油／水の乳化によるNOx低減

窒素酸化物（NO_x）は、人の健康と環境の健全性に直ちに危険をもたらすことが知られています。移動式および定置式のディーゼルエンジンとガソリンエンジンは、世界全体のNO_x 排出に大きく寄与しています。燃料を水と乳化することは、エンジンのNO_x 排出量を低減する方法です。超音波乳化は、微細な燃料／水エマルションを生成するための効果的な手段です。

乗用車やトラック、航空機、発電機、フォークリフト、空調装置、ボイラーから発生するのは、 大量の粒子状物質（PM）とNO_x であり、これらは石油製品の燃焼によって生じます。NO_x とは、一酸化窒素（NO）と二酸化窒素（NO₂）、さらにN₂O、NO₃、N₂O₄ およびN₂O₅の混合物を指します。一酸化窒素と二酸化窒素は、 地表付近のオゾンやスモッグの発生に寄与し 、環境と人に有害です。環境規制では、大気汚染物質の排出に対処するため、 規制値を厳格化しています。エンジンの排出物には、燃料中の硫黄化合物に由来する二酸化硫黄（SO₂）も含まれます。この問題は、水素化脱硫または 超音波支援脱硫によって軽減されます.

燃料／水エマルションによる運転

近年、数多くの研究が行われているのは、 水がNO_x 排出量に及ぼす影響についてです。燃料：水の体積比を1:1–19:1の範囲で変えて、燃焼特性が試験されています。ほとんどの場合、エマルションを安定化するために1–2体積パーセントの界面活性剤が添加されました。

燃焼の基礎

燃料の燃焼によって、熱エネルギーと機械エネルギーが発生します。機械エネルギーの部分は、推進や発電のためにピストンやタービンを駆動するのに利用できます。ほとんどのエンジンでは、熱エネルギーは利用されません。その結果、熱力学的効率が低くなります。

約90%という割合は、NO_x のうち燃料の燃焼過程で生じるものに占めるNOの割合です。NOは主に、大気中の窒素（N₂）の酸化によって生成されます。燃料に添加された水は、蒸発によって燃焼温度を下げます。燃料／水エマルション中の水が蒸発すると、周囲の燃料も気化します。これにより、燃料の表面積が増加します。温度の低下と燃料分布の改善によって、次の物質の生成量が減少します： NO_x.

超音波乳化

多くの研究により、燃料の燃焼に水を導入すると、 NO_x 排出量が低減することが示されています。水は、次の二通りの方法で燃料／水エマルションを形成することにより添加できます：

• 未安定化： 噴射前に、インラインで水を燃料中に乳化する
• 安定化： 既存の燃料をそのまま置き換えられる代替燃料として使用するため、安定した燃料／水エマルションを製造する

Canfield（1999） は、水やその他の添加剤の使用によるNO_x 低減について、次のようにまとめています：

• 未安定化エマルション
  • 水の添加量（体積%）：10–80%
  • NO_x 低減率： 4–60%
• 安定化エマルション
  • 水の添加量（体積%）：25–50%
  • NO_x 低減率： 22–83%

エマルション

エマルションとは、一般に 互いに混ざり合わない液体 （相）、例えば油と水の混合物です。乳化の過程では、分散相（例えば水）を液相（例えば油）に導入します。 強いせん断を加えることによって、分散相の粒子径（＝液滴径）が小さくなります。粒子径が小さいほど、生成されるエマルションはより安定します。界面活性剤や安定剤を導入することで、安定性をさらに高めることができます。 上の図をクリックすると 、モーターオイル（Velocite 3、Mobil Oil、ドイツ・ハンブルク）中に10%の水を超音波で乳化した試験結果をご覧いただけます。この研究を実施したのは、 BehrendおよびSchubert（2000）です.

超音波

液体を高強度で超音波処理すると、液体媒体中を伝播する音波によって、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）のサイクルが交互に生じます。その繰り返しの速さは周波数によって決まります。低圧サイクルでは、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡や空洞を形成します。気泡が、それ以上エネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊します。この現象をキャビテーションと呼びます。この内向きの崩壊時には、局所的に非常に高い温度（約5,000K）と圧力（約2,000atm）に達します。キャビテーション気泡の内向きの崩壊によって、速度が最大280m/sに達する液体ジェットも生じます。

超音波は、 非常に均質なエマルション を油中水型（w/o）および水中油型（o/w）で生成できることが実証されています。これは、 キャビテーションによる強いせん断作用によるものです。超音波処理のパラメータは十分に制御できるため、粒子径と粒子径分布は、 適切に調整でき、再現性も確保できます。通常、超音波はフローセル反応器内で印加します。そのため、エマルションを インラインで連続的に製造できます。このような理由から、超音波処理は安定化エマルションと未安定化エマルションの製造に使用できます。

下の表は、さまざまな超音波出力における一般的な処理能力を示しています。

超音波脱ガスと消泡

超音波は、 気泡の量を減らす ことにも役立ちます。対象はエマルション混合物中の気泡です。右の写真は、気泡含有量に対する超音波処理の効果を示しています（左から右へ5秒ごとの経過画像）。気泡含有量の変化は噴射タイミングの変動を引き起こすため、超音波処理による 脱ガス、脱気、消泡 は、エンジンの性能を向上させます。

超音波プロセス装置

Hielscherは、 高処理能力の超音波装置を供給する世界有数の企業です。Hielscherは、単一装置当たり最大 16kW の出力を持つ超音波プロセッサーを製造しているため、 プラントの規模に制限はなく 、処理能力にも制限はありません。複数の16kWシステムを組み合わせた装置群が、既存の燃料をそのまま置き換えられる燃料の大量製造に使用されています。 工業規模の燃料処理 には、多くの超音波エネルギーは必要ありません。実際のエネルギー所要量は、ベンチトップ規模で1kWの超音波プロセッサーを使用して求めることができます。このようなベンチトップ試験で得られた結果はすべて、 容易にスケールアップできます.

超音波処理のコスト

超音波処理は、効果的な処理技術です。超音波処理のコストは、主に超音波装置への投資、
ユーティリティ費用、保守費用から生じます。優れた エネルギー効率 （ 図を参照）を備えたHielscherの超音波装置は、ユーティリティ費用の削減に役立ちます。

参考文献

Behrend, O., Schubert, H. (2000)：超音波による乳化に及ぼす連続相の粘度の影響、掲載誌：Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85。

Canfield, A., C. (1999)：ディーゼル／水エマルションの燃焼がディーゼルエンジンのNO_x 排出に及ぼす影響、フロリダ大学大学院に提出された修士論文、1999。