Superieure nanobrandstoffen door ultrasone dispersie
De ontwikkeling van nanobrandstoffen begint met effectieve dispersie. Nanodeeltjes die aan diesel, biodiesel of brandstofmengsels worden toegevoegd, kunnen de verbranding beïnvloeden, maar hun prestaties hangen af van hoe goed ze door de vloeistof zijn verdeeld. Agglomeratie en sedimentatie maken het moeilijker om een constante additiefconcentratie te handhaven en reproduceerbare resultaten te verkrijgen. Ultrasone dispersie pakt dit probleem aan door deeltjesclusters uiteen te breken en nanoadditieven door de brandstof te verdelen.
Nanobrandstoffen
Nanobrandstoffen bestaan uit een mengsel van een basisbrandstof (bijv. diesel, biodiesel, brandstofmengsels) en nanodeeltjes. Deze nanodeeltjes werken als hybride nanokatalysatoren, die een groot reactief oppervlak bieden. De ultrasone dispersie van het nanoadditief leidt tot aanzienlijk betere brandstofprestaties, zoals een kortere ontstekingsvertraging, een langer aanhoudende vlam en ontsteking van agglomeraten, evenals aanzienlijke algehele emissiereducties.
Mengsels van brandstof en deeltjes op nanoschaal presteren beter dan zuivere vloeibare brandstof dankzij een hogere energiedichtheid, snellere en gemakkelijkere ontsteking, een sterker katalytisch effect, lagere emissies, snellere verdamping en verbranding en een verbeterde verbrandingsefficiëntie.
Gebruik sonicatie om deeltjes op nanoschaal in brandstoffen te dispergeren!
Neem contact op met ons team om de mogelijkheden van ultrasone dispersie voor uw combinatie van brandstof en nanodeeltjes te verkennen.
Ultrasoon doorstroomsysteem van 7kW
Nanobrandstoffen: ultrasone dispersie van nanodeeltjes in brandstof
Om te voorkomen dat nanodeeltjes in de brandstoftank bezinken, moeten de deeltjes op een geavanceerde manier worden gedispergeerd. Ultrasone dispersie helpt nanodeeltjes zoals ceriumoxide, aluminiumoxide en koolstofnanobuisjes in diesel, biodiesel en brandstofmengsels op te nemen.
Door akoestische cavitatie – de vorming en implosie van microscopische belletjes – genereert sonicatie intense lokale afschuifkrachten die deeltjesagglomeraten uiteenbreken en de additieven door de vloeistof verdelen. Hierdoor wordt meer deeltjesoppervlak blootgesteld aan de omringende brandstof, wat de beoordeling van katalytische en verbrandingsgerelateerde voordelen ondersteunt.
Ultrasoon geluid oefent zijn dispergerende werking rechtstreeks in de vloeistof uit zonder toegevoegde maalparels, waardoor het niet nodig is om achteraf maalmedia af te scheiden. Sonicatoren van Hielscher ondersteunen zowel batchbereiding als continue inlineverwerking, waardoor de techniek bruikbaar is van laboratoriumonderzoek tot industriële productie.
De onderstaande lijst geeft u een overzicht van reeds geteste nanomaterialen die in brandstoffen zijn gedispergeerd:
- CNTs – koolstofnanobuisjes
- Ag – zilver
- Al – aluminium
- Al2O3 – aluminiumoxide
- AlCuOx – aluminium-koperoxiden
- B – boor
- Ca – calcium
- CaCO3 – calciumcarbonaat
- Fe – ijzer
- Cu – koper
- CuO – koperoxide
- Ce – cerium
- CeO2 – ceriumoxide
- (CeO2)·(ZrO2) – cerium-zirkoniumoxide
- Co – kobalt
- Mg – magnesium
- Mn – mangaan
- TiO2 – titaandioxide
- ZnO – zinkoxide
Ceriumoxide op nanoschaal dat ultrasoon monodispers is gemaakt, biedt een hoge katalytische activiteit dankzij de hoge verhouding tussen oppervlak en volume, wat leidt tot een verbeterde brandstofefficiëntie en lagere emissies.
