Nanocombustibili superiori mediante dispersione ultrasonica
Lo sviluppo dei nanocombustibili inizia con una dispersione efficace. Le nanoparticelle aggiunte al gasolio, al biodiesel o alle miscele di combustibili possono influenzare la combustione, ma le loro prestazioni dipendono dall’uniformità con cui sono distribuite nel liquido. L’agglomerazione e la sedimentazione rendono più difficile mantenere una concentrazione costante dell’additivo e ottenere risultati riproducibili. La dispersione ultrasonica affronta questa sfida disgregando gli aggregati di particelle e distribuendo i nanoadditivi in tutto il combustibile.
Nanocombustibili
I nanocombustibili sono costituiti da una miscela di un combustibile di base (ad es. gasolio, biodiesel, miscele di combustibili) e nanoparticelle. Queste nanoparticelle agiscono come nanocatalizzatori ibridi, che offrono un’ampia superficie reattiva. La dispersione ultrasonica del nanoadditivo migliora sostanzialmente le prestazioni del combustibile, riducendo il ritardo di accensione, prolungando il mantenimento della fiamma e l’accensione degli agglomerati, oltre a ridurre significativamente le emissioni complessive.
Le miscele di combustibile e particelle nanometriche superano il combustibile liquido puro in termini di prestazioni grazie a una maggiore densità energetica, un’accensione più rapida e facile, un effetto catalitico potenziato, emissioni ridotte, velocità di evaporazione e combustione più elevate e una migliore efficienza di combustione.
Utilizzate la sonicazione per disperdere particelle su scala nanometrica nei combustibili!
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Sistema ultrasonico a flusso da 7kW
Nanocombustibili: dispersione ultrasonica di nanoparticelle nel combustibile
Per evitare la sedimentazione delle nanoparticelle nel serbatoio del combustibile, le particelle devono essere disperse con tecniche avanzate. La dispersione ultrasonica aiuta a incorporare nanoparticelle come ossido di cerio, ossido di alluminio e nanotubi di carbonio nel gasolio, nel biodiesel e nelle miscele di combustibili.
Attraverso la cavitazione acustica – la formazione e il collasso di bolle microscopiche – la sonicazione genera intense forze di taglio locali che disgregano gli agglomerati di particelle e distribuiscono gli additivi in tutto il liquido. Questo espone una maggiore superficie delle particelle al combustibile circostante, favorendo la valutazione dei benefici catalitici e relativi alla combustione.
Gli ultrasuoni esercitano la loro azione disperdente direttamente nel liquido senza l’aggiunta di sfere di macinazione, eliminando la necessità di separare successivamente i corpi macinanti. I sonicatori Hielscher consentono sia la preparazione in lotti sia il trattamento continuo in linea, rendendo questa tecnica utile dalla ricerca di laboratorio alla produzione industriale.
L’elenco seguente offre una panoramica dei nanomateriali già testati come dispersioni nei combustibili:
- CNTs – nanotubi di carbonio
- Ag – argento
- Al – alluminio
- Al2O3 – ossido di alluminio
- AlCuOx – ossidi di alluminio e rame
- B – boro
- Ca – calcio
- CaCO3 – carbonato di calcio
- Fe – ferro
- Cu – rame
- CuO – ossido di rame
- Ce – cerio
- CeO2 – ossido di cerio
- (CeO2)·(ZrO2) – ossido di cerio e zirconio
- Co – cobalto
- Mg – magnesio
- Mn – manganese
- TiO2 – biossido di titanio
- ZnO – ossido di zinco
L’ossido di cerio nanometrico, monodisperso mediante ultrasuoni, offre un’elevata attività catalitica grazie al suo elevato rapporto superficie/volume, migliorando l’efficienza del combustibile e riducendo le emissioni.
Acquacombustibili: combustibili emulsionati nanometrici mediante sonicazione
Gli acquacombustibili sono emulsioni di acqua in combustibile nelle quali fini goccioline d’acqua sono distribuite in una fase continua di combustibile, come il gasolio. I sonicatori Hielscher generano un’intensa cavitazione acustica che frammenta le gocce più grandi in gocce più piccole, consentendo lo sviluppo di emulsioni con goccioline nanometriche in condizioni di formulazione e trattamento adeguate. L’ampiezza ultrasonica regolabile, l’apporto energetico controllato e la gestione della temperatura aiutano a ottimizzare le dimensioni delle goccioline e la riproducibilità, mentre emulsionanti compatibili favoriscono la stabilità durante lo stoccaggio e la manipolazione.
Fate clic qui per saperne di più sugli acquacombustibili preparati mediante ultrasuoni!
Miscelazione ultrasonica dei combustibili
La tecnologia di emulsificazione ultrasonica viene utilizzata per produrre miscele stabili di etanolo in decano, etanolo in gasolio o gasolio–biodiesel–etanolo/bioetanolo. Queste miscele costituiscono un combustibile di base ideale, che può essere migliorato in una seconda fase disperdendo nanoparticelle nel combustibile.
