Vynikajúce nanopalivá vďaka ultrazvukovej dispergácii
Vývoj nanopalív sa začína účinnou dispergáciou. Nanočastice pridávané do motorovej nafty, bionafty alebo palivových zmesí môžu ovplyvniť spaľovanie, ale ich účinnosť závisí od toho, ako dobre sú rozptýlené v celom objeme kvapaliny. Aglomerácia a sedimentácia sťažujú udržiavanie stálej koncentrácie prísady a dosahovanie reprodukovateľných výsledkov. Ultrazvuková dispergácia rieši tento problém rozrušovaním zhlukov častíc a rozptyľovaním nanoprísad v celom objeme paliva.
Nanopalivá
Nanopalivá pozostávajú zo zmesi základného paliva (napr. motorovej nafty, bionafty, palivových zmesí) a nanočastíc. Tieto nanočastice pôsobia ako hybridné nanokatalyzátory, ktoré poskytujú veľkú reaktívnu povrchovú plochu. Ultrazvuková dispergácia nanoprísady vedie k podstatnému zlepšeniu vlastností paliva, ako sú kratšie oneskorenie vznietenia, dlhšie udržanie plameňa a vznietenie aglomerátov, ako aj k výraznému celkovému zníženiu emisií.
Zmesi paliva a častíc nanometrových rozmerov prekonávajú čisté kvapalné palivo z hľadiska palivových vlastností vďaka vyššej hustote energie, rýchlejšiemu a ľahšiemu vznieteniu, zvýšenému katalytickému účinku, nižším emisiám, rýchlejšiemu odparovaniu a vyššej rýchlosti horenia a zlepšenej účinnosti spaľovania.
Použite sonikáciu na dispergáciu častíc v palivách na nanoúrovni!
Kontaktujte náš tím a preskúmajte možnosti ultrazvukovej dispergácie pre vašu kombináciu paliva a nanočastíc.
7kW ultrazvukový prietokový systém
Nanopalivá: Ultrazvuková dispergácia nanočastíc v palive
Aby sa zabránilo usadzovaniu nanočastíc v palivovej nádrži, musia sa častice dispergovať sofistikovaným spôsobom. Ultrazvuková dispergácia pomáha zapracovať nanočastice, ako sú oxid céru, oxid hlinitý a uhlíkové nanorúrky, do motorovej nafty, bionafty a palivových zmesí.
Prostredníctvom akustickej kavitácie – vzniku a kolapsu mikroskopických bublín – sonikácia vytvára intenzívne lokálne šmykové sily, ktoré rozrušujú aglomeráty častíc a rozptyľujú prísady v celom objeme kvapaliny. Tým sa väčšia časť povrchu častíc vystavuje okolitému palivu, čo podporuje hodnotenie prínosov súvisiacich s katalýzou a spaľovaním.
Ultrazvuk pôsobí dispergačne priamo v kvapaline bez pridania mlecích guľôčok, čím odpadá potreba následného oddeľovania mlecích médií. Sonikátory Hielscher podporujú prípravu v dávkach aj kontinuálne spracovanie v potrubí, vďaka čomu je táto technika využiteľná od laboratórneho výskumu až po priemyselnú výrobu.
Nasledujúci zoznam poskytuje prehľad už testovaných nanomateriálov dispergovaných v palivách:
- CNTs – uhlíkové nanorúrky
- Ag – striebro
- Al – hliník
- Al2O3 – oxid hlinitý
- AlCuOx – oxidy hliníka a medi
- B – bór
- Ca – vápnik
- CaCO3 – uhličitan vápenatý
- Fe – železo
- Cu – meď
- CuO – oxid meďnatý
- Ce – cér
- CeO2 – oxid ceričitý
- (CeO2)·(ZrO2) – oxid céru a zirkónia
- Co – kobalt
- Mg – horčík
- Mn – mangán
- TiO2 – oxid titaničitý
- ZnO – oxid zinočnatý
Oxid céru nanometrových rozmerov monodispergovaný ultrazvukom vykazuje vysokú katalytickú aktivitu vďaka vysokému pomeru povrchu k objemu, čo vedie k zlepšeniu palivovej účinnosti a zníženiu emisií.
