तेल/पानी के पायसीकरण द्वारा NOx में कमी

नाइट्रोजन ऑक्साइड (NO_x) मानव स्वास्थ्य और पर्यावरण के लिए तत्काल खतरनाक माने जाते हैं। चल और स्थिर डीज़ल तथा गैसोलीन इंजन विश्वभर में NO_x उत्सर्जन में बड़ा योगदान देते हैं। पानी के साथ ईंधन का पायसीकरण इंजनों के NO_x उत्सर्जन को कम करने का एक तरीका है। अल्ट्रासोनिक पायसीकरण सूक्ष्म आकार की बूंदों वाले ईंधन/पानी के पायस बनाने का एक प्रभावी साधन है।

कारें और ट्रक, विमान, विद्युत जनरेटर, फोर्कलिफ्ट, वातानुकूलन इकाइयाँ और बॉयलर बड़ी मात्रा में कणिकीय पदार्थ (PM) और NO_x पेट्रोलियम उत्पादों के दहन से उत्पन्न करते हैं। NO_x का अर्थ नाइट्रिक ऑक्साइड (NO) और नाइट्रोजन डाइऑक्साइड (NO₂) तथा N₂O, NO₃, N₂O₄ और N₂O₅ का मिश्रण है। नाइट्रिक ऑक्साइड और नाइट्रोजन डाइऑक्साइड निचले वायुमंडल में ओज़ोन और धूम-कोहरे के निर्माण में योगदान देते हैं और पर्यावरण तथा मनुष्यों के लिए खतरनाक हैं। पर्यावरणीय विनियमन वायु प्रदूषकों के उत्सर्जन से निपटने के लिए सीमाएँ सख्त करता है। ईंधन में सल्फर यौगिकों के कारण इंजन उत्सर्जन में सल्फर डाइऑक्साइड (SO₂) भी शामिल होती है। इस समस्या को कम करने के लिए हाइड्रोडीसल्फराइज़ेशन या अल्ट्रासाउंड की सहायता से डीसल्फराइज़ेशन किया जाता है.

ईंधन/पानी के पायस से संचालन

हाल के वर्षों में, NO_x उत्सर्जन के स्तर पर पानी के प्रभाव पर काफी काम किया गया है। दहन गुणों के लिए 1:1 से 19:1 तक के विभिन्न ईंधन:पानी आयतन अनुपातों का परीक्षण किया गया है। अधिकांश मामलों में, पायस के स्थिरीकरण के लिए आयतन के आधार पर 1 से 2 प्रतिशत पृष्ठसक्रिय पदार्थ मिलाया गया।

दहन की पृष्ठभूमि

ईंधन के दहन से ऊष्मीय और यांत्रिक ऊर्जा उत्पन्न होती है। यांत्रिक अंश का उपयोग प्रणोदन या बिजली उत्पादन के लिए पिस्टन या टर्बाइन चलाने में किया जा सकता है। अधिकांश इंजनों में ऊष्मीय ऊर्जा का उपयोग नहीं होता है। इसके परिणामस्वरूप ऊष्मागतिक दक्षता कम होती है।

लगभग 90% NO_x ईंधन की दहन प्रक्रिया में NO के रूप में उत्पन्न होता है। NO मुख्य रूप से वायुमंडलीय नाइट्रोजन (N₂) के ऑक्सीकरण से बनता है। ईंधन में मिलाया गया पानी वाष्पित होकर दहन तापमान को कम करता है। जब ईंधन-पानी के पायस में मौजूद पानी वाष्पित होता है, तो उसके आसपास का ईंधन भी वाष्पित होता है। इससे ईंधन का पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ता है। कम तापमान और ईंधन के बेहतर वितरण से कम मात्रा में NO_{x का निर्माण होता है}.

अल्ट्रासोनिक पायसीकरण

कई अध्ययनों में दिखाया गया है कि ईंधन के दहन में पानी शामिल करने से NO_x उत्सर्जन कम होता है। ईंधन/पानी का पायस बनाकर पानी दो तरीकों से मिलाया जा सकता है:

• अस्थिरीकृत: इंजेक्शन से पहले ईंधन में पानी का इनलाइन पायसीकरण
• स्थिरीकृत: एक स्थिर ईंधन/पानी के पायस का निर्माण, जिसे बिना किसी बदलाव के सीधे इस्तेमाल किए जा सकने वाले वैकल्पिक ईंधन के रूप में उपयोग किया जा सके

Canfield (1999) पानी और अन्य योजकों के उपयोग से NO_x में होने वाली कमी का सार प्रस्तुत करते हैं:

• अस्थिरीकृत पायस
  • मिलाए गए पानी का आयतन प्रतिशत vol%: 10 से 80%
  • NO_x में कमी: 4 से 60%
• स्थिरीकृत पायस
  • मिलाए गए पानी का आयतन प्रतिशत vol%: 25 से 50%
  • NO_x में कमी: 22 से 83%

पायस

पायस सामान्यतः आपस में न मिलने वाले द्रवों (प्रावस्थाओं), जैसे तेल और पानी, का मिश्रण होता है। पायसीकरण की प्रक्रिया में परिक्षिप्त प्रावस्था (जैसे पानी) को द्रव प्रावस्था (जैसे तेल) में मिलाया जाता है। उच्च अपरूपण लगाने से, परिक्षिप्त प्रावस्था के कणों का आकार (= बूंदों का आकार) कम होता है। कणों का आकार जितना छोटा होता है, बनने वाला पायस उतना ही अधिक स्थिर होता है। पृष्ठसक्रिय पदार्थ या स्थिरकारक मिलाकर अतिरिक्त स्थिरता प्राप्त की जा सकती है। ऊपर दिए गए चित्र पर क्लिक करें और मोटर तेल (Velocite 3, Mobil Oil, हैम्बर्ग, जर्मनी) में 10% पानी के अल्ट्रासोनिक पायसीकरण के नमूना परिणाम देखें। यह अध्ययन करने वाले शोधकर्ता थे Behrend और Schubert (2000).

