Нанотопливо с превосходными характеристиками благодаря ультразвуковому диспергированию
Разработка нанотоплива начинается с эффективного диспергирования. Наночастицы, добавляемые в дизельное топливо, биодизель или топливные смеси, могут влиять на горение, но их эффективность зависит от того, насколько хорошо они распределены по всему объёму жидкости. Агломерация и осаждение затрудняют поддержание постоянной концентрации добавки и получение воспроизводимых результатов. Ультразвуковое диспергирование решает эту задачу, разрушая скопления частиц и распределяя нанодобавки по всему объёму топлива.
Нанотопливо
Нанотопливо представляет собой смесь базового топлива (например, дизельного топлива, биодизеля, топливных смесей) и наночастиц. Эти наночастицы действуют как гибридные нанокатализаторы с большой площадью реакционно-активной поверхности. Ультразвуковое диспергирование нанодобавки существенно улучшает характеристики топлива, в частности сокращает задержку воспламенения, обеспечивает более длительное поддержание пламени и воспламенение агломератов, а также значительно снижает общий объём выбросов.
Топливные смеси с наноразмерными частицами превосходят чистое жидкое топливо по характеристикам благодаря более высокой плотности энергии, более быстрому и лёгкому воспламенению, усиленному каталитическому эффекту, снижению выбросов, более быстрому испарению, более высокой скорости горения и повышенной эффективности сгорания.
Используйте обработку ультразвуком для нанодиспергирования частиц в топливе!
Свяжитесь с нашей командой, чтобы изучить возможности ультразвукового диспергирования для вашего сочетания топлива и наночастиц.
Ультразвуковая проточная система мощностью 7kW
Нанотопливо: ультразвуковое диспергирование наночастиц в топливе
Чтобы избежать осаждения наночастиц в топливном баке, необходимо применять тщательно организованное диспергирование частиц. Ультразвуковое диспергирование помогает вводить наночастицы, такие как оксид церия, оксид алюминия и углеродные нанотрубки, в дизельное топливо, биодизель и топливные смеси.
Благодаря акустической кавитации – образованию и схлопыванию микроскопических пузырьков – обработка ультразвуком создаёт интенсивные локальные силы сдвига, которые разрушают агломераты частиц и распределяют добавки по всему объёму жидкости. При этом для окружающего топлива становится доступно больше поверхности частиц, что позволяет оценивать преимущества, связанные с катализом и горением.
Ультразвук оказывает диспергирующее воздействие непосредственно в жидкости без добавления мелющих шариков, исключая необходимость последующего отделения мелющих тел. Ультразвуковые аппараты Hielscher поддерживают как приготовление отдельных партий, так и непрерывную обработку в потоке, поэтому этот метод применим на всех этапах – от лабораторных исследований до промышленного производства.
Ниже приведён обзор уже испытанных наноматериалов, диспергированных в топливе:
- CNTs – углеродные нанотрубки
- Ag – серебро
- Al – алюминий
- Al2O3 – оксид алюминия
- AlCuOx – оксиды алюминия и меди
- B – бор
- Ca – кальций
- CaCO3 – карбонат кальция
- Fe – железо
- Cu – медь
- CuO – оксид меди
- Ce – церий
- CeO2 – оксид церия
- (CeO2)·(ZrO2) – оксид церия и циркония
- Co – кобальт
- Mg – магний
- Mn – марганец
- TiO2 – диоксид титана
- ZnO – оксид цинка
Наноразмерный оксид церия, монодиспергированный ультразвуком, обладает высокой каталитической активностью благодаря высокому отношению площади поверхности к объёму, что приводит к повышению топливной эффективности и снижению выбросов.
Водотопливные эмульсии: наноразмерное эмульсионное топливо с помощью обработки ультразвуком
Водотопливные эмульсии представляют собой эмульсии типа «вода в топливе», в которых мелкие капли воды распределены по всему объёму непрерывной топливной фазы, например дизельного топлива. Ультразвуковые аппараты Hielscher создают интенсивную акустическую кавитацию, которая разбивает крупные капли на более мелкие, позволяя разрабатывать эмульсии с наноразмерными каплями при подходящей рецептуре и условиях обработки. Регулируемая амплитуда ультразвука, контролируемый подвод энергии и управление температурой помогают оптимизировать размер капель и воспроизводимость, а совместимые эмульгаторы поддерживают стабильность при хранении и обращении.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о водотопливных эмульсиях, приготовленных с помощью ультразвука!
Ультразвуковое смешивание топлива
Технология ультразвукового эмульгирования используется для получения стабильных смесей типа «этанол в декане», «этанол в дизельном топливе» или смесей дизельного топлива, биодизеля и этанола/биоэтанола. Такие смеси представляют собой идеальное базовое топливо, которое на втором этапе можно улучшить, диспергируя в нём наночастицы.
