהן.
אילו ננו־חלקיקים ניתן לפזר בדלקים באמצעות אולטרסאונד?
חומרים שנחקרו בפורמולציות דלק כוללים תחמוצת צריום (CeO₂), תחמוצת אלומיניום (Al₂O₃), טיטניום דו־חמצני (TiO₂), תחמוצת אבץ (ZnO) וננו־צינוריות פחמן (CNTs). התוסף המתאים תלוי בדלק הבסיס וביעד הביצועים המיועד. כל שילוב מחייב בדיקות לקביעת ריכוזים מתאימים, תנאי עיבוד ויציבות.
מה ההבדל בין דיספרסיית ננו־דלק לננו־אמולסיית דלק?
דיספרסיית ננו־חלקיקים מכילה חלקיקים מוצקים המפוזרים בתוך דלק נוזלי. ננו־אמולסיית דלק מכילה טיפות קטנות מאוד של נוזל אחד המפוזרות בנוזל אחר, כגון טיפות מים בסולר. אולטרסאונד יכול לתמוך בשני התהליכים. פורמולציות המכילות ננו־חלקיקים וטיפות נוזל מפוזרות מחייבות הערכה הן של יציבות החלקיקים והן של יציבות האמולסיה.
האם פיזור אולטרסוני מונע שקיעה של ננו־חלקיקים?
טיפול אולטרסוני יכול להפחית אגלומרציה ולשפר את הפיזור הראשוני של החלקיקים, אך יציבות לאורך זמן תלויה גם בפורמולציה. תכונות החלקיקים, ריכוז התוסף, הרכב הדלק וחומרי פיזור תואמים משפיעים על השאלה אם החלקיקים יישארו בתרחיף. בדיקות אחסון צריכות לקבוע למשך כמה זמן הננו־דלק המוגמר שומר על פיזור ברמה מקובלת בתנאים המיועדים לו.
אילו פרמטרים של עיבוד אולטרסוני הם החשובים ביותר?
הפרמטרים העיקריים כוללים משרעת, אנרגיה מושקעת, משך הטיפול וטמפרטורה. בעיבוד בזרימה רציפה, גם ספיקת הזרימה והלחץ בכור חשובים. יש להעריך הגדרות אלה יחד עם הפורמולציה. תיעוד התנאים המניבים את הפיזור הרצוי מסייע לבסס עיבוד שניתן לחזור עליו ותומך בהגדלת קנה המידה בהמשך.
האם ניתן להגדיל את קנה המידה של ייצור דלקי ננו באמצעות אולטרסאונד מהמעבדה לעיבוד רציף?
כן. ניסויי מעבדה יכולים לבסס את הפורמולציה ואת תנאי העיבוד לפני הערכתם בתא זרימה אולטרסוני. בהפעלה רציפה, הדלק עובר דרך אזור טיפול מבוקר. במסגרת הגדלת קנה המידה יש לוודא שהמערכת הגדולה יותר משיגה את איכות הפיזור והיציבות הנדרשות בתפוקה המיועדת.
כיצד לבחור מכשיר פיזור אולטרסוני של Hielscher לדלקי ננו?
התחילו בדלק הבסיס, בסוג הננו-חלקיקים ובריכוזם, בנפח האצווה או בספיקת הזרימה הנדרשים ובאיכות הפיזור הרצויה. ציינו גם את טמפרטורת ההפעלה ואת תקופת האחסון המיועדת. פרטים אלה עוזרים לנו להמליץ על מכשיר הסוניקציה, הסונוטרודה ותצורת תא הזרימה האידאליים לניסויי יישום ולתכנון הייצור.
ספרות / מקורות
- 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.