Redução de NOx por emulsificação de óleo/água

Os óxidos de azoto (NO_x) são reconhecidamente perigosos de forma imediata para a saúde humana e ambiental. Os motores móveis e estacionários a gasóleo e a gasolina contribuem em grande medida para as emissões mundiais de NO_x . A emulsificação do combustível com água é uma forma de reduzir as emissões de NO_x dos motores. A emulsificação ultrassónica é um meio eficaz de produzir emulsões de combustível/água com gotículas de pequenas dimensões.

Os automóveis e camiões, as aeronaves, os geradores elétricos, os empilhadores, as unidades de ar condicionado e as caldeiras geram grandes quantidades de partículas em suspensão (PM) e NO_x através da combustão de produtos petrolíferos. NO_x designa misturas de monóxido de azoto (NO) e dióxido de azoto (NO₂) bem como N₂O, NO₃, N₂O₄ e N₂O₅. O monóxido de azoto e o dióxido de azoto contribuem para a formação de ozono junto ao solo e de smog e são perigosos para o ambiente e para os seres humanos. A regulamentação ambiental aborda as emissões de poluentes atmosféricos através do aperto dos limites. As emissões dos motores também incluem dióxido de enxofre (SO₂) devido aos compostos de enxofre presentes no combustível. Este problema é reduzido pela hidrodessulfurização ou pela dessulfurização assistida por ultrassons.

Funcionamento com emulsão de combustível/água

Nos últimos anos, têm sido realizados muitos trabalhos sobre a influência da água nos níveis de emissões de NO_x . Foram testadas várias proporções volumétricas de combustível:água, de 1:1 a 19:1, quanto às propriedades de combustão. Na maioria dos casos, adicionou-se 1 a 2 por cento em volume de tensioativo para estabilizar a emulsão.

Fundamentos da combustão

A combustão do combustível gera energia térmica e mecânica. A fração mecânica pode ser utilizada para acionar pistões ou turbinas para propulsão ou produção de eletricidade. Na maioria dos motores, a energia térmica não é utilizada. Isto resulta numa menor eficiência termodinâmica.

Aproximadamente 90% dos NO_x resultantes do processo de combustão do combustível são NO. O NO forma-se principalmente pela oxidação do azoto atmosférico (N₂). A água adicionada ao combustível reduz a temperatura de combustão devido à evaporação da água. Quando a água na emulsão de combustível/água evapora, o combustível circundante também é vaporizado. Isto aumenta a área superficial do combustível. A temperatura mais baixa e a melhor distribuição do combustível conduzem a uma menor formação de NO_x.

Emulsificação ultrassónica

Muitos trabalhos demonstraram que a introdução de água na combustão do combustível reduz o NO_x nas emissões. A água pode ser adicionada através da formação de uma emulsão de combustível/água de duas formas:

• não estabilizada: emulsificação em linha de água no combustível antes da injeção
• estabilizada: produção de uma emulsão estável de combustível/água para utilização como combustível alternativo de substituição direta

Canfield (1999) resume a redução de NO_x através da utilização de água e de outros aditivos:

• emulsão não estabilizada
  • água adicionada, % em volume: 10 a 80%
  • NO_x – redução de: 4 a 60%
• emulsão estabilizada
  • água adicionada, % em volume: 25 a 50%
  • NO_x – redução de: 22 a 83%

Emulsão

Uma emulsão é uma mistura de líquidos geralmente imiscíveis (fases), como óleo e água. Durante o processo de emulsificação, a fase dispersa (por exemplo, água) é introduzida na fase líquida (por exemplo, óleo). Através da aplicação de elevado cisalhamento, o tamanho das partículas (= tamanho das gotículas) da fase dispersa é reduzido. Quanto menor for o tamanho das partículas, mais estável será a emulsão produzida. Pode obter-se estabilidade adicional através da introdução de tensioativos ou estabilizantes. Clique no gráfico acima para ver exemplos de resultados da emulsificação ultrassónica de 10% de água em óleo de motor (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburgo, Alemanha). Este estudo foi realizado por Behrend e Schubert (2000).

Ultrassons

Ao submeter líquidos a sonicação de alta intensidade, as ondas sonoras que se propagam nos meios líquidos originam ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), a ritmos que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou cavidades no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual já não conseguem absorver energia, colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno é denominado cavitação. Durante a implosão, atingem-se localmente temperaturas muito elevadas (aproximadamente 5 000K) e pressões muito elevadas (aproximadamente 2 000atm). A implosão da bolha de cavitação também origina jatos de líquido com velocidades de até 280m/s.

Está comprovado que os ultrassons produzem emulsões muito homogéneas de água em óleo (w/o) e de óleo em água (o/w) através do elevado cisalhamento causado pela cavitação. Como os parâmetros da sonicação são bem controláveis, o tamanho e a distribuição das partículas são facilmente ajustáveis e repetíveis. Normalmente, os ultrassons são aplicados num reator com célula de fluxo. Assim, a emulsão pode ser produzida continuamente em linha. Por este motivo, a sonicação pode ser utilizada para produzir emulsões estabilizadas e não estabilizadas.

A tabela abaixo apresenta as capacidades gerais de processamento para vários níveis de potência ultrassónica.

Desgaseificação e eliminação de espuma por ultrassons

Os ultrassons também ajudam a reduzir a quantidade de bolhas de ar na mistura da emulsão. A imagem à direita mostra o efeito da sonicação no conteúdo de bolhas (imagens da evolução em intervalos de 5sec., da esquerda para a direita). Como as variações no conteúdo de bolhas provocam flutuações no momento da injeção, a desgaseificação, desarejamento e eliminação de espuma por sonicação melhoram o desempenho do motor.

Equipamento ultrassónico de processo

A Hielscher é o principal fornecedor de dispositivos ultrassónicos de elevada capacidade a nível mundial. Como a Hielscher fabrica processadores ultrassónicos com até 16kW de potência por dispositivo individual, não há limite para a dimensão da instalação nem para a capacidade de processamento. São utilizados conjuntos de vários sistemas de 16kW para produzir grandes volumes de combustíveis de substituição direta. O processamento industrial de combustíveis não necessita de muita energia ultrassónica. A necessidade real de energia pode ser determinada utilizando um processador ultrassónico de 1kW à escala de bancada. Todos os resultados destes ensaios de bancada podem ser facilmente transpostos para uma escala maior.

Custos da sonicação

A sonicação é uma tecnologia de processamento eficaz. Os custos do processamento ultrassónico resultam principalmente do investimento
em dispositivos ultrassónicos, dos custos dos serviços de utilidade e da manutenção. A excecional eficiência energética (ver gráfico) dos dispositivos ultrassónicos Hielscher ajuda a reduzir os custos dos serviços de utilidade.

Bibliografia

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influência da viscosidade da fase contínua na emulsificação por ultrassons, em: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Efeitos da combustão de emulsões de gasóleo/água nas emissões de NO_x de motores a gasóleo, em: Dissertação de mestrado apresentada à escola de pós-graduação da University of Florida, 1999.