Ультразвуковое производство эмульсионного топлива
Промышленные ультразвуковые аппараты для диспергирования и эмульгирования нанотоплива
Ультразвуковые аппараты Hielscher сочетают эффективную деагломерацию наночастиц с точным контролем процесса при разработке и производстве нанотоплива. Интенсивная ультразвуковая кавитация помогает разрушать скопления частиц и распределять добавки, такие как оксиды металлов и углеродные нанотрубки, по всему объёму дизельного топлива, биодизеля и топливных смесей. Регулируемая амплитуда и контроль подводимой энергии и температуры способствуют воспроизводимости обработки и помогают оптимизировать рецептуру. Благодаря лабораторным приборам и промышленным системам, рассчитанным на обработку отдельных партий или непрерывную проточную обработку, Hielscher обеспечивает практический путь от первоначальных испытаний к увеличению объёмов производства. Автоматическая регистрация данных процесса в цифровых промышленных моделях помогает специалистам документировать условия, обеспечивающие успешный результат, и поддерживать стабильность обработки по мере роста производительности.
Масштабирование и надёжное производство
После того как рецептура обеспечивает достижение целевых показателей качества, проточная обработка ультразвуком позволяет перейти к более высоким объёмам производства. Топливо проходит через зону ультразвуковой обработки при контролируемых рабочих условиях; в зависимости от требуемого результата выбирается однопроходная обработка или обработка с рециркуляцией. Для подбора оборудования укажите базовое топливо, тип и концентрацию добавки, целевое качество дисперсии, требуемую производительность и рабочую температуру. Эти сведения позволяют Hielscher рекомендовать ультразвуковой процессор, сонотрод и конфигурацию проточной ячейки для испытаний процесса и последующего масштабирования.
Hielscher предлагает экономичные, высокопрочные ультразвуковые процессоры, занимающие небольшую площадь, для установки на предприятиях с ограниченным пространством и сложными условиями эксплуатации.
Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемый ультразвуковой аппарат |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | более высокий | группа аппаратов UIP16000hdT |
MultiphaseCavitator – Вставка для проточной ячейки для получения наноэмульсий с превосходными характеристиками
Часто задаваемые вопросы об ультразвуковом производстве нанотоплива
Что такое нанотопливо
Нанотопливо представляет собой смесь топлива и наночастиц. При диспергировании наноэнергетических частиц в топливе его физико-химические свойства изменяются под воздействием функциональности этих частиц, их дисперсной структуры и сложного взаимодействия теплопередачи, течения жидкости и взаимодействий между частицами. Из-за неоднородного состава характеристики нанотоплива определяются типом базового топлива, а также составом, размером, формой, концентрацией и физическими и химическими свойствами наночастиц. Характеристики нанотоплива могут значительно отличаться от характеристик базового топлива.
Как дизельное топливо используется в качестве топлива?
Дизельное топливо – это жидкое топливо, сжигаемое в дизельных двигателях. В дизельных двигателях топливо воспламеняется без искры: сначала сжимается поступающая воздушная смесь, а затем впрыскивается дизельное топливо.
Обычное дизельное топливо представляет собой определённый фракционный дистиллят нефтяного мазута. В более широком смысле термин «дизельное топливо» также относится к топливам, получаемым не из нефти, например к биодизелю или дизельному топливу, получаемому по технологиям преобразования биомассы в жидкое топливо (BTL), газа в жидкое топливо (GTL) или угля в жидкое топливо (CTL). BTL, GTL и CTL – это так называемые синтетические дизельные топлива, которые можно получать из любого углеродсодержащего материала (например, биомассы, биогаза, природного газа, угля и т. д.). После газификации сырья с получением синтез-газа и последующей очистки синтез-газ преобразуется в синтетическое дизельное топливо посредством реакции Фишера–Тропша. Дизельное топливо с ультранизким содержанием серы (ULSD) – это стандарт дизельного топлива со значительно сниженным содержанием серы.
Что такое биодизель?
Биодизель – это возобновляемое топливо, производимое из растительных масел, животных жиров или переработанных использованных жиров. Биодизель можно использовать для работы дизельных транспортных средств и генераторов. Его физические свойства сходны со свойствами нефтяного дизельного топлива, хотя он сгорает чище. Биодизель снижает выбросы несгоревших углеводородов (UHC), диоксида углерода (CO2), монооксида углерода (CO), оксидов серы и частиц сажи – по сравнению с выбросами при сжигании обычного дизельного топлива. Выбросы оксидов азота (NOx) при использовании биодизеля могут быть выше, чем при использовании дизельного топлива. Однако их можно снизить, оптимизируя момент впрыска топлива.