Aquabrandstoffen: emulsiebrandstoffen met druppels op nanoschaal door sonicatie
Aquabrandstoffen zijn water-in-brandstofemulsies waarin fijne waterdruppeltjes door een continue brandstoffase, zoals diesel, zijn verdeeld. Sonicatoren van Hielscher genereren intense akoestische cavitatie die grotere druppels in kleinere uiteenbreekt, waardoor onder geschikte formulerings- en verwerkingsomstandigheden emulsies met druppels op nanoschaal kunnen worden ontwikkeld. Een instelbare ultrasone amplitude, gecontroleerde energietoevoer en temperatuurbeheersing helpen de druppelgrootte en reproduceerbaarheid te optimaliseren, terwijl compatibele emulgatoren de stabiliteit tijdens opslag en hantering ondersteunen.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon bereide aquabrandstoffen!
Ultrasoon mengen van brandstoffen
Ultrasone emulgeertechnologie wordt gebruikt om stabiele ethanol-in-decaanmengsels, ethanol-in-dieselmengsels of diesel–biodiesel–ethanol/bioethanolmengsels te produceren. Dergelijke mengsels vormen een ideale basisbrandstof, die in een tweede stap kan worden verbeterd door nanodeeltjes in de brandstof te dispergeren.
Ultrasone productie van emulsiebrandstoffen
Industriële sonicatoren voor het dispergeren en emulgeren van nanobrandstoffen
Sonicatoren van Hielscher combineren effectieve deagglomeratie van nanodeeltjes met nauwkeurige procesregeling voor de ontwikkeling en productie van nanobrandstoffen. Intense ultrasone cavitatie helpt deeltjesclusters uiteen te breken en additieven zoals metaaloxiden en koolstofnanobuisjes door diesel, biodiesel en brandstofmengsels te verdelen. Een instelbare amplitude en bewaking van de energietoevoer en temperatuur ondersteunen reproduceerbare verwerking en optimalisatie van de formulering. Met laboratoriuminstrumenten en industriële systemen die zijn geconfigureerd voor batchverwerking of continue doorstroomverwerking, biedt Hielscher een praktische route van eerste proeven naar hogere productievolumes. Automatische registratie van procesgegevens op digitale industriële modellen helpt teams succesvolle omstandigheden vast te leggen en een consistente verwerking te handhaven naarmate de verwerkingscapaciteit toeneemt.
Opschaling en betrouwbare productie
Zodra de formulering aan de kwaliteitsdoelstellingen voldoet, biedt sonicatie in doorstroom een route naar hogere productievolumes. De brandstof stroomt onder gecontroleerde bedrijfsomstandigheden door een ultrasone behandelingszone, waarbij afhankelijk van het vereiste resultaat wordt gekozen voor verwerking in één doorgang of met recirculatie. Geef voor de keuze van apparatuur de basisbrandstof, het type additief en de concentratie, de gewenste dispersiekwaliteit, de vereiste verwerkingscapaciteit en de bedrijfstemperatuur op. Met deze gegevens kan Hielscher een processor, sonotrode en configuratie van de doorstroomcel aanbevelen voor procesproeven en daaropvolgende opschaling.
Hielscher biedt kosteneffectieve, zeer robuuste ultrasone processoren met een klein vloeroppervlak voor installatie in fabrieken met beperkte ruimte en veeleisende omgevingen.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen sonicator |
|---|---|---|
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 tot 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | groter | cluster van UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Inzetstuk voor een doorstroomcel voor superieure nano-emulsies
Veelgestelde vragen over ultrasone productie van nanobrandstoffen
Wat zijn nanobrandstoffen
Nanobrandstoffen zijn mengsels van brandstof en nanodeeltjes. Door nano-energetische deeltjes in de brandstof te dispergeren, veranderen de fysisch-chemische eigenschappen van de brandstof door de functionaliteit van de deeltjes, hun dispersiestructuur en het complexe samenspel van warmteoverdracht, vloeistofstroming en deeltjesinteracties. Door de heterogene samenstelling worden de eigenschappen van nanobrandstoffen bepaald door het type basisbrandstof en door de samenstelling, grootte, vorm, concentratie en fysische en chemische eigenschappen van de nanodeeltjes. De eigenschappen van de nanobrandstof kunnen aanzienlijk verschillen van die van de basisbrandstof.
