Augstākas kvalitātes nanodegvielas, izmantojot ultraskaņas disperģēšanu
Nanodegvielu izstrāde sākas ar efektīvu disperģēšanu. Dīzeļdegvielai, biodīzeļdegvielai vai degvielu maisījumiem pievienotās nanodaļiņas var ietekmēt sadegšanu, taču to iedarbība ir atkarīga no tā, cik vienmērīgi tās ir sadalītas visā šķidrumā. Aglomerācija un sedimentācija apgrūtina nemainīgas piedevu koncentrācijas uzturēšanu un reproducējamu rezultātu iegūšanu. Ultraskaņas disperģēšana risina šo problēmu, sašķeļot daļiņu sakopojumus un izkliedējot nanopiedevas visā degvielas tilpumā.
Nanodegvielas
Nanodegvielas ir bāzes degvielas (piemēram, dīzeļdegvielas, biodīzeļdegvielas, degvielu maisījumu) un nanodaļiņu maisījumi. Šīs nanodaļiņas darbojas kā hibrīdi nanokatalizatori ar lielu reaģētspējīgās virsmas laukumu. Nanopiedevas disperģēšana ar ultraskaņu būtiski uzlabo degvielas darbības raksturlielumus, piemēram, samazina aizdegšanās aizkavi, pagarina liesmas uzturēšanos un nodrošina aglomerātu aizdegšanos, kā arī ievērojami samazina kopējās emisijas.
Degvielas un nanodaļiņu maisījumi darbības raksturlielumu ziņā pārspēj tīru šķidro degvielu, nodrošinot lielāku enerģijas blīvumu, ātrāku un vieglāku aizdegšanos, pastiprinātu katalītisko iedarbību, samazinātas emisijas, ātrāku iztvaikošanu un degšanu un uzlabotu sadegšanas efektivitāti.
Izmantojiet apstrādi ar ultraskaņu, lai disperģētu daļiņas degvielās nanomērogā!
Sazinieties ar mūsu komandu, lai izpētītu ultraskaņas disperģēšanas iespējas jūsu degvielas un nanodaļiņu kombinācijai.
7kW ultraskaņas plūsmas sistēma
Nanodegvielas: nanodaļiņu disperģēšana degvielā ar ultraskaņu
Lai novērstu nanodaļiņu nosēšanos degvielas tvertnē, daļiņas ir rūpīgi jādisperģē. Ultraskaņas disperģēšana palīdz iestrādāt nanodaļiņas, piemēram, cērija oksīdu, alumīnija oksīdu un oglekļa nanocaurulītes, dīzeļdegvielā, biodīzeļdegvielā un degvielu maisījumos.
Akustiskās kavitācijas – mikroskopisku burbuļu veidošanās un sabrukšanas – rezultātā apstrāde ar ultraskaņu rada intensīvus lokālus bīdes spēkus, kas sašķeļ daļiņu aglomerātus un izkliedē piedevas visā šķidrumā. Tādējādi lielāka daļiņu virsmas daļa nonāk saskarē ar apkārtējo degvielu, ļaujot novērtēt katalītiskos un ar sadegšanu saistītos ieguvumus.
Ultraskaņa nodrošina disperģējošu iedarbību tieši šķidrumā bez pievienotām malšanas lodītēm, novēršot nepieciešamību pēc tam atdalīt malšanas vidi. Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas nodrošina gan porciju sagatavošanu, gan nepārtrauktu apstrādi plūsmas līnijā, tāpēc šī metode ir noderīga gan laboratorijas pētījumos, gan rūpnieciskajā ražošanā.
Tālāk sniegtais saraksts sniedz pārskatu par jau pārbaudītiem degvielās disperģētiem nanomateriāliem:
- CNTs – oglekļa nanocaurulītes
- Ag – sudrabs
- Al – alumīnijs
- Al2O3 – alumīnija oksīds
- AlCuOx – alumīnija un vara oksīdi
- B – bors
- Ca – kalcijs
- CaCO3 – kalcija karbonāts
- Fe – dzelzs
- Cu – varš
- CuO – vara oksīds
- Ce – cērijs
- CeO2 – cērija oksīds
- (CeO2)·(ZrO2) – cērija un cirkonija oksīds
- Co – kobalts
- Mg – magnijs
- Mn – mangāns
- TiO2 – titāna dioksīds
- ZnO – cinka oksīds
Nanomēroga cērija oksīds, kas ar ultraskaņu izkliedēts monodispersi, nodrošina augstu katalītisko aktivitāti, pateicoties lielajai virsmas laukuma un tilpuma attiecībai, tādējādi uzlabojot degvielas izmantošanas efektivitāti un samazinot emisijas.