अल्ट्रासाउंड

उच्च तीव्रता पर द्रवों का सोनिकेशन करते समय, द्रव माध्यम में फैलने वाली ध्वनि तरंगें बारी-बारी से उच्च दाब (संपीड़न) और निम्न दाब (विरलन) के चक्र उत्पन्न करती हैं, जिनकी दरें आवृत्ति पर निर्भर करती हैं। निम्न दाब चक्र के दौरान, उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव में छोटे निर्वात बुलबुले या रिक्त स्थान बनाती हैं। जब बुलबुले ऐसे आयतन तक पहुँच जाते हैं जहाँ वे और ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते, तो वे उच्च दाब चक्र के दौरान तीव्रता से ध्वस्त हो जाते हैं। इस घटना को कैविटेशन कहते हैं। इस अंतःस्फोट के दौरान स्थानीय रूप से बहुत उच्च तापमान (लगभग 5,000K) और दाब (लगभग 2,000atm) उत्पन्न होते हैं। कैविटेशन बुलबुले के अंतःस्फोट से 280m/s तक के वेग वाली द्रव धाराएँ भी उत्पन्न होती हैं।

अल्ट्रासाउंड से अत्यंत समांगी पायस बनना सिद्ध हो चुका है, जिनमें तेल में पानी (w/o) और पानी में तेल (o/w) के पायस शामिल हैं। ये पायस कैविटेशन से उत्पन्न उच्च अपरूपण के कारण बनते हैं। चूँकि अल्ट्रासोनिकेशन के मापदंडों को अच्छी तरह नियंत्रित किया जा सकता है, इसलिए कणों का आकार और उनका वितरण भी अच्छी तरह समायोजित किया जा सकता है और दोहराया जा सकता है। सामान्यतः, अल्ट्रासाउंड का उपयोग प्रवाह सेल रिएक्टर में किया जाता है। इसलिए पायस को लगातार इनलाइन बनाया जा सकता है। इसी कारण, अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग स्थिरीकृत और अस्थिरीकृत पायस बनाने के लिए किया जा सकता है।

नीचे दी गई तालिका विभिन्न अल्ट्रासोनिक शक्ति स्तरों के लिए सामान्य प्रसंस्करण क्षमताएँ दर्शाती है।

अल्ट्रासोनिक गैस निष्कासन और झाग हटाना

अल्ट्रासाउंड हवा के बुलबुलों की मात्रा कम करने में भी मदद करता है। ये बुलबुले पायस मिश्रण में मौजूद होते हैं। दाईं ओर का चित्र बुलबुलों की मात्रा पर अल्ट्रासोनिकेशन के प्रभाव को दर्शाता है (बाएँ से दाएँ 5sec. के अंतराल पर प्रगति दर्शाने वाले चित्र)। चूँकि बुलबुलों की मात्रा में बदलाव से इंजेक्शन के समय में उतार-चढ़ाव होता है, इसलिए अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा गैस निष्कासन, वायु निष्कासन और झाग हटाने से इंजन का प्रदर्शन बेहतर होता है।

अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया उपकरण

Hielscher विश्वभर में उच्च क्षमता वाले अल्ट्रासोनिक उपकरणों का अग्रणी आपूर्तिकर्ता है। चूँकि Hielscher ऐसे अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर बनाता है जिनमें प्रति उपकरण 16kW तक की शक्ति होती है, इसलिए संयंत्र के आकार की कोई सीमा नहीं है और न ही प्रसंस्करण क्षमता की। कई 16kW प्रणालियों के समूहों का उपयोग बड़ी मात्रा में ऐसे ईंधन बनाने के लिए किया जा रहा है जिन्हें बिना किसी बदलाव के सीधे इस्तेमाल किया जा सकता है। औद्योगिक ईंधन प्रसंस्करण के लिए अधिक अल्ट्रासोनिक ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है। बेंच-टॉप पैमाने पर 1kW अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर का उपयोग करके वास्तविक ऊर्जा आवश्यकता निर्धारित की जा सकती है। ऐसे बेंच-टॉप परीक्षणों के सभी परिणामों को आसानी से बड़े पैमाने पर लागू किया जा सकता है.

अल्ट्रासोनिकेशन की लागत

अल्ट्रासोनिकेशन एक प्रभावी प्रसंस्करण तकनीक है। अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण की लागत मुख्य रूप से अल्ट्रासोनिक उपकरणों में निवेश,
उपयोगिता सेवाओं की लागत और रखरखाव से आती है। उत्कृष्ट ऊर्जा दक्षता (देखें चार्ट) वाले Hielscher अल्ट्रासोनिक उपकरण उपयोगिता सेवाओं की लागत कम करने में मदद करते हैं।

साहित्य

Behrend, O., Schubert, H. (2000): अल्ट्रासाउंड द्वारा पायसीकरण पर सतत प्रावस्था की श्यानता का प्रभाव, में: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): डीज़ल इंजन के NO_x उत्सर्जन पर डीज़ल-पानी के पायस के दहन का प्रभाव, में: University of Florida के स्नातकोत्तर विद्यालय में प्रस्तुत मास्टर शोधप्रबंध, 1999.