Hoe wordt diesel als brandstof gebruikt?
Diesel is een vloeibare brandstof die in dieselmotoren wordt verbrand. In dieselmotoren wordt de brandstof zonder vonk ontstoken door het inlaatluchtmengsel te comprimeren en vervolgens de dieselbrandstof in te spuiten.
Conventionele dieselbrandstof is een specifiek fractioneel destillaat van stookolie uit aardolie. In ruimere zin verwijst de term diesel ook naar brandstoffen die niet uit aardolie worden gewonnen, bijv. biodiesel, biomass-to-liquid (BTL), gas-to-liquid (GTL) of coal-to-liquid (CTL) diesel. BTL, GTL en CTL zijn zogenoemde synthetische dieselbrandstoffen, die uit elk koolstofhoudend materiaal kunnen worden gewonnen (bijv. biomassa, biogas, aardgas, steenkool enz.). Na vergassing van de grondstof tot synthesegas, gevolgd door zuivering, wordt dit via de Fischer–Tropsch-reactie omgezet in synthetische diesel. Diesel met een ultralaag zwavelgehalte (ULSD) is een norm voor dieselbrandstof met een aanzienlijk verlaagd zwavelgehalte.
Wat is biodiesel?
Biodiesel is een hernieuwbare brandstof die wordt geproduceerd uit plantaardige oliën, dierlijke vetten of gerecyclede vetten. Biodiesel kan worden gebruikt om dieselvoertuigen en generatoren aan te drijven. De fysische eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van diesel uit aardolie, hoewel biodiesel schoner verbrandt. Biodiesel vermindert de uitstoot van onverbrande koolwaterstoffen (UHC), koolstofdioxide (CO2), koolstofmonoxide (CO), zwaveloxiden en roetdeeltjes – vergeleken met de uitstoot bij de verbranding van conventionele diesel. De uitstoot van stikstofoxiden (NOx) kan bij biodiesel hoger zijn (in vergelijking met diesel). Deze kan echter worden verminderd door het tijdstip van brandstofinspuiting te optimaliseren.
De productie van biodiesel wordt sterk verbeterd door ultrasone transesterificatie. Klik hier voor meer informatie over ultrasone biodieselproductie!
Kan ethanol als brandstof worden gebruikt?
Ja, ethanol – ethylalcohol (C₂H5OH) – kan als brandstof worden gebruikt. Ethanolbrandstoffen worden voornamelijk gebruikt als motorbrandstof – vooral als biobrandstofadditief in benzine. Tegenwoordig kunnen auto’s rijden op 100% ethanolbrandstof of op zogenoemde flexfuels, die een mengsel van ethanol en benzine zijn. Ethanol wordt doorgaans geproduceerd door fermentatie van biomassa, bijv. maïs of suikerriet. Omdat ethanolbrandstof wordt gewonnen uit hernieuwbare, duurzame biomassa, wordt deze vaak bio-ethanol genoemd. Krachtig ultrasoon geluid kan de productie van bio-ethanol aanzienlijk verbeteren. Klik hier voor meer informatie over ultrasone bio-ethanolproductie!
Ethanol is de zuurstofhoudende component in E-diesel. Het grootste nadeel van E-diesel is dat ethanol en diesel over een breed temperatuurbereik niet mengbaar zijn. Biodiesel kan echter met succes worden gebruikt als amfifiele oppervlakteactieve stof om ethanol en diesel te stabiliseren. Ethanol–biodiesel–dieselbrandstof (EB-diesel) kan ultrasoon tot een micro- of nano-emulsie worden gemengd, zodat de EB-diesel stabiel is – zelfs bij temperaturen onder nul – en superieure brandstofeigenschappen biedt ten opzichte van gewone dieselbrandstof.