Ūdens un degvielas emulsijas: nanomēroga emulsijdegvielas, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu
Ūdens un degvielas emulsijas ir ūdens emulsijas degvielā, kurās sīki ūdens pilieni ir izkliedēti nepārtrauktā degvielas fāzē, piemēram, dīzeļdegvielā. Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas rada intensīvu akustisko kavitāciju, kas sadala lielākus pilienus mazākos, ļaujot izstrādāt emulsijas ar nanomēroga pilieniem piemērotos sastāva un apstrādes apstākļos. Regulējama ultraskaņas amplitūda, kontrolēta enerģijas ievade un temperatūras pārvaldība palīdz optimizēt pilienu izmēru un reproducējamību, savukārt saderīgi emulgatori palīdz nodrošināt stabilitāti uzglabāšanas un turpmāko darbību laikā.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ūdens un degvielas emulsijām, kas sagatavotas ar ultraskaņu!
Degvielu sajaukšana ar ultraskaņu
Ultraskaņas emulģēšanas tehnoloģiju izmanto, lai iegūtu stabilus etanola maisījumus dekānā, etanola maisījumus dīzeļdegvielā vai dīzeļdegvielas–biodīzeļdegvielas–etanola/bioetanola maisījumus. Šādi maisījumi ir ideāla bāzes degviela, kuru otrajā posmā var uzlabot, degvielā disperģējot nanodaļiņas.
Emulsiju degvielu ražošana ar ultraskaņu
Rūpnieciskās ultraskaņas apstrādes iekārtas nanodegvielu disperģēšanai un emulģēšanai
Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas apvieno efektīvu nanodaļiņu deaglomerāciju ar precīzu procesa kontroli nanodegvielu izstrādei un ražošanai. Intensīva ultraskaņas kavitācija palīdz sašķelt daļiņu sakopojumus un izkliedēt tādas piedevas kā metālu oksīdi un oglekļa nanocaurulītes visā dīzeļdegvielas, biodīzeļdegvielas un degvielu maisījumu tilpumā. Regulējama amplitūda un pievadītās enerģijas un temperatūras uzraudzība veicina reproducējamu apstrādi un formulējuma optimizāciju. Piedāvājot laboratorijas instrumentus un rūpnieciskās sistēmas, kas konfigurētas porciju apstrādei vai nepārtrauktai caurplūdes darbībai, Hielscher nodrošina praktisku ceļu no sākotnējiem izmēģinājumiem līdz lielākiem ražošanas apjomiem. Automātiska procesa datu reģistrēšana digitālajos rūpnieciskajos modeļos palīdz komandām dokumentēt nosacījumus, kuros sasniegti sekmīgi rezultāti, un saglabāt nemainīgu apstrādi, palielinoties ražīgumam.
Mēroga palielināšana un uzticama ražošana
Kad formulējums atbilst noteiktajiem kvalitātes mērķiem, caurplūdes apstrāde ar ultraskaņu nodrošina iespēju palielināt ražošanas apjomus. Degviela plūst caur ultraskaņas apstrādes zonu kontrolētos darbības apstākļos, un atbilstoši nepieciešamajam rezultātam tiek izvēlēta vienreizēja caurplūdes apstrāde vai apstrāde ar recirkulāciju. Iekārtas izvēlei norādiet bāzes degvielu, piedevas veidu un koncentrāciju, vēlamo dispersijas kvalitāti, nepieciešamo ražīgumu un darba temperatūru. Šī informācija ļauj Hielscher ieteikt procesoru, sonotrodi un plūsmas šūnas konfigurāciju procesa izmēģinājumiem un turpmākai mēroga palielināšanai.
Hielscher piedāvā izmaksu ziņā efektīvus, īpaši izturīgus ultraskaņas procesorus, kas aizņem maz vietas un ir paredzēti uzstādīšanai ražotnēs ar ierobežotu platību un prasīgiem vides apstākļiem.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:
| Porcijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamā ultraskaņas apstrādes iekārta |
|---|---|---|
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | lielāks | iekārtu grupa ar UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Plūsmas šūnas ieliktnis izcilām nanoemulsijām
Bieži uzdotie jautājumi par nanodegvielas ražošanu ar ultraskaņu
Kas ir nanodegvielas
Nanodegvielas ir degvielas un nanodaļiņu maisījumi. Disperģējot degvielā nanoenerģētiskas daļiņas, degvielas fizikāli ķīmiskās īpašības mainās šo daļiņu funkcionalitātes, to dispersās struktūras un siltuma pārneses, šķidruma plūsmas un daļiņu mijiedarbības sarežģītās kopiedarbības dēļ. Neviendabīgā sastāva dēļ nanodegvielas īpašības nosaka bāzes degvielas veids, kā arī nanodaļiņu sastāvs, izmērs, forma, koncentrācija un fizikālās un ķīmiskās īpašības. Nanodegvielas īpašības var būtiski atšķirties no bāzes degvielas īpašībām.
