Nanocombustibili superiori prin dispersie ultrasonică
Dezvoltarea nanocombustibililor începe cu o dispersie eficientă. Nanoparticulele adăugate în motorină, biodiesel sau combustibili amestecați pot influența combustia, dar performanța lor depinde de cât de bine sunt distribuite în întregul lichid. Aglomerarea și sedimentarea fac mai dificilă menținerea unei concentrații constante a aditivului și obținerea unor rezultate reproductibile. Dispersia ultrasonică răspunde acestei provocări prin spargerea clusterelor de particule și distribuirea nanoaditivilor în întregul combustibil.
Nanocombustibili
Nanocombustibilii constau într-un amestec dintre un combustibil de bază (de ex. motorină, biodiesel, amestecuri de combustibili) și nanoparticule. Aceste nanoparticule acționează ca nanocatalizatori hibrizi, care oferă o suprafață reactivă mare. Dispersia ultrasonică a nanoaditivului are ca rezultat o îmbunătățire substanțială a performanței combustibilului, cum ar fi reducerea întârzierii la aprindere, menținerea mai îndelungată a flăcării și aprinderea aglomeratelor, precum și reduceri generale semnificative ale emisiilor.
Amestecurile de combustibil cu particule de dimensiuni nanometrice depășesc combustibilul lichid pur în ceea ce privește performanța combustibilului, prin densitate energetică mai mare, aprindere mai rapidă și mai ușoară, efect catalitic îmbunătățit, emisii reduse, viteză mai mare de evaporare și de ardere și eficiență de combustie îmbunătățită.
Utilizați sonicarea pentru nanodispersarea particulelor în combustibili!
Contactați echipa noastră pentru a explora dispersia ultrasonică pentru combinația dumneavoastră de combustibil și nanoparticule.
Sistem ultrasonic în flux de 7kW
Nanocombustibili: dispersia ultrasonică a nanoparticulelor în combustibil
Pentru a evita depunerea nanoparticulelor în rezervorul de combustibil, particulele trebuie dispersate într-un mod sofisticat. Dispersia ultrasonică ajută la încorporarea nanoparticulelor precum oxidul de ceriu, oxidul de aluminiu și nanotuburile de carbon în motorină, biodiesel și amestecuri de combustibili.
Prin cavitație acustică – formarea și implozia unor bule microscopice – sonicarea generează forțe locale intense de forfecare, care sparg aglomeratele de particule și distribuie aditivii în întregul lichid. Astfel, o suprafață mai mare a particulelor este expusă combustibilului înconjurător, ceea ce sprijină evaluarea beneficiilor catalitice și a celor legate de combustie.
Ultrasunetele își exercită acțiunea de dispersare direct în lichid, fără adăugarea de bile de măcinare, eliminând necesitatea separării ulterioare a mediilor de măcinare. Sonicatoarele Hielscher permit atât prepararea în șarje, cât și procesarea continuă în linie, ceea ce face tehnica utilă de la cercetarea de laborator până la producția industrială.
Lista de mai jos vă oferă o privire de ansamblu asupra nanomaterialelor deja testate, dispersate în combustibili:
- CNTs – nanotuburi de carbon
- Ag – argint
- Al – aluminiu
- Al2O3 – oxid de aluminiu
- AlCuOx – oxizi de aluminiu și cupru
- B – bor
- Ca – calciu
- CaCO3 – carbonat de calciu
- Fe – fier
- Cu – cupru
- CuO – oxid de cupru
- Ce – ceriu
- CeO2 – oxid de ceriu
- (CeO2)·(ZrO2) – oxid de ceriu și zirconiu
- Co – cobalt
- Mg – magneziu
- Mn – mangan
- TiO2 – dioxid de titan
- ZnO – oxid de zinc
Oxidul de ceriu nanometric, monodispersat cu ultrasunete, oferă o activitate catalitică ridicată datorită raportului mare suprafață-volum, ceea ce duce la o eficiență îmbunătățită a combustibilului și la emisii reduse.
Combustibili apoși (aqua-fuels): combustibili-emulsie nanometrici prin sonicare
Combustibilii apoși sunt emulsii de apă în combustibil, în care picături fine de apă sunt distribuite într-o fază continuă de combustibil, cum ar fi motorina. Sonicatoarele Hielscher generează o cavitație acustică intensă, care sparge picăturile mai mari în picături mai mici, permițând dezvoltarea de emulsii cu picături nanometrice în condiții adecvate de formulare și procesare. Amplitudinea ultrasonică reglabilă, aportul energetic controlat și gestionarea temperaturii ajută la optimizarea dimensiunii picăturilor și a reproductibilității, în timp ce emulgatorii compatibili susțin stabilitatea în timpul depozitării și manipulării.
Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre combustibilii apoși preparați cu ultrasunete!
Amestecarea ultrasonică a combustibililor
Tehnologia de emulsionare cu ultrasunete este utilizată pentru a produce amestecuri stabile de etanol în decan, etanol în motorină sau motorină–biodiesel–etanol/bioetanol. Astfel de amestecuri reprezintă un combustibil de bază ideal, care poate fi îmbunătățit într-o a doua etapă prin dispersarea de nanoparticule în combustibil.