Produzione ultrasonica di combustibili emulsionati
Sonicatori industriali per la dispersione e l’emulsificazione dei nanocombustibili
I sonicatori Hielscher combinano un’efficace deagglomerazione delle nanoparticelle con un controllo preciso del processo per lo sviluppo e la produzione di nanocombustibili. L’intensa cavitazione ultrasonica aiuta a disgregare gli aggregati di particelle e a distribuire additivi come ossidi metallici e nanotubi di carbonio nel gasolio, nel biodiesel e nelle miscele di combustibili. L’ampiezza regolabile e il monitoraggio dell’apporto energetico e della temperatura favoriscono un trattamento riproducibile e l’ottimizzazione della formulazione. Con strumenti da laboratorio e sistemi industriali configurati per il funzionamento in lotti o in flusso continuo, Hielscher offre un percorso pratico dalle prove iniziali a volumi di produzione maggiori. La registrazione automatica dei dati di processo sui modelli industriali digitali aiuta i team a documentare le condizioni efficaci e a mantenere costante il trattamento all’aumentare della capacità produttiva.
Passaggio a scala maggiore e produzione affidabile
Una volta che la formulazione soddisfa i propri obiettivi di qualità, la sonicazione in flusso consente di raggiungere volumi di produzione maggiori. Il combustibile attraversa una zona di trattamento ultrasonico in condizioni operative controllate, scegliendo il trattamento a passaggio singolo o con ricircolo in funzione del risultato richiesto. Per la selezione delle apparecchiature, indicate il combustibile di base, il tipo e la concentrazione dell’additivo, la qualità di dispersione desiderata, la capacità produttiva richiesta e la temperatura operativa. Questi dettagli consentono a Hielscher di consigliare una configurazione del processore, del sonotrodo e della cella di flusso per le prove di processo e il successivo passaggio a scala maggiore.
Hielscher offre processori a ultrasuoni convenienti, estremamente robusti e con ingombro ridotto per l’installazione in impianti con spazio limitato e in ambienti impegnativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Sonicatore consigliato |
|---|---|---|
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000hdT |
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Domande frequenti sulla produzione ultrasonica di nanocombustibili
Che cosa sono i nanocombustibili
I nanocombustibili sono miscele di combustibile e nanoparticelle. Disperdendo particelle nanoenergetiche nel combustibile, le proprietà fisico-chimiche del combustibile vengono modificate dalla funzionalità delle particelle, dalla loro struttura dispersa e dalla complessa interazione tra trasferimento di calore, flusso del fluido e interazioni tra particelle. A causa della composizione eterogenea, le caratteristiche del nanocombustibile sono determinate dal tipo di combustibile di base e dalla composizione, dalle dimensioni, dalla forma, dalla concentrazione e dalle proprietà fisiche e chimiche delle nanoparticelle. Le caratteristiche del nanocombustibile possono differire significativamente da quelle del combustibile di base.
Come viene utilizzato il gasolio come combustibile?
Il gasolio è un combustibile liquido che viene bruciato nei motori diesel. Nei motori diesel, il combustibile si accende senza scintilla, comprimendo la miscela d’aria in ingresso e poi iniettando il gasolio.
Il gasolio convenzionale è uno specifico distillato frazionato dell’olio combustibile di origine petrolifera. In senso più ampio, il termine gasolio si riferisce anche a combustibili non derivati dal petrolio, ad es. biodiesel, gasolio da biomassa a liquido (BTL), da gas a liquido (GTL) o da carbone a liquido (CTL). BTL, GTL e CTL sono i cosiddetti gasoli sintetici, che possono essere ricavati da qualsiasi materiale carbonioso (ad es. biomassa, biogas, gas naturale, carbone, ecc.). Dopo la gassificazione della materia prima in gas di sintesi, seguita dalla purificazione, questo viene convertito in gasolio sintetico mediante la reazione di Fischer–Tropsch. Il gasolio a bassissimo tenore di zolfo (ULSD) è uno standard per il gasolio con un contenuto di zolfo significativamente ridotto.
Che cos’è il biodiesel?
Il biodiesel è un combustibile rinnovabile prodotto da oli vegetali, grassi animali o grassi riciclati. Il biodiesel può essere utilizzato per alimentare veicoli e generatori diesel. Le sue proprietà fisiche sono simili a quelle del gasolio di origine petrolifera, sebbene bruci in modo più pulito. Il biodiesel riduce le emissioni di idrocarburi incombusti (UHC), anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO), ossidi di zolfo e particelle di fuliggine – rispetto alle emissioni prodotte dalla combustione del gasolio convenzionale. Le emissioni di ossidi di azoto (NOx) possono essere maggiori con il biodiesel (rispetto al gasolio). Tuttavia, possono essere ridotte ottimizzando la fasatura dell’iniezione del combustibile.
La produzione di biodiesel viene notevolmente migliorata dalla transesterificazione ultrasonica. Fate clic qui per saperne di più sulla produzione ultrasonica di biodiesel!
L’etanolo può essere utilizzato come combustibile?