Ультразвуковая переэтерификация значительно улучшает производство биодизеля. Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом производстве биодизеля!
Можно ли использовать этанол в качестве топлива?
Да, этанол – этиловый спирт (C₂H5OH) – можно использовать в качестве топлива. Этанольные топлива используются преимущественно как моторные топлива – главным образом в качестве биотопливной добавки к бензину. Сегодня автомобили могут работать на 100% этанольном топливе или на так называемых гибких топливных смесях, представляющих собой смесь этанола и бензина. Обычно этанол получают путём ферментации биомассы, например кукурузы или сахарного тростника. Поскольку этанольное топливо получают из возобновляемой, устойчиво производимой биомассы, его часто называют биоэтанолом. Мощный ультразвук может существенно улучшить производство биоэтанола. Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом производстве биоэтанола!
Этанол является кислородсодержащим компонентом E-diesel. Основной недостаток E-diesel – несмешиваемость этанола с дизельным топливом в широком диапазоне температур. Однако биодизель можно успешно использовать в качестве амфифильного поверхностно-активного вещества для стабилизации смеси этанола и дизельного топлива. Топливную смесь этанол–биодизель–дизельное топливо (EB-diesel) можно смешивать с помощью ультразвука с получением микро- или наноэмульсии, так что EB-diesel сохраняет стабильность – даже при температурах ниже нуля – и обладает превосходными топливными свойствами по сравнению с обычным дизельным топливом.
Как работает ультразвуковое диспергирование при производстве нанотоплива?
При ультразвуковом диспергировании акустическая кавитация используется для разрушения агломератов частиц в топливе. Микроскопические пузырьки образуются и схлопываются, создавая локальные силы сдвига и струи жидкости, которые разделяют частицы в скоплениях. Этот процесс помогает распределять нанодобавки по всему объёму жидкости и способствует воспроизводимости разработки рецептур.
Какие наночастицы можно диспергировать в топливе с помощью ультразвука?
К материалам, исследованным в составе топливных рецептур, относятся оксид церия (CeO₂), оксид алюминия (Al₂O₃), диоксид титана (TiO₂), оксид цинка (ZnO) и углеродные нанотрубки (CNTs). Выбор подходящей добавки зависит от базового топлива и целевого показателя эффективности. Каждое сочетание требует испытаний для определения подходящих концентраций, условий обработки и стабильности.
В чём разница между дисперсией нанотоплива и топливной наноэмульсией?
Дисперсия наночастиц содержит твёрдые частицы, распределённые в жидком топливе. Топливная наноэмульсия содержит очень мелкие капли одной жидкости, диспергированные в другой, например капли воды в дизельном топливе. Ультразвук может способствовать обоим процессам. Рецептуры, содержащие наночастицы и диспергированные капли жидкости, требуют оценки как стабильности частиц, так и стабильности эмульсии.
Предотвращает ли ультразвуковое диспергирование осаждение наночастиц?
Обработка ультразвуком может уменьшить агломерацию и улучшить первоначальное распределение частиц, но долговременная стабильность также зависит от рецептуры. Свойства частиц, концентрация добавки, состав топлива и совместимые диспергаторы влияют на то, остаются ли частицы во взвешенном состоянии. Испытания при хранении должны установить, как долго готовое нанотопливо сохраняет приемлемое распределение частиц в предусмотренных условиях.
Какие параметры ультразвуковой обработки наиболее важны?
Ключевые параметры включают амплитуду, подводимую энергию, продолжительность обработки и температуру. При проточной обработке также имеют значение расход и давление в реакторе. Эти параметры следует оценивать вместе с рецептурой. Документирование условий, обеспечивающих получение требуемой дисперсии, помогает наладить воспроизводимую обработку и способствует последующему масштабированию.
Можно ли масштабировать ультразвуковое производство нанотоплива от лабораторных условий до непрерывной обработки?
Да. Лабораторные испытания позволяют определить рецептуру и условия обработки до их оценки в ультразвуковой проточной ячейке. При непрерывной работе топливо проходит через контролируемую зону обработки. Масштабирование должно подтвердить, что более крупная система обеспечивает требуемое качество дисперсии и стабильность при предусмотренной производительности.
Как выбрать ультразвуковой диспергатор Hielscher для нанотоплива?
Начните с указания базового топлива, типа и концентрации наночастиц, требуемого объёма партии или расхода и целевого качества дисперсии. Также укажите рабочую температуру и предполагаемый срок хранения. Эти сведения помогают нам рекомендовать идеальный ультразвуковой аппарат, сонотрод и конфигурацию проточной ячейки для прикладных испытаний и планирования производства.
Литература / Источники
- 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.