Producția ultrasonică de combustibili-emulsie
Sonicatoare industriale pentru dispersarea și emulsionarea nanocombustibililor
Sonicatoarele Hielscher combină dezaglomerarea eficientă a nanoparticulelor cu un control precis al procesului pentru dezvoltarea și producția de nanocombustibili. Cavitația ultrasonică intensă ajută la spargerea clusterelor de particule și la distribuirea aditivilor, precum oxizii metalici și nanotuburile de carbon, în întreaga masă de motorină, biodiesel și combustibili amestecați. Amplitudinea reglabilă și monitorizarea aportului energetic și a temperaturii susțin procesarea reproductibilă și optimizarea formulării. Cu instrumente de laborator și sisteme industriale configurate pentru funcționare în șarje sau în flux continuu, Hielscher oferă o cale practică de la primele încercări până la volume de producție mai mari. Înregistrarea automată a datelor de proces pe modelele industriale digitale ajută echipele să documenteze condițiile reușite și să mențină o procesare constantă pe măsură ce capacitatea de procesare crește.
Scalare și producție fiabilă
Odată ce formularea atinge obiectivele de calitate, sonicarea în flux continuu oferă o cale către volume de producție mai mari. Combustibilul trece printr-o zonă de tratare ultrasonică în condiții de operare controlate, cu procesare într-o singură trecere sau cu recirculare, aleasă în funcție de rezultatul necesar. Pentru selectarea echipamentului, furnizați combustibilul de bază, tipul și concentrația aditivului, calitatea țintă a dispersiei, capacitatea de procesare necesară și temperatura de operare. Aceste detalii îi permit companiei Hielscher să recomande o configurație de procesor, sonotrodă și celulă de flux pentru încercările de proces și scalarea ulterioară.
Hielscher oferă procesoare ultrasonice rentabile, extrem de robuste, cu dimensiuni reduse, pentru instalarea în fabrici cu spațiu limitat și în medii solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul șarjei | Debit | Sonicator recomandat |
|---|---|---|
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000hdT |
MultiphaseCavitator – Insert pentru celulă de flux pentru nanoemulsii superioare
Întrebări frecvente despre producția ultrasonică de nanocombustibili
Ce sunt nanocombustibilii
Nanocombustibilii reprezintă un amestec de combustibil și nanoparticule. Prin dispersarea particulelor nanoenergetice în combustibil, proprietățile fizico-chimice ale combustibilului sunt modificate prin funcționalitatea lor, prin structura lor dispersivă și prin interacțiunea complexă dintre transferul de căldură, curgerea fluidului și interacțiunile dintre particule. Datorită compoziției eterogene, caracteristicile nanocombustibilului sunt determinate de tipul combustibilului de bază, precum și de compoziția, dimensiunea, forma, concentrația și proprietățile fizice și chimice ale nanoparticulelor. Caracteristicile nanocombustibilului pot diferi semnificativ de caracteristicile combustibilului de bază.
Cum se utilizează motorina drept combustibil?
Motorina este un combustibil lichid care este ars în motoarele diesel. În motoarele diesel, combustibilul este aprins fără nicio scânteie, ci prin comprimarea amestecului de aer de admisie și apoi injectarea motorinei.
Motorina convențională este un distilat fracționat specific al uleiului combustibil petrolier. Într-un sens mai larg, termenul diesel se referă și la combustibili care nu sunt derivați din petrol, de ex. biodiesel, motorină de tip biomass-to-liquid (BTL), gas-to-liquid (GTL) sau coal-to-liquid (CTL). BTL, GTL și CTL sunt așa-numiții combustibili diesel sintetici, care pot fi obținuți din orice material carbonic (de ex. biomasă, biogaz, gaz natural, cărbune etc.). După gazeificarea materiei prime în gaz de sinteză, urmată de purificare, acesta este transformat prin reacția Fischer–Tropsch în motorină sintetică. Motorina cu conținut ultrascăzut de sulf (ULSD) este un standard pentru motorina care are un conținut de sulf semnificativ redus.
Ce este biodieselul?
Biodieselul este un combustibil regenerabil produs din uleiuri vegetale, grăsimi animale sau grăsimi reciclate. Biodieselul poate fi utilizat pentru alimentarea vehiculelor diesel și a generatoarelor. Proprietățile sale fizice sunt similare cu cele ale motorinei din petrol, deși arde mai curat. Biodieselul reduce emisiile de hidrocarburi nearse (UHC), dioxid de carbon (CO2), monoxid de carbon (CO), oxizi de sulf și particule de funingine – în comparație cu emisiile produse prin arderea motorinei convenționale. Emisia de oxizi de azot (NOx) poate fi mai mare în cazul biodieselului (în comparație cu motorina). Totuși, aceasta poate fi redusă prin optimizarea momentului injecției de combustibil.