Sì, l’etanolo – alcol etilico (C₂H5OH) – può essere utilizzato come combustibile. I combustibili a base di etanolo sono utilizzati prevalentemente come carburanti per motori – soprattutto come additivo biocombustibile nella benzina. Oggi le automobili possono essere alimentate con combustibile al 100% di etanolo o con i cosiddetti carburanti flex-fuel, che sono miscele di etanolo e benzina. L’etanolo viene comunemente prodotto mediante un processo di fermentazione della biomassa, ad es. mais o canna da zucchero. Poiché il combustibile a base di etanolo deriva da biomassa rinnovabile e sostenibile, viene spesso chiamato bioetanolo. Gli ultrasuoni di potenza possono migliorare sostanzialmente la produzione di bioetanolo. Fate clic qui per saperne di più sulla produzione ultrasonica di bioetanolo!
L’etanolo è il componente ossigenato dell’E-diesel. Il principale svantaggio dell’E-diesel è l’immiscibilità dell’etanolo nel gasolio in un ampio intervallo di temperature. Tuttavia, il biodiesel può essere utilizzato con successo come tensioattivo anfifilico per stabilizzare etanolo e gasolio. Il combustibile etanolo–biodiesel–gasolio (EB-diesel) può essere miscelato mediante ultrasuoni per ottenere una microemulsione o nanoemulsione, in modo che l’EB-diesel sia stabile – anche a temperature inferiori allo zero – e offra proprietà superiori a quelle del gasolio comune.
Come funziona la dispersione ultrasonica nella produzione di nanocombustibili?
La dispersione ultrasonica utilizza la cavitazione acustica per disgregare gli agglomerati di particelle nel combustibile. Bolle microscopiche si formano e collassano, generando forze di taglio locali e getti di liquido che separano le particelle aggregate. Questo processo aiuta a distribuire i nanoadditivi in tutto il liquido e favorisce lo sviluppo riproducibile delle formulazioni.
Quali nanoparticelle possono essere disperse nei combustibili mediante ultrasuoni?
I materiali studiati nelle formulazioni di combustibili includono ossido di cerio (CeO₂), ossido di alluminio (Al₂O₃), biossido di titanio (TiO₂), ossido di zinco (ZnO) e nanotubi di carbonio (CNTs). L’additivo appropriato dipende dal combustibile di base e dall’obiettivo prestazionale previsto. Ogni combinazione richiede prove per stabilire concentrazioni, condizioni di trattamento e stabilità adeguate.
Qual è la differenza tra una dispersione di nanocombustibile e una nanoemulsione di combustibile?
Una dispersione di nanoparticelle contiene particelle solide distribuite all’interno di un combustibile liquido. Una nanoemulsione di combustibile contiene goccioline molto piccole di un liquido disperse in un altro, come goccioline d’acqua nel gasolio. Gli ultrasuoni possono favorire entrambi i processi. Le formulazioni contenenti nanoparticelle e goccioline liquide disperse richiedono la valutazione sia della stabilità delle particelle sia della stabilità dell’emulsione.
La dispersione ultrasonica impedisce la sedimentazione delle nanoparticelle?
Il trattamento ultrasonico può ridurre l’agglomerazione e migliorare la distribuzione iniziale delle particelle, ma la stabilità a lungo termine dipende anche dalla formulazione. Le proprietà delle particelle, la concentrazione dell’additivo, la composizione del combustibile e i disperdenti compatibili influiscono sulla permanenza delle particelle in sospensione. Le prove di stoccaggio devono stabilire per quanto tempo il nanocombustibile finito mantiene una distribuzione accettabile nelle condizioni previste.
Quali parametri del trattamento ultrasonico sono più importanti?
I parametri chiave includono ampiezza, apporto energetico, durata del trattamento e temperatura. Per il trattamento in flusso, sono importanti anche la portata e la pressione del reattore. Queste impostazioni devono essere valutate insieme alla formulazione. Documentare le condizioni che producono la dispersione desiderata aiuta a definire un trattamento ripetibile e favorisce il successivo passaggio a scala maggiore.
È possibile passare dalla produzione ultrasonica di nanocombustibili in laboratorio al trattamento continuo?
Sì. Le prove di laboratorio possono definire la formulazione e le condizioni di trattamento prima della valutazione in una cella di flusso ultrasonica. Nel funzionamento continuo, il combustibile attraversa una zona di trattamento controllata. Il passaggio a scala maggiore deve confermare che il sistema più grande raggiunga la qualità di dispersione e la stabilità richieste alla capacità produttiva prevista.
Come scegliere un dispersore a ultrasuoni Hielscher per i nanocombustibili?
Iniziate indicando il combustibile di base, il tipo e la concentrazione delle nanoparticelle, il volume del lotto o la portata richiesti e la qualità di dispersione desiderata. Includete la temperatura operativa e il periodo di stoccaggio previsto. Questi dettagli ci aiutano a consigliare la configurazione ideale del sonicatore, del sonotrodo e della cella di flusso per le prove applicative e la pianificazione della produzione.
Bibliografia / Riferimenti
- 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.