Riduzione degli NOx mediante emulsificazione olio/acqua

È noto che gli ossidi di azoto (NO_x) rappresentano un pericolo immediato per la salute umana e ambientale. I motori diesel e a benzina, mobili e stazionari, contribuiscono in larga misura alle emissioni mondiali di NO_x . L’emulsificazione del carburante con acqua è un modo per ridurre le emissioni dei motori di NO_x . L’emulsificazione a ultrasuoni è un metodo efficace per generare emulsioni carburante/acqua con goccioline di piccole dimensioni.

Automobili e autocarri, aeromobili, generatori elettrici, carrelli elevatori, impianti di climatizzazione e caldaie generano grandi quantità di particolato (PM) e NO_x mediante la combustione di prodotti petroliferi. La sigla NO_x indica miscele di monossido di azoto (NO) e biossido di azoto (NO₂) nonché N₂O, NO₃, N₂O₄ e N₂O₅. Il monossido di azoto e il biossido di azoto contribuiscono alla formazione di ozono a livello del suolo e smog e sono pericolosi per l’ambiente e per gli esseri umani. La normativa ambientale interviene sulle emissioni di inquinanti atmosferici rendendo più restrittivi i limiti. Le emissioni dei motori comprendono anche biossido di zolfo (SO₂) a causa dei composti solforati presenti nel carburante. Questo problema viene ridotto mediante idrodesolforazione o desolforazione assistita da ultrasuoni.

Funzionamento con emulsione carburante/acqua

Negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi sull’ influenza dell’acqua sui livelli di emissione di NO_x . Sono state esaminate le proprietà di combustione di diversi rapporti volumetrici carburante:acqua, da 1:1 a 19:1. Nella maggior parte dei casi è stato aggiunto dall’1 al 2 percento in volume di tensioattivo per stabilizzare l’emulsione.

Principi della combustione

La combustione del carburante genera energia termica e meccanica. La componente meccanica può essere utilizzata per azionare pistoni o turbine per la propulsione o la produzione di elettricità. Nella maggior parte dei motori, l’energia termica non viene utilizzata. Ciò comporta un rendimento termodinamico inferiore.

Circa il 90% degli NO_x derivanti dal processo di combustione del carburante è costituito da NO. Il NO si forma principalmente per ossidazione dell’azoto atmosferico (N₂). L’acqua aggiunta al carburante abbassa la temperatura di combustione grazie alla sua evaporazione. Quando l’acqua nell’emulsione carburante/acqua evapora, anche il carburante circostante viene vaporizzato. Ciò aumenta la superficie del carburante. La temperatura inferiore e la migliore distribuzione del carburante determinano una minore formazione di NO_x.

Emulsificazione a ultrasuoni

Numerosi studi hanno dimostrato che l’introduzione di acqua nella combustione del carburante può ridurre gli NO_x emessi. L’acqua può essere aggiunta formando un’emulsione carburante/acqua in due modi:

• non stabilizzata: emulsificazione in linea dell’acqua nel carburante prima dell’iniezione
• stabilizzata: produzione di un’emulsione carburante/acqua stabile da utilizzare come carburante alternativo direttamente sostituibile a quello convenzionale

Canfield (1999) riassume la riduzione degli NO_x mediante l’impiego di acqua e altri additivi:

• emulsione non stabilizzata
  • acqua aggiunta, % in volume: dal 10 all’80%
  • NO_x – riduzione pari a: dal 4 al 60%
• emulsione stabilizzata
  • acqua aggiunta, % in volume: dal 25 al 50%
  • NO_x – riduzione pari a: dal 22 all’83%

Emulsione

Un’emulsione è una miscela di liquidi generalmente immiscibili (fasi), come olio e acqua. Durante il processo di emulsificazione, la fase dispersa (ad es. acqua) viene introdotta nella fase liquida (ad es. olio). Mediante l’applicazione di elevate forze di taglio, si riduce la dimensione delle particelle (= dimensione delle goccioline) della fase dispersa. Quanto più piccole sono le particelle, tanto più stabile è l’emulsione generata. È possibile ottenere ulteriore stabilità mediante l’aggiunta di tensioattivi o stabilizzanti. Fare clic sul grafico sopra per vedere alcuni risultati dell’emulsificazione a ultrasuoni del 10% di acqua in olio motore (Velocite 3, Mobil Oil, Amburgo, Germania). Questo studio è stato condotto da Behrend e Schubert (2000).

Ultrasuoni

Durante la sonicazione di liquidi ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido generano cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con una cadenza che dipende dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o cavità nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è denominato cavitazione. Durante l’implosione si raggiungono localmente temperature molto elevate (circa 5.000K) e pressioni molto elevate (circa 2.000atm). L’implosione della bolla di cavitazione genera anche getti di liquido con velocità fino a 280m/s.

È stato dimostrato che gli ultrasuoni generano emulsioni molto omogenee di acqua in olio (w/o) e olio in acqua (o/w) grazie alle elevate forze di taglio prodotte dalla cavitazione. Poiché i parametri della sonicazione sono ben controllabili, le dimensioni e la distribuzione delle particelle sono facilmente regolabili e riproducibili. In genere, gli ultrasuoni vengono applicati in un reattore con cella di flusso. Pertanto, l’emulsione può essere prodotta in continuo in linea. Per questo motivo, la sonicazione può essere utilizzata per produrre emulsioni stabilizzate e non stabilizzate.

La tabella seguente mostra le capacità generali di trattamento per diversi livelli di potenza ultrasonica.

Degasaggio ed eliminazione della schiuma mediante ultrasuoni

Gli ultrasuoni contribuiscono anche a ridurre la quantità di bolle d’aria nella miscela emulsionata. L’immagine a destra mostra l’effetto della sonicazione sul contenuto di bolle (immagini della progressione a intervalli di 5sec. da sinistra a destra). Poiché le variazioni del contenuto di bolle causano fluttuazioni nella fasatura dell’iniezione, il degasaggio, la deaerazione e l’eliminazione della schiuma mediante sonicazione migliorano le prestazioni del motore.

Apparecchiature di processo a ultrasuoni

Hielscher è il principale fornitore di dispositivi a ultrasuoni ad alta capacità a livello mondiale. Poiché Hielscher produce processori a ultrasuoni con una potenza fino a 16kW per singolo dispositivo, non vi sono limiti alle dimensioni dell’impianto o alla capacità di trattamento. Gruppi di più sistemi da 16kW vengono utilizzati per produrre grandi volumi di carburanti direttamente sostituibili a quelli convenzionali. Il trattamento industriale dei carburanti non richiede molta energia ultrasonica. Il fabbisogno energetico effettivo può essere determinato utilizzando un processore a ultrasuoni da 1kW su scala da banco. Tutti i risultati di queste prove da banco possono essere facilmente trasferiti a una scala maggiore.

Costi della sonicazione

La sonicazione è una tecnologia di trattamento efficace. I costi del trattamento a ultrasuoni derivano principalmente dall’investimento
nei dispositivi a ultrasuoni, dai costi delle utenze e dalla manutenzione. L’eccezionale efficienza energetica (vedere il grafico) dei dispositivi a ultrasuoni Hielscher contribuisce a ridurre i costi delle utenze.

Bibliografia

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Effetti della combustione di un’emulsione di acqua e gasolio sui livelli di NO_x Emissioni, in: Tesi di Master presentata alla scuola di specializzazione dell’Università della Florida, 1999.