Producția de biodiesel este mult îmbunătățită prin transesterificarea ultrasonică. Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre producția ultrasonică de biodiesel!
Poate fi utilizat etanolul drept combustibil?
Da, etanolul – alcoolul etilic (C₂H5OH) – poate fi utilizat drept combustibil. Combustibilii pe bază de etanol sunt utilizați mai ales drept combustibili pentru motoare – în principal ca aditiv biocombustibil în benzină. În prezent, automobilele pot funcționa cu combustibil 100% etanol sau cu așa-numiții combustibili flex (flex-fuels), care sunt un amestec de etanol și benzină. Etanolul este produs de obicei printr-un proces de fermentare a biomasei, de ex. porumb sau trestie de zahăr. Deoarece combustibilul pe bază de etanol este derivat din biomasă regenerabilă și sustenabilă, este adesea numit bioetanol. Ultrasunetele de putere pot îmbunătăți substanțial producția de bioetanol. Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre producția ultrasonică de bioetanol!
Etanolul este oxigenatul din E-diesel. Principalul dezavantaj al E-diesel este nemiscibilitatea etanolului în motorină într-un interval larg de temperaturi. Totuși, biodieselul poate fi utilizat cu succes ca surfactant amfifil pentru stabilizarea etanolului și a motorinei. Combustibilul etanol−biodiesel−motorină (EB-diesel) poate fi amestecat cu ultrasunete într-o micro- sau nanoemulsie, astfel încât EB-diesel să fie stabil – chiar și la temperaturi sub zero grade – și să ofere proprietăți de combustibil superioare motorinei obișnuite.
Cum funcționează dispersia ultrasonică în producția de nanocombustibili?
Dispersia ultrasonică utilizează cavitația acustică pentru a sparge aglomeratele de particule din combustibil. Bule microscopice se formează și implodează, generând forțe locale de forfecare și jeturi de lichid care separă particulele aglomerate. Acest proces ajută la distribuirea nanoaditivilor în întregul lichid și sprijină dezvoltarea reproductibilă a formulărilor.
Ce nanoparticule pot fi dispersate în combustibili cu ajutorul ultrasunetelor?
Materialele investigate în formulările de combustibili includ oxidul de ceriu (CeO₂), oxidul de aluminiu (Al₂O₃), dioxidul de titan (TiO₂), oxidul de zinc (ZnO) și nanotuburile de carbon (CNTs). Aditivul adecvat depinde de combustibilul de bază și de obiectivul de performanță urmărit. Fiecare combinație necesită testare pentru a stabili concentrațiile, condițiile de procesare și stabilitatea adecvate.
Care este diferența dintre o dispersie de nanocombustibil și o nanoemulsie de combustibil?
O dispersie de nanoparticule conține particule solide distribuite într-un combustibil lichid. O nanoemulsie de combustibil conține picături foarte mici dintr-un lichid dispersate în altul, cum ar fi picături de apă în motorină. Ultrasunetele pot susține ambele procese. Formulările care conțin nanoparticule și picături de lichid dispersate necesită evaluarea atât a stabilității particulelor, cât și a stabilității emulsiei.
Previne dispersia ultrasonică depunerea nanoparticulelor?
Tratamentul ultrasonic poate reduce aglomerarea și poate îmbunătăți distribuția inițială a particulelor, dar stabilitatea de durată depinde și de formulare. Proprietățile particulelor, concentrația aditivului, compoziția combustibilului și dispersanții compatibili influențează dacă particulele rămân în suspensie. Testele de depozitare ar trebui să stabilească cât timp nanocombustibilul finit menține o distribuție acceptabilă în condițiile prevăzute.
Care sunt cei mai importanți parametri de procesare ultrasonică?
Parametrii-cheie includ amplitudinea, aportul energetic, durata tratamentului și temperatura. Pentru procesarea în flux continuu, contează și debitul și presiunea din reactor. Aceste setări ar trebui evaluate împreună cu formularea. Documentarea condițiilor care produc dispersia dorită ajută la stabilirea unei procesări repetabile și sprijină scalarea ulterioară.
Poate fi scalată producția ultrasonică de nanocombustibili de la laborator la procesare continuă?
Da. Încercările de laborator pot stabili formularea și condițiile de procesare înainte de evaluarea într-o celulă de flux ultrasonică. În funcționarea continuă, combustibilul trece printr-o zonă de tratare controlată. Scalarea ar trebui să confirme că sistemul mai mare atinge calitatea și stabilitatea necesare ale dispersiei la capacitatea de procesare prevăzută.
Cum aleg un dispersor ultrasonic Hielscher pentru nanocombustibili?
Începeți cu combustibilul de bază, tipul și concentrația nanoparticulelor, volumul de șarjă sau debitul necesar și calitatea țintă a dispersiei. Includeți temperatura de operare și perioada de depozitare prevăzută. Aceste detalii ne ajută să vă recomandăm sonicatorul, sonotroda și configurația celulei de flux ideale pentru încercările aplicației și planificarea producției.
Literatură / Referințe
- 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.