Vrhunska nanogoriva dobivena ultrazvučnim dispergiranjem
Razvoj nanogoriva započinje učinkovitim dispergiranjem. Nanočestice dodane dizelu, biodizelu ili mješavinama goriva mogu utjecati na izgaranje, ali njihova učinkovitost ovisi o tome koliko su dobro raspoređene u cijeloj tekućini. Aglomeracija i sedimentacija otežavaju održavanje ujednačene koncentracije aditiva i dobivanje ponovljivih rezultata. Ultrazvučno dispergiranje rješava taj izazov razbijanjem nakupina čestica i raspoređivanjem nanoaditiva u cijelom gorivu.
Nanogoriva
Nanogoriva se sastoje od mješavine osnovnog goriva (npr. dizela, biodizela, mješavina goriva) i nanočestica. Te nanočestice djeluju kao hibridni nanokatalizatori koji pružaju veliku reaktivnu površinu. Ultrazvučno dispergiranje nanoaditiva znatno poboljšava svojstva goriva, primjerice smanjuje kašnjenje paljenja, produljuje održavanje plamena i poboljšava paljenje aglomerata te značajno smanjuje ukupne emisije.
Mješavine goriva i čestica nanometarskih dimenzija nadmašuju čisto tekuće gorivo u pogledu svojstava goriva zahvaljujući većoj gustoći energije, bržem i lakšem paljenju, pojačanom katalitičkom učinku, smanjenim emisijama, bržem isparavanju i većoj brzini izgaranja te poboljšanoj učinkovitosti izgaranja.
Primijenite sonikaciju za nanodispergiranje čestica u gorivima!
Obratite se našem timu kako biste istražili mogućnosti ultrazvučnog dispergiranja za svoju kombinaciju goriva i nanočestica.
Ultrazvučni protočni sustav snage 7kW
Nanogoriva: ultrazvučno dispergiranje nanočestica u gorivu
Kako bi se izbjeglo taloženje nanočestica u spremniku goriva, čestice se moraju dispergirati na sofisticiran način. Ultrazvučno dispergiranje pomaže pri ugradnji nanočestica poput cerijeva oksida, aluminijeva oksida i ugljikovih nanocijevi u dizel, biodizel i mješavine goriva.
Akustičkom kavitacijom – nastajanjem i urušavanjem mikroskopskih mjehurića – sonikacija stvara intenzivne lokalne smične sile koje razbijaju aglomerate čestica i raspoređuju aditive u cijeloj tekućini. Time se veći dio površine čestica izlaže okolnom gorivu, što omogućuje procjenu katalitičkih prednosti i prednosti povezanih s izgaranjem.
Ultrazvuk djeluje dispergirajuće izravno u tekućini bez dodavanja kuglica za mljevenje, čime se uklanja potreba za naknadnim odvajanjem medija za mljevenje. Hielscher sonikatori podržavaju i šaržnu pripremu i kontinuiranu obradu u liniji, pa je ta tehnika korisna od laboratorijskih istraživanja do industrijske proizvodnje.
Popis u nastavku pruža pregled već ispitanih nanomaterijala dispergiranih u gorivima:
- CNTs – ugljikove nanocijevi
- Ag – srebro
- Al – aluminij
- Al2O3 – aluminijev oksid
- AlCuOx – oksidi aluminija i bakra
- B – bor
- Ca – kalcij
- CaCO3 – kalcijev karbonat
- Fe – željezo
- Cu – bakar
- CuO – bakrov oksid
- Ce – cerij
- CeO2 – cerijev oksid
- (CeO2)·(ZrO2) – oksid cerija i cirkonija
- Co – kobalt
- Mg – magnezij
- Mn – mangan
- TiO2 – titanijev dioksid
- ZnO – cinkov oksid
Cerijev oksid nanometarskih dimenzija, monodispergiran ultrazvukom, pruža visoku katalitičku aktivnost zahvaljujući visokom omjeru površine i volumena, što dovodi do poboljšane učinkovitosti goriva i smanjenih emisija.
Akvagoriva: emulzijska goriva nanometarskih dimenzija dobivena sonikacijom
Akvagoriva su emulzije vode u gorivu u kojima su sitne kapljice vode raspoređene u kontinuiranoj fazi goriva, poput dizela. Hielscher sonikatori stvaraju intenzivnu akustičku kavitaciju koja razbija veće kapljice u manje, omogućujući razvoj emulzija s kapljicama nanometarskih dimenzija uz odgovarajuću formulaciju i uvjete obrade. Podesiva ultrazvučna amplituda, kontrolirani unos energije i upravljanje temperaturom pomažu optimizirati veličinu kapljica i ponovljivost, dok kompatibilni emulgatori pridonose stabilnosti tijekom skladištenja i rukovanja.
Kliknite ovdje kako biste saznali više o ultrazvučno pripremljenim akvagorivima!
Ultrazvučno miješanje goriva
Tehnologija ultrazvučnog emulgiranja upotrebljava se za proizvodnju stabilnih smjesa etanola u dekanu, etanola u dizelu ili dizela–biodizela–etanola/bioetanola. Takve su smjese idealno osnovno gorivo koje se u drugom koraku može poboljšati dispergiranjem nanočestica u gorivu.