Vodné palivá: Emulzné palivá s kvapôčkami nanometrových rozmerov pomocou sonikácie
Vodné palivá sú emulzie vody v palive, v ktorých sú jemné kvapôčky vody rozptýlené v celom objeme kontinuálnej palivovej fázy, napríklad motorovej nafty. Sonikátory Hielscher vytvárajú intenzívnu akustickú kavitáciu, ktorá rozbíja väčšie kvapôčky na menšie, čím umožňuje vývoj emulzií s kvapôčkami nanometrových rozmerov pri vhodnom zložení a podmienkach spracovania. Nastaviteľná amplitúda ultrazvuku, riadený prívod energie a regulácia teploty pomáhajú optimalizovať veľkosť kvapôčok a reprodukovateľnosť, zatiaľ čo kompatibilné emulgátory podporujú stabilitu počas skladovania a manipulácie.
Kliknite sem a dozviete sa viac o vodných palivách pripravených ultrazvukom!
Ultrazvukové miešanie palív
Technológia ultrazvukovej emulgácie sa používa na výrobu stabilných zmesí etanolu v dekáne, etanolu v motorovej nafte alebo zmesí motorovej nafty, bionafty a etanolu/bioetanolu. Takéto zmesi sú ideálnym základným palivom, ktoré možno v druhom kroku vylepšiť dispergovaním nanočastíc do paliva.
Ultrazvuková výroba emulzných palív
Priemyselné sonikátory na dispergovanie a emulgovanie nanopalív
Sonikátory Hielscher kombinujú účinnú deaglomeráciu nanočastíc s presným riadením procesu pri vývoji a výrobe nanopalív. Intenzívna ultrazvuková kavitácia pomáha rozrušovať zhluky častíc a distribuovať prísady, ako sú oxidy kovov a uhlíkové nanorúrky, v celom objeme motorovej nafty, bionafty a palivových zmesí. Nastaviteľná amplitúda a monitorovanie prívodu energie a teploty podporujú reprodukovateľné spracovanie a optimalizáciu zloženia. Vďaka laboratórnym prístrojom a priemyselným systémom nakonfigurovaným na dávkovú alebo kontinuálnu prietokovú prevádzku poskytuje Hielscher praktickú cestu od počiatočných skúšok k vyšším objemom výroby. Automatické zaznamenávanie procesných údajov v digitálnych priemyselných modeloch pomáha tímom dokumentovať podmienky, ktoré viedli k úspešným výsledkom, a udržiavať konzistentné spracovanie pri zvyšovaní spracovateľskej kapacity.
Zväčšovanie výrobnej mierky a spoľahlivá výroba
Keď zloženie splní stanovené ciele kvality, prietoková sonikácia poskytuje cestu k vyšším objemom výroby. Palivo prechádza zónou ultrazvukového spracovania za riadených prevádzkových podmienok, pričom sa podľa požadovaného výsledku volí spracovanie jedným priechodom alebo s recirkuláciou. Na výber zariadenia uveďte základné palivo, typ a koncentráciu prísady, cieľovú kvalitu disperzie, požadovanú spracovateľskú kapacitu a prevádzkovú teplotu. Tieto údaje umožňujú spoločnosti Hielscher odporučiť procesor, sonotródu a konfiguráciu prietokovej cely na procesné skúšky a následné zväčšovanie výrobnej mierky.
Hielscher ponúka cenovo výhodné, vysoko odolné ultrazvukové procesory s malými priestorovými nárokmi na inštaláciu v prevádzkach s obmedzeným priestorom a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčaný sonikátor |
|---|---|---|
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| nevzťahuje sa | 10 až 100L/min | UIP16000hdT |
| nevzťahuje sa | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Vložka do prietokovej cely na výrobu nanoemulzií špičkovej kvality
Často kladené otázky o ultrazvukovej výrobe nanopalív
Čo sú nanopalivá
Nanopalivá označujú zmes paliva a nanočastíc. Dispergovaním nanoenergetických častíc do paliva sa menia fyzikálno-chemické vlastnosti paliva vplyvom funkčnosti týchto častíc, ich disperznej štruktúry a komplexnej súhry prenosu tepla, prúdenia kvapaliny a interakcií častíc. Vzhľadom na heterogénne zloženie sú vlastnosti nanopaliva určené typom základného paliva, ako aj zložením, veľkosťou, tvarom, koncentráciou a fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami nanočastíc. Vlastnosti nanopaliva sa môžu výrazne líšiť od vlastností základného paliva.
Ako sa motorová nafta používa ako palivo?
