Nano-carburanti superiori per dispersione a ultrasuoni
Lo sviluppo dei nano-carburanti inizia con una dispersione efficace. Le nanoparticelle aggiunte al diesel, al biodiesel o ai carburanti miscelati possono influenzare la combustione, ma le loro prestazioni dipendono dalla qualità della loro distribuzione all’interno del 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 rompendo gli agglomerati di particelle e distribuendo i nanoadditivi in tutto il carburante.
Nano-carburanti
I nanocarburanti consistono in una miscela di un carburante di base (ad esempio, diesel, biodiesel, miscele di carburanti) e nanoparticelle. Queste nanoparticelle agiscono come nanocatalizzatori ibridi, che offrono un'ampia superficie reattiva. La dispersione a ultrasuoni del nano-additivo determina un sostanziale miglioramento delle prestazioni del carburante, come la riduzione del ritardo di accensione, la maggiore durata della fiamma e l'accensione di agglomerati, nonché una significativa riduzione complessiva delle emissioni.
Le miscele di particelle di combustibile di dimensioni nanometriche superano il combustibile liquido puro per quanto riguarda le prestazioni del combustibile, grazie a una maggiore densità energetica, a un'accensione più rapida e facile, a un maggiore effetto catalitico, a una riduzione delle emissioni, a un'evaporazione e a un tasso di combustione più rapidi e a una migliore efficienza di combustione.
Utilizzate la sonicazione per la nanodispersione delle particelle nei carburanti!
Contatta il nostro team per valutare l'utilizzo della dispersione ultrasonica nella combinazione di carburante e nanoparticelle.
Sistema di flusso a ultrasuoni da 7kW
Nanocarburanti: dispersione ultrasonica di nanoparticelle nel carburante
Per evitare che le nanoparticelle si depositino nel serbatoio del carburante, è necessario disperderle in modo accurato. La dispersione a ultrasuoni consente di incorporare nanoparticelle quali l’ossido di cerio, l’ossido di alluminio e i nanotubi di carbonio nel gasolio, nel biodiesel e nelle miscele di carburanti.
Tramite cavitazione acustica – la formazione e il collasso di bolle microscopiche – La sonicazione genera intense forze di taglio locali che rompono gli agglomerati di particelle e distribuiscono gli additivi in tutto il liquido. Ciò espone una maggiore superficie delle particelle al combustibile circostante, favorendo la valutazione dei benefici catalitici e legati alla combustione.
Gli ultrasuoni esercitano la loro azione di dispersione direttamente nel liquido senza l'aggiunta di sfere di macinazione, eliminando la necessità di separare successivamente i mezzi di macinazione. I sonicatori Hielscher supportano sia la preparazione in batch che la lavorazione continua in linea, rendendo questa tecnica utile dalla ricerca di laboratorio alla produzione industriale.
L'elenco che segue offre una panoramica dei nano-materiali già testati e dispersi nei carburanti:
- CNT – 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 monodisperso a ultrasuoni e nanoscalato offre un'elevata attività catalitica grazie al suo alto rapporto superficie/volume, che consente di migliorare l'efficienza del carburante e ridurre le emissioni.
Aqua-Fuels: combustibili in emulsione su scala nanometrica ottenuti tramite sonicazione
Gli “aqua-carburanti” sono emulsioni di tipo “acqua-in-carburante” in cui minuscole goccioline d’acqua sono distribuite in una fase continua di carburante, come il diesel. I sonicatori Hielscher generano un’intensa cavitazione acustica che frammenta le goccioline più grandi in goccioline più piccole, consentendo lo sviluppo di emulsioni con goccioline su scala nanometrica in presenza di condizioni di formulazione e lavorazione adeguate. L’ampiezza ultrasonica regolabile, l’apporto energetico controllato e la gestione della temperatura contribuiscono a ottimizzare le dimensioni delle goccioline e la riproducibilità, mentre gli emulsionanti compatibili garantiscono la stabilità durante lo stoccaggio e la manipolazione.
Cliccate qui per saperne di più sugli acquacarburanti preparati ad ultrasuoni!
Miscelazione ultrasonica del carburante
La tecnologia di emulsificazione a ultrasuoni viene utilizzata per produrre miscele stabili di etanolo in decano, etanolo in diesel o diesel-biodiesel-etanolo/bioetanolo. Queste miscele sono un carburante di base ideale, che può essere migliorato in una seconda fase disperdendo nano-particelle nel carburante.