Ultrazvučna proizvodnja emulzijskih goriva
Industrijski sonikatori za dispergiranje i emulgiranje nanogoriva
Sonikatori Hielscher kombiniraju učinkovitu deaglomeraciju nanočestica s preciznom kontrolom procesa za razvoj i proizvodnju nanogoriva. Intenzivna ultrazvučna kavitacija pomaže razbiti nakupine čestica i raspodijeliti aditive poput metalnih oksida i ugljikovih nanocijevi u cijelom volumenu dizela, biodizela i miješanih goriva. Podesiva amplituda te praćenje unosa energije i temperature omogućuju ponovljivu obradu i optimizaciju formulacije. S laboratorijskim uređajima i industrijskim sustavima konfiguriranima za šaržni ili kontinuirani protočni rad, Hielscher pruža praktičan put od početnih ispitivanja do većih proizvodnih količina. Automatsko bilježenje procesnih podataka na digitalnim industrijskim modelima pomaže timovima dokumentirati uspješne uvjete i održavati dosljednu obradu pri povećanju proizvodnog kapaciteta.
Povećanje razmjera i pouzdana proizvodnja
Kada formulacija ispuni zadane ciljeve kvalitete, protočna sonikacija omogućuje povećanje proizvodnih količina. Gorivo prolazi kroz zonu ultrazvučne obrade u kontroliranim radnim uvjetima, pri čemu se obrada u jednom prolazu ili uz recirkulaciju odabire prema potrebnom rezultatu. Za odabir opreme navedite osnovno gorivo, vrstu i koncentraciju aditiva, ciljanu kvalitetu disperzije, potreban kapacitet obrade i radnu temperaturu. Ti podaci omogućuju tvrtki Hielscher da preporuči procesor, sonotrodu i konfiguraciju protočne ćelije za procesna ispitivanja i naknadno povećanje razmjera.
Hielscher nudi troškovno učinkovite, vrlo robusne ultrazvučne procesore koji zauzimaju malo prostora za ugradnju u postrojenja s ograničenim prostorom i zahtjevnim okruženjima.
Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni sonikator |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | veći | skup uređaja UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Umetak za protočnu ćeliju za vrhunske nanoemulzije
Često postavljana pitanja o ultrazvučnoj proizvodnji nanogoriva
Što su nanogoriva
Nanogoriva označavaju smjesu goriva i nanočestica. Dispergiranjem nanoenergetskih čestica u gorivu mijenjaju se fizikalno-kemijska svojstva goriva zbog njihove funkcionalnosti, njihove disperzne strukture i složenog međudjelovanja prijenosa topline, strujanja fluida i interakcija čestica. Zbog heterogenog sastava, svojstva nanogoriva određena su vrstom osnovnog goriva te sastavom, veličinom, oblikom, koncentracijom i fizikalnim i kemijskim svojstvima nanočestica. Svojstva nanogoriva mogu se znatno razlikovati od svojstava osnovnog goriva.
Kako se dizel upotrebljava kao gorivo?
Dizel je tekuće gorivo koje izgara u dizelskim motorima. U dizelskim motorima gorivo se pali bez iskre, komprimiranjem smjese usisnog zraka i zatim ubrizgavanjem dizelskoga goriva.
Konvencionalno dizelsko gorivo specifičan je frakcijski destilat naftnog loživog ulja. U širem smislu pojam dizel odnosi se i na goriva koja se ne dobivaju iz nafte, npr. biodizel, dizel dobiven pretvorbom biomase u tekuće gorivo (BTL), plina u tekuće gorivo (GTL) ili ugljena u tekuće gorivo (CTL). BTL, GTL i CTL takozvana su sintetska dizelska goriva koja se mogu dobiti iz bilo kojeg materijala koji sadrži ugljik (npr. biomase, bioplina, prirodnog plina, ugljena itd.). Nakon rasplinjavanja sirovine u sintezni plin i njegova pročišćavanja, sintezni se plin Fischer–Tropschovom reakcijom pretvara u sintetski dizel. Dizel s ultraniskim udjelom sumpora (ULSD) standard je za dizelsko gorivo koje sadrži znatno smanjen udio sumpora.
Što je biodizel?
Biodizel je obnovljivo gorivo koje se proizvodi od biljnih ulja, životinjskih masti ili recikliranih masnoća. Biodizel se može upotrebljavati za pogon dizelskih vozila i generatora. Njegova su fizikalna svojstva slična svojstvima naftnog dizela, iako čišće izgara. Biodizel smanjuje emisije neizgorjelih ugljikovodika (UHC), ugljikova dioksida (CO2), ugljikova monoksida (CO), sumpornih oksida i čestica čađe – u usporedbi s emisijama nastalima izgaranjem konvencionalnog dizela. Emisije dušikovih oksida (NOx) mogu biti veće kod biodizela (u usporedbi s dizelom). Međutim, one se mogu smanjiti optimizacijom trenutka ubrizgavanja goriva.
Proizvodnja biodizela znatno se poboljšava ultrazvučnom transesterifikacijom. Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnoj proizvodnji biodizela!