Kā dīzeļdegvielu izmanto par degvielu?
Dīzeļdegviela ir šķidra degviela, ko sadedzina dīzeļdzinējos. Dīzeļdzinējos degviela aizdegas bez dzirksteles, saspiežot ieplūstošā gaisa maisījumu un pēc tam iesmidzinot dīzeļdegvielu.
Parastā dīzeļdegviela ir noteikts naftas kurināmās eļļas frakcionētas destilācijas produkts. Plašākā nozīmē termins dīzeļdegviela attiecas arī uz degvielām, kas nav iegūtas no naftas, piemēram, biodīzeļdegvielu, no biomasas iegūtu šķidro dīzeļdegvielu (BTL), no gāzes iegūtu šķidro dīzeļdegvielu (GTL) vai no oglēm iegūtu šķidro dīzeļdegvielu (CTL). BTL, GTL un CTL ir tā sauktās sintētiskās dīzeļdegvielas, kuras var iegūt no jebkura oglekli saturoša materiāla (piemēram, biomasas, biogāzes, dabasgāzes, oglēm utt.). Pēc izejvielas gazifikācijas, iegūstot sintēzes gāzi, un tai sekojošas attīrīšanas sintēzes gāzi Fišera–Tropša reakcijā pārvērš sintētiskajā dīzeļdegvielā. Dīzeļdegviela ar īpaši zemu sēra saturu (ULSD) ir dīzeļdegvielas standarts, kas paredz ievērojami samazinātu sēra saturu.
Kas ir biodīzeļdegviela?
Biodīzeļdegviela ir atjaunojama degviela, ko ražo no augu eļļām, dzīvnieku taukiem vai pārstrādātiem taukiem. Biodīzeļdegvielu var izmantot ar dīzeļdzinējiem aprīkotu transportlīdzekļu un ģeneratoru darbināšanai. Tās fizikālās īpašības ir līdzīgas no naftas iegūtas dīzeļdegvielas īpašībām, taču tā sadeg tīrāk. Biodīzeļdegviela samazina nesadegušo ogļūdeņražu (UHC), oglekļa dioksīda (CO2), oglekļa monoksīda (CO), sēra oksīdu un kvēpu daļiņu emisijas, salīdzinot ar emisijām, kas rodas, sadedzinot parasto dīzeļdegvielu. Slāpekļa oksīdu (NOx) emisijas biodīzeļdegvielai var būt lielākas nekā dīzeļdegvielai. Tomēr tās var samazināt, optimizējot degvielas iesmidzināšanas laiku.
Pāresterificēšana ar ultraskaņu ievērojami uzlabo biodīzeļdegvielas ražošanu. Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par biodīzeļdegvielas ražošanu ar ultraskaņu!
Vai etanolu var izmantot kā degvielu?
Jā, etanolu – etilspirtu (C₂H5OH) – var izmantot kā degvielu. Etanola degvielas galvenokārt izmanto kā motordegvielas – pārsvarā kā biodegvielas piedevu benzīnā. Mūsdienās automobiļus var darbināt ar 100% etanola degvielu vai tā sauktajām elastīgā sastāva degvielām, kas ir etanola un benzīna maisījumi. Etanolu parasti ražo, fermentējot biomasu, piemēram, kukurūzu vai cukurniedres. Tā kā etanola degvielu iegūst no atjaunojamas, ilgtspējīgas biomasas, to bieži sauc par bioetanolu. Lieljaudas ultraskaņa var būtiski uzlabot bioetanola ražošanu. Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par bioetanola ražošanu ar ultraskaņu!
Etanols ir skābekli saturošā piedeva E-dīzeļdegvielā. E-dīzeļdegvielas galvenais trūkums ir etanola nesajaucamība ar dīzeļdegvielu plašā temperatūru diapazonā. Tomēr biodīzeļdegvielu var veiksmīgi izmantot kā amfifilu virsmaktīvo vielu etanola un dīzeļdegvielas maisījuma stabilizēšanai. Etanola–biodīzeļdegvielas–dīzeļdegvielas maisījumu (EB-dīzeļdegvielu) ar ultraskaņu var pārvērst mikroemulsijā vai nanoemulsijā, lai EB-dīzeļdegviela būtu stabila pat temperatūrā zem nulles un tai būtu labākas degvielas īpašības nekā parastajai dīzeļdegvielai.