Produzione a ultrasuoni di carburanti in emulsione
Sonicatori industriali per la dispersione e l'emulsificazione dei nanocarburanti
I sonicatori Hielscher combinano un’efficace deagglomerazione delle nanoparticelle con un controllo preciso del processo per lo sviluppo e la produzione di nano-carburanti. L’intensa cavitazione ultrasonica contribuisce a disgregare gli agglomerati di particelle e a distribuire additivi quali ossidi metallici e nanotubi di carbonio all’interno di diesel, biodiesel e carburanti miscelati. L’ampiezza regolabile e il monitoraggio dell’apporto energetico e della temperatura garantiscono la riproducibilità del processo e l’ottimizzazione della formulazione. Con strumenti da laboratorio e sistemi industriali configurati per il funzionamento in batch o a flusso continuo, Hielscher offre un percorso pratico dalle prime sperimentazioni fino a volumi di produzione più elevati. La registrazione automatica dei dati di processo sui modelli industriali digitali aiuta i team a documentare le condizioni di successo e a mantenere una lavorazione costante all’aumentare della produttività.
Scalabilità e produzione affidabile
Una volta che la formulazione soddisfa i propri obiettivi di qualità, la sonicazione a flusso continuo offre la possibilità di raggiungere volumi di produzione più elevati. Il combustibile passa attraverso una zona di trattamento a ultrasuoni in condizioni operative controllate, con un processo a passaggio singolo o a ricircolo selezionato in base al risultato richiesto. Per la scelta dell’attrezzatura, è necessario specificare il combustibile di base, il tipo e la concentrazione degli additivi, la qualità di dispersione desiderata, la portata richiesta e la temperatura di esercizio. Questi dettagli consentono a Hielscher di consigliare un processore, un sonotrodo e una configurazione della cella a flusso per le prove di processo e il successivo scale-up.
Hielscher offre processori a ultrasuoni economici, altamente robusti e con un ingombro ridotto per l'installazione in impianti con spazio limitato e ambienti difficili.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Sonicatore consigliato |
|---|---|---|
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000hdT |
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Domande frequenti sulla produzione di nano-carburante tramite ultrasuoni
Cosa sono i nanocarburanti?
I nano-carburanti si riferiscono a una miscela di carburante e nano-particelle. Disperdendo le particelle nanoenergetiche nel carburante, le proprietà fisico-chimiche del carburante vengono modificate dalla loro funzionalità, dalla loro struttura dispersiva e dalla complessa interazione tra trasferimento di calore, flusso di fluidi e interazioni tra le particelle. A causa della composizione eterogenea, le caratteristiche dei nanofuel sono determinate dal tipo di combustibile di base e dalla composizione, dimensione, forma, concentrazione e proprietà fisiche e chimiche delle nanoparticelle. Le caratteristiche del nanofuel possono differire in modo significativo da quelle del carburante di base.
In che modo il gasolio viene utilizzato come carburante?
Il diesel è un combustibile liquido che viene bruciato nei motori diesel. Nei motori diesel, l'accensione del carburante avviene senza scintilla, ma comprimendo la miscela di aria in ingresso e iniettando poi il gasolio.
Il gasolio convenzionale è un distillato frazionato specifico derivato dall’olio combustibile di origine petrolifera. In senso più ampio, il termine «diesel» si riferisce anche a carburanti non derivati dal petrolio, ad esempio il biodiesel, il diesel da biomassa a liquido (BTL), da gas a liquido (GTL) o da carbone a liquido (CTL). Il BTL, il GTL e il CTL sono i cosiddetti carburanti diesel sintetici, che possono essere ricavati da qualsiasi materiale carbonioso (ad esempio biomassa, biogas, gas naturale, carbone, ecc.). Dopo la gassificazione della materia prima in gas di sintesi, seguita dalla purificazione, questa viene convertita tramite la reazione di Fischer-Tropsch in diesel sintetico. Il diesel a bassissimo tenore di zolfo (ULSD) è uno standard per il carburante diesel che presenta un tenore di zolfo notevolmente ridotto.
Che cos’è il biodiesel?
Il biodiesel è un carburante rinnovabile prodotto da oli vegetali, grassi animali o grassi riciclati. Il biodiesel può essere utilizzato per il funzionamento di veicoli e generatori diesel. Le sue proprietà fisiche sono simili a quelle del gasolio da petrolio, anche se brucia 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 di gasolio convenzionale. Le emissioni di ossidi di azoto (NOx) possono essere più elevate per il biodiesel (rispetto al diesel). Tuttavia, è possibile ridurle ottimizzando i tempi di iniezione del carburante.
La produzione di biodiesel risulta notevolmente migliorata grazie alla transesterificazione a ultrasuoni. Clicca qui per saperne di più sulla produzione di biodiesel tramite ultrasuoni!
L'etanolo può essere utilizzato come carburante?