Može li se etanol upotrebljavati kao gorivo?
Da, etanol – etilni alkohol (C₂H5OH) – može se upotrebljavati kao gorivo. Etanolska goriva uglavnom se upotrebljavaju kao motorna goriva – ponajprije kao dodatak biogoriva benzinu. Danas se automobili mogu pokretati gorivom koje sadrži 100% etanola ili takozvanim fleksibilnim gorivima, koja su mješavina etanola i benzina. Etanol se obično proizvodi postupkom fermentacije biomase, primjerice kukuruza ili šećerne trske. Budući da se etanolsko gorivo dobiva iz obnovljive, održive biomase, često se naziva bioetanolom. Ultrazvuk velike snage može znatno poboljšati proizvodnju bioetanola. Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnoj proizvodnji bioetanola!
Etanol je oksigenat u E-dizelu. Glavni je nedostatak E-dizela nemješljivost etanola s dizelom u širokom rasponu temperatura. Međutim, biodizel se može uspješno upotrebljavati kao amfifilna površinski aktivna tvar za stabilizaciju etanola i dizela. Gorivo etanol−biodizel−dizel (EB-dizel) može se ultrazvučno umiješati u mikroemulziju ili nanoemulziju tako da EB-dizel bude stabilan – čak i pri temperaturama ispod nule – te pruža bolja svojstva goriva od običnog dizelskog goriva.
Kako djeluje ultrazvučno dispergiranje u proizvodnji nanogoriva?
Ultrazvučno dispergiranje koristi akustičnu kavitaciju za razbijanje aglomerata čestica u gorivu. Mikroskopski mjehurići nastaju i urušavaju se, stvarajući lokalne smične sile i mlazove tekućine koji razdvajaju čestice u nakupinama. Taj postupak pomaže raspodijeliti nanododatke po cijeloj tekućini i omogućuje reproducibilan razvoj formulacija.
Koje se nanočestice mogu dispergirati u gorivima pomoću ultrazvuka?
Materijali istraživani u formulacijama goriva uključuju cerijev oksid (CeO₂), aluminijev oksid (Al₂O₃), titanijev dioksid (TiO₂), cinkov oksid (ZnO) i ugljikove nanocijevi (CNTs). Odgovarajući dodatak ovisi o osnovnom gorivu i željenim radnim svojstvima. Svaka kombinacija zahtijeva ispitivanje kako bi se utvrdile prikladne koncentracije, uvjeti obrade i stabilnost.
Koja je razlika između disperzije nanogoriva i nanoemulzije goriva?
Disperzija nanočestica sadrži čvrste čestice raspodijeljene u tekućem gorivu. Nanoemulzija goriva sadrži vrlo sitne kapljice jedne tekućine dispergirane u drugoj, primjerice kapljice vode u dizelu. Ultrazvuk može potpomoći oba postupka. Formulacije koje sadrže nanočestice i dispergirane kapljice tekućine zahtijevaju procjenu i stabilnosti čestica i stabilnosti emulzije.
Sprječava li ultrazvučno dispergiranje taloženje nanočestica?
Ultrazvučna obrada može smanjiti aglomeraciju i poboljšati početnu raspodjelu čestica, ali dugotrajna stabilnost ovisi i o formulaciji. Svojstva čestica, koncentracija dodataka, sastav goriva i kompatibilna sredstva za dispergiranje utječu na to hoće li čestice ostati suspendirane. Ispitivanjima skladištenja trebalo bi utvrditi koliko dugo gotovo nanogorivo zadržava prihvatljivu raspodjelu u predviđenim uvjetima.
Koji su parametri ultrazvučne obrade najvažniji?
Ključni parametri uključuju amplitudu, unesenu energiju, trajanje obrade i temperaturu. Pri protočnoj obradi važni su i protok i tlak u reaktoru. Te postavke treba procijeniti zajedno s formulacijom. Dokumentiranje uvjeta koji daju željenu disperziju pomaže uspostaviti ponovljivu obradu i podupire naknadno povećanje razmjera procesa.
Može li se ultrazvučna proizvodnja nanogoriva prenijeti iz laboratorija na kontinuiranu obradu?
Da. Laboratorijskim ispitivanjima mogu se utvrditi formulacija i uvjeti obrade prije procjene u ultrazvučnoj protočnoj ćeliji. Pri kontinuiranom radu gorivo prolazi kroz kontroliranu zonu obrade. Povećanjem razmjera procesa treba potvrditi da veći sustav postiže potrebnu kvalitetu i stabilnost disperzije pri predviđenom proizvodnom kapacitetu.
Kako odabrati Hielscher ultrazvučni dispergator za nanogoriva?
Započnite s osnovnim gorivom, vrstom i koncentracijom nanočestica, potrebnim volumenom šarže ili protokom te ciljanom kvalitetom disperzije. Uključite radnu temperaturu i predviđeno razdoblje skladištenja. Ti nam podaci pomažu preporučiti idealnu konfiguraciju sonikatora, sonotrode i protočne ćelije za ispitivanja primjene i planiranje proizvodnje.
Literatura / Reference
- 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.