Smanjenje NOx emulgiranjem ulja i vode

Poznato je da dušikovi oksidi (NO_x) predstavljaju neposrednu opasnost za zdravlje ljudi i okoliša. Mobilni i stacionarni dizelski i benzinski motori uvelike doprinose globalnim emisijama NO_x . Emulgiranje goriva s vodom jedan je od načina smanjenja emisija NO_x iz motora. Ultrazvučno emulgiranje učinkovita je metoda za dobivanje emulzija goriva i vode s finim kapljicama.

Automobili i kamioni, zrakoplovi, električni generatori, viličari, klimatizacijski uređaji i kotlovi stvaraju velike količine lebdećih čestica (PM) i NO_x izgaranjem naftnih proizvoda. NO_x označava smjese dušikova monoksida (NO) i dušikova dioksida (NO₂), kao i N₂O, NO₃, N₂O₄ i N₂O₅. Dušikov monoksid i dušikov dioksid doprinose stvaranju prizemnog ozona i smoga te su opasni za okoliš i ljude. Propisi o zaštiti okoliša ograničavaju emisije onečišćujućih tvari u zrak pooštravanjem graničnih vrijednosti. Emisije motora uključuju i sumporov dioksid (SO₂) zbog sumpornih spojeva u gorivu. Taj se problem smanjuje hidrodesulfurizacijom ili desulfurizacijom potpomognutom ultrazvukom.

Rad na emulziju goriva i vode

Posljednjih je godina provedeno mnogo istraživanja o utjecaju vode na razine emisija NO_x . Ispitana su svojstva izgaranja pri različitim volumnim omjerima goriva i vode od 1:1 do 19:1. U većini slučajeva dodano je 1 do 2 volumna postotka površinski aktivne tvari radi stabilizacije emulzije.

Osnove izgaranja

Izgaranjem goriva nastaju toplinska i mehanička energija. Mehanički dio može se upotrijebiti za pokretanje klipova ili turbina radi pogona ili proizvodnje električne energije. U većini motora toplinska se energija ne iskorištava. To rezultira manjom termodinamičkom učinkovitošću.

Približno 90% NO_x koji nastaje tijekom izgaranja goriva čini NO. NO nastaje prvenstveno oksidacijom atmosferskog dušika (N₂). Voda dodana gorivu snižava temperaturu izgaranja zbog isparavanja vode. Kada voda u emulziji goriva i vode isparava, isparava i okolno gorivo. Time se povećava površina goriva. Niža temperatura i bolja raspodjela goriva dovode do manjeg nastajanja NO_x.

Ultrazvučno emulgiranje

U mnogim je radovima pokazano da se uvođenjem vode u izgaranje goriva smanjuju emisije NO_x . Voda se može dodati stvaranjem emulzije goriva i vode na dva načina:

• nestabilizirana: emulgiranje vode u gorivo u protočnom postupku prije ubrizgavanja
• stabilizirana: proizvodnja stabilne emulzije goriva i vode koja se upotrebljava kao izravna zamjena za gorivo bez potrebe za preinakama

Canfield (1999) sažeto prikazuje smanjenje NO_x upotrebom vode i drugih dodataka:

• nestabilizirana emulzija
  • dodana voda, vol%: 10 do 80%
  • NO_x – smanjenje za: 4 do 60%
• stabilizirana emulzija
  • dodana voda, vol%: 25 do 50%
  • NO_x – smanjenje za: 22 do 83%

Emulzija

Emulzija je smjesa u pravilu nemješljivih tekućina (faza), poput ulja i vode. Tijekom emulgiranja dispergirana faza (npr. voda) uvodi se u tekuću fazu (npr. ulje). Primjenom visokih smičnih sila smanjuje se veličina čestica (= veličina kapljica) dispergirane faze. Što su čestice manje, nastala je emulzija stabilnija. Dodatna stabilnost može se postići uvođenjem površinski aktivnih tvari ili stabilizatora. Kliknite na gornji grafički prikaz kako biste vidjeli primjere rezultata ultrazvučnog emulgiranja 10% vode u motornom ulju (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Njemačka). Ovo su istraživanje proveli Behrend i Schubert (2000).

Ultrazvuk

Pri sonikaciji tekućina visokim intenzitetima zvučni valovi koji se šire kroz tekući medij uzrokuju izmjenjivanje ciklusa visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđenje), brzinom koja ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, naglo kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ta se pojava naziva kavitacija. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (približno 5.000K) i tlakovi (približno 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također stvara mlazove tekućine brzine do 280m/s.

Dokazano je da ultrazvuk stvara vrlo homogene emulzije vode u ulju (w/o) i ulja u vodi (o/w) zahvaljujući visokim kavitacijskim smičnim silama. Budući da se parametri ultrazvučne obrade mogu dobro kontrolirati, veličina i raspodjela čestica mogu se precizno podešavati i reproducirati. Ultrazvuk se obično primjenjuje u reaktoru s protočnom ćelijom. Stoga se emulzija može proizvoditi kontinuirano u protočnom postupku. Zbog toga se ultrazvučna obrada može upotrebljavati za proizvodnju stabiliziranih i nestabiliziranih emulzija.

Tablica u nastavku prikazuje opće kapacitete obrade pri različitim razinama ultrazvučne snage.

Ultrazvučno otplinjavanje i uklanjanje pjene

Ultrazvuk također pomaže smanjiti količinu mjehurića zraka u emulzijskoj smjesi. Slika desno prikazuje učinak ultrazvučne obrade na sadržaj mjehurića (snimke napretka u razmacima od 5sec., slijeva nadesno). Budući da promjene sadržaja mjehurića uzrokuju oscilacije u trenutku ubrizgavanja, otplinjavanje, odzračivanje i uklanjanje pjene ultrazvukom poboljšavaju rad motora.

Oprema za ultrazvučnu obradu

Hielscher je vodeći svjetski dobavljač ultrazvučnih uređaja velikog kapaciteta. Budući da Hielscher proizvodi ultrazvučne procesore snage do 16kW po pojedinačnom uređaju, nema ograničenja u veličini postrojenja ili kapacitetu obrade. Skupine od nekoliko sustava snage 16kW upotrebljavaju se za proizvodnju velikih količina goriva koja se mogu izravno upotrebljavati bez preinaka. Industrijska obrada goriva ne zahtijeva mnogo ultrazvučne energije. Stvarna potreba za energijom može se odrediti upotrebom ultrazvučnog procesora snage 1kW u laboratorijskom stolnom mjerilu. Svi rezultati takvih stolnih ispitivanja mogu se lako prenijeti na veće mjerilo.

Troškovi ultrazvučne obrade

Ultrazvučna obrada učinkovita je tehnologija obrade. Troškovi ultrazvučne obrade uglavnom proizlaze iz ulaganja
u ultrazvučne uređaje, troškova energenata i komunalnih usluga te održavanja. Iznimna energetska učinkovitost (vidi grafikon) Hielscher ultrazvučnih uređaja pomaže smanjiti troškove energenata i komunalnih usluga.

Literatura

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Utjecaj viskoznosti kontinuirane faze na emulgiranje ultrazvukom, u: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Učinci izgaranja emulzije dizelskoga goriva i vode na emisije NO_x iz dizelskih motora, u: magistarski rad predan poslijediplomskoj školi Sveučilišta Floride, 1999.