Sì, etanolo – alcol etilico (C₂H5Oh, Dio! – possono essere utilizzati come combustibile. I combustibili a base di etanolo vengono impiegati principalmente come carburanti per motori – principalmente come additivo per biocarburanti nella benzina. Oggi le automobili possono funzionare con carburante a base di etanolo al 100% o con i cosiddetti “flex-fuel”, ovvero miscele di etanolo e benzina. L’etanolo viene comunemente prodotto tramite un processo di fermentazione della biomassa, ad esempio mais o canna da zucchero. Poiché il carburante a base di etanolo deriva da biomasse rinnovabili e sostenibili, viene spesso chiamato bioetanolo. Gli ultrasuoni ad alta potenza possono migliorare notevolmente la produzione di bioetanolo. Clicca qui per saperne di più sulla produzione di bioetanolo tramite ultrasuoni!
L'etanolo è l'ossigenato dell'E-diesel. Il principale inconveniente dell'E-diesel è l'immiscibilità dell'etanolo nel diesel in un ampio intervallo di temperature. Tuttavia, il biodiesel può essere utilizzato con successo come tensioattivo anfifilo per stabilizzare etanolo e diesel. Il carburante etanolo-biodiesel-diesel (EB-diesel) può essere miscelato ad ultrasuoni in una micro- o nano-emulsione in modo che l'EB-diesel sia stabile. – anche a temperature inferiori allo zero e offre proprietà di carburante superiori a quelle del gasolio normale.
Come funziona la dispersione ultrasonica nella produzione di nanocarburanti?
La dispersione ultrasonica sfrutta la cavitazione acustica per rompere gli agglomerati di particelle presenti nel carburante. Si formano e collassano bolle microscopiche, generando forze di taglio locali e getti di liquido che separano le particelle raggruppate. Questo processo contribuisce a distribuire i nano-additivi in tutto il liquido e favorisce lo sviluppo di formulazioni riproducibili.
Quali nanoparticelle possono essere disperse nei combustibili mediante ultrasuoni?
I materiali studiati nelle formulazioni dei combustibili includono l’ossido di cerio (CeO₂), l’ossido di alluminio (Al₂O₃), il biossido di titanio (TiO₂), l’ossido di zinco (ZnO) e i nanotubi di carbonio (CNT). L’additivo appropriato dipende dal combustibile di base e dagli obiettivi prestazionali previsti. Ogni combinazione richiede una fase di test per stabilire le concentrazioni adeguate, le condizioni di lavorazione e la stabilità.
Qual è la differenza tra una dispersione di nanocarburante e una nanoemulsione di carburante?
Una dispersione di nanoparticelle è costituita da 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 ad esempio goccioline d’acqua nel gasolio. Gli ultrasuoni possono favorire entrambi i processi. Le formulazioni contenenti nanoparticelle e goccioline di liquido disperse richiedono una valutazione sia della stabilità delle particelle che della stabilità dell’emulsione.
La dispersione ultrasonica impedisce alle nanoparticelle di depositarsi?
Il trattamento a ultrasuoni 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 degli additivi, la composizione del combustibile e i disperdenti compatibili influenzano la capacità delle particelle di rimanere in sospensione. Le prove di stoccaggio dovrebbero stabilire per quanto tempo il nanocombustibile finito mantenga una distribuzione accettabile nelle condizioni previste.
Quali sono i parametri di lavorazione ad ultrasuoni più importanti?
I parametri chiave includono l'ampiezza, l'apporto energetico, la durata del trattamento e la temperatura. Nel caso della lavorazione a flusso continuo, sono importanti anche la portata e la pressione nel reattore. Queste impostazioni devono essere valutate insieme alla formulazione. Documentare le condizioni che producono la dispersione desiderata contribuisce a garantire la ripetibilità del processo e facilita il successivo scale-up.
È possibile estendere la produzione di nanocarburanti mediante ultrasuoni dal laboratorio alla lavorazione in continuo?
Sì. Le prove di laboratorio consentono di definire la formulazione e le condizioni di lavorazione prima della valutazione in una cella di flusso a ultrasuoni. Nel funzionamento continuo, il combustibile attraversa una zona di trattamento controllata. Il scale-up dovrebbe confermare che il sistema su scala più grande raggiunga la qualità di dispersione e la stabilità richieste alla portata prevista.
Come si sceglie un dispersore ad ultrasuoni Hielscher per i nanocarburanti?
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. Specificate inoltre la temperatura di esercizio e il periodo di stoccaggio previsto. Questi dettagli ci aiutano a consigliarvi la configurazione ideale di sonicatore, sonotrodo e cella di flusso per le prove applicative e la pianificazione della produzione.
Letteratura / Riferimenti
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- 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.