Kā darbojas ultraskaņas dispersija nanodegvielas ražošanā?
Ultraskaņas dispersijā izmanto akustisko kavitāciju, lai sašķeltu daļiņu aglomerātus degvielā. Veidojas un sabrūk mikroskopiski burbuļi, radot lokālus bīdes spēkus un šķidruma strūklas, kas atdala kopās sakļāvušās daļiņas. Šis process palīdz izkliedēt nanopiedevas visā šķidrumā un veicina reproducējamu degvielas sastāvu izstrādi.
Kādas nanodaļiņas var disperģēt degvielās, izmantojot ultraskaņu?
Degvielu sastāvos pētītie materiāli ietver cērija oksīdu (CeO₂), alumīnija oksīdu (Al₂O₃), titāna dioksīdu (TiO₂), cinka oksīdu (ZnO) un oglekļa nanocaurulītes (CNTs). Piemērotā piedeva ir atkarīga no bāzes degvielas un paredzētā veiktspējas mērķa. Katra kombinācija ir jātestē, lai noteiktu piemērotas koncentrācijas, apstrādes apstākļus un stabilitāti.
Kāda ir atšķirība starp nanodegvielas dispersiju un degvielas nanoemulsiju?
Nanodaļiņu dispersija satur cietas daļiņas, kas izkliedētas šķidrā degvielā. Degvielas nanoemulsija satur ļoti sīkus viena šķidruma pilienus, kas disperģēti citā šķidrumā, piemēram, ūdens pilienus dīzeļdegvielā. Ultraskaņa var veicināt abus procesus. Sastāviem, kas satur nanodaļiņas un disperģētus šķidruma pilienus, jānovērtē gan daļiņu stabilitāte, gan emulsijas stabilitāte.
Vai ultraskaņas dispersija novērš nanodaļiņu nosēšanos?
Apstrāde ar ultraskaņu var samazināt aglomerāciju un uzlabot sākotnējo daļiņu izkliedi, taču ilgstoša stabilitāte ir atkarīga arī no sastāva. Daļiņu īpašības, piedevas koncentrācija, degvielas sastāvs un saderīgi disperģētāji ietekmē to, vai daļiņas saglabājas suspendētā stāvoklī. Uzglabāšanas testos jānosaka, cik ilgi gatavā nanodegviela paredzētajos apstākļos saglabā pieņemamu daļiņu izkliedi.
Kuri apstrādes ar ultraskaņu parametri ir vissvarīgākie?
Galvenie parametri ir amplitūda, pievadītā enerģija, apstrādes ilgums un temperatūra. Caurplūdes apstrādē nozīme ir arī plūsmas ātrumam un spiedienam reaktorā. Šie iestatījumi būtu jāizvērtē kopā ar formulējumu. To apstākļu dokumentēšana, kuros iegūst vēlamo dispersiju, palīdz izveidot atkārtojamu apstrādes procesu un sekmē turpmāku mēroga palielināšanu.
Vai nanodegvielas ražošanu ar ultraskaņu var pārnest no laboratorijas mēroga uz nepārtrauktu apstrādi?
Jā. Laboratorijas izmēģinājumos var noteikt formulējumu un apstrādes apstākļus pirms to izvērtēšanas ultraskaņas plūsmas šūnā. Nepārtrauktas darbības laikā degviela plūst caur kontrolētu apstrādes zonu. Palielinot mērogu, būtu jāapstiprina, ka lielākā sistēma nodrošina nepieciešamo dispersijas kvalitāti un stabilitāti pie paredzētā ražīguma.
Kā izvēlēties Hielscher ultraskaņas dispergatoru nanodegvielām?
Sāciet ar pamatdegvielu, nanodaļiņu veidu un koncentrāciju, nepieciešamo partijas tilpumu vai plūsmas ātrumu un vēlamo dispersijas kvalitāti. Norādiet arī darba temperatūru un paredzēto uzglabāšanas laiku. Šī informācija palīdz mums ieteikt ideālo ultraskaņas apstrādes ierīces, sonotrodes un plūsmas šūnas konfigurāciju lietojuma izmēģinājumiem un ražošanas plānošanai.
Literatūra / Atsauces
- 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.