Hoe werkt ultrasone dispersie bij de productie van nanobrandstoffen?
Ultrasone dispersie gebruikt akoestische cavitatie om deeltjesagglomeraten in de brandstof uiteen te breken. Microscopische belletjes ontstaan en imploderen, waardoor lokale afschuifkrachten en vloeistofstralen worden gegenereerd die samengeclusterde deeltjes van elkaar scheiden. Dit proces helpt nanoadditieven door de vloeistof te verdelen en ondersteunt reproduceerbare ontwikkeling van formuleringen.
Welke nanodeeltjes kunnen met ultrasoon geluid in brandstoffen worden gedispergeerd?
Materialen die in brandstofformuleringen zijn onderzocht, zijn onder meer ceriumoxide (CeO₂), aluminiumoxide (Al₂O₃), titaandioxide (TiO₂), zinkoxide (ZnO) en koolstofnanobuisjes (CNTs). Het geschikte additief hangt af van de basisbrandstof en de beoogde prestatiedoelstelling. Elke combinatie moet worden getest om geschikte concentraties, verwerkingsomstandigheden en stabiliteit vast te stellen.
Wat is het verschil tussen een nanobrandstofdispersie en een nano-emulsie van brandstof?
Een dispersie van nanodeeltjes bevat vaste deeltjes die in een vloeibare brandstof zijn verdeeld. Een nano-emulsie van brandstof bevat zeer kleine druppeltjes van de ene vloeistof die in een andere zijn gedispergeerd, zoals waterdruppeltjes in diesel. Ultrasoon geluid kan beide processen ondersteunen. Formuleringen met nanodeeltjes en gedispergeerde vloeistofdruppeltjes vereisen beoordeling van zowel de deeltjesstabiliteit als de emulsiestabiliteit.
Voorkomt ultrasone dispersie dat nanodeeltjes bezinken?
Ultrasone behandeling kan agglomeratie verminderen en de aanvankelijke verdeling van deeltjes verbeteren, maar langdurige stabiliteit hangt ook af van de formulering. Deeltjeseigenschappen, additiefconcentratie, brandstofsamenstelling en compatibele dispergeermiddelen beïnvloeden of deeltjes in suspensie blijven. Opslagtests moeten vaststellen hoelang de uiteindelijke nanobrandstof onder de beoogde omstandigheden een aanvaardbare deeltjesverdeling behoudt.
Welke parameters voor ultrasone verwerking zijn het belangrijkst?
Belangrijke parameters zijn amplitude, energietoevoer, behandelingsduur en temperatuur. Bij doorstroomverwerking zijn ook het debiet en de reactordruk van belang. Deze instellingen moeten samen met de formulering worden beoordeeld. Het vastleggen van de omstandigheden die de gewenste dispersie opleveren, helpt herhaalbare verwerking tot stand te brengen en ondersteunt daaropvolgende opschaling.
Kan ultrasone productie van nanobrandstoffen worden opgeschaald van het laboratorium naar continue verwerking?
Ja. Met laboratoriumproeven kunnen de formulering en verwerkingsomstandigheden worden vastgesteld voordat deze in een ultrasone doorstroomcel worden beoordeeld. Bij continue werking stroomt de brandstof door een gecontroleerde behandelingszone. Bij opschaling moet worden bevestigd dat het grotere systeem de vereiste dispersiekwaliteit en stabiliteit bij de beoogde verwerkingscapaciteit bereikt.
Hoe kies ik een ultrasoon dispergeerapparaat van Hielscher voor nanobrandstoffen?
Begin met de basisbrandstof, het type nanodeeltjes en de concentratie, het vereiste batchvolume of debiet en de gewenste dispersiekwaliteit. Vermeld ook de bedrijfstemperatuur en de beoogde opslagduur. Deze gegevens helpen ons de ideale sonicator, sonotrode en configuratie van de doorstroomcel aan te bevelen voor toepassingsproeven en productieplanning.
Literatuur / Referenties
- 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.