Motorová nafta je kvapalné palivo, ktoré sa spaľuje vo vznetových motoroch. Vo vznetových motoroch sa palivo zapaľuje bez akejkoľvek iskry, a to stlačením zmesi nasávaného vzduchu a následným vstreknutím motorovej nafty.
Bežná motorová nafta je špecifický frakčný destilát ropného vykurovacieho oleja. V širšom zmysle sa pojem motorová nafta vzťahuje aj na palivá, ktoré nepochádzajú z ropy, napr. bionaftu, motorovú naftu vyrobenú premenou biomasy na kvapalné palivo (BTL), plynu na kvapalné palivo (GTL) alebo uhlia na kvapalné palivo (CTL). BTL, GTL a CTL sú takzvané syntetické motorové nafty, ktoré možno získať z akéhokoľvek uhlíkatého materiálu (napr. biomasy, bioplynu, zemného plynu, uhlia atď.). Po splynení suroviny na syntézny plyn a následnom čistení sa tento plyn premieňa Fischerovou–Tropschovou reakciou na syntetickú motorovú naftu. Motorová nafta s ultranízkym obsahom síry (ULSD) je štandardom pre motorovú naftu, ktorá obsahuje výrazne znížené množstvo síry.
Čo je bionafta?
Bionafta je obnoviteľné palivo vyrábané z rastlinných olejov, živočíšnych tukov alebo recyklovaných tukov. Bionaftu možno používať na pohon vozidiel so vznetovými motormi a generátorov. Jej fyzikálne vlastnosti sú podobné vlastnostiam ropnej nafty, hoci horí čistejšie. Bionafta znižuje emisie nespálených uhľovodíkov (UHC), oxidu uhličitého (CO2), oxidu uhoľnatého (CO), oxidov síry a častíc sadzí – v porovnaní s emisiami vznikajúcimi pri spaľovaní bežnej nafty. Emisie oxidov dusíka (NOx) môžu byť pri bionafte vyššie (v porovnaní s naftou). Možno ich však znížiť optimalizáciou časovania vstrekovania paliva.
Ultrazvuková transesterifikácia výrazne zlepšuje výrobu bionafty. Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukovej výrobe bionafty!
Možno etanol používať ako palivo?
Áno, etanol – etylalkohol (C₂H5OH) – možno používať ako palivo. Etanolové palivá sa používajú prevažne ako motorové palivá – najmä ako biopalivová prísada do benzínu. V súčasnosti môžu automobily jazdiť na 100% etanolové palivo alebo na takzvané palivá flex-fuel, ktoré sú zmesou etanolu a benzínu. Etanol sa bežne vyrába fermentáciou biomasy, napr. kukurice alebo cukrovej trstiny. Keďže etanolové palivo pochádza z obnoviteľnej, udržateľnej biomasy, často sa nazýva bioetanol. Výkonový ultrazvuk môže podstatne zlepšiť výrobu bioetanolu. Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukovej výrobe bioetanolu!
Etanol je kyslíkatou zložkou paliva E-diesel. Hlavnou nevýhodou paliva E-diesel je nemiešateľnosť etanolu s naftou v širokom rozsahu teplôt. Bionaftu však možno úspešne použiť ako amfifilnú povrchovo aktívnu látku na stabilizáciu etanolu a nafty. Palivo etanol–bionafta–nafta (EB-diesel) možno ultrazvukovo zmiešať na mikroemulziu alebo nanoemulziu tak, aby bol EB-diesel stabilný – aj pri teplotách pod nulou – a ponúkal lepšie palivové vlastnosti ako bežná nafta.
Ako funguje ultrazvuková dispergácia pri výrobe nanopalív?
Ultrazvuková dispergácia využíva akustickú kavitáciu na rozrušovanie aglomerátov častíc v palive. Mikroskopické bubliny vznikajú a kolabujú, pričom vytvárajú lokálne šmykové sily a prúdy kvapaliny, ktoré oddeľujú zhluknuté častice. Tento proces pomáha rozmiestniť nanoprísady v celom objeme kvapaliny a podporuje reprodukovateľný vývoj formulácií.
Ktoré nanočastice možno pomocou ultrazvuku dispergovať do palív?
Medzi materiály skúmané v palivových formuláciách patria oxid ceričitý (CeO₂), oxid hlinitý (Al₂O₃), oxid titaničitý (TiO₂), oxid zinočnatý (ZnO) a uhlíkové nanorúrky (CNTs). Vhodná prísada závisí od základného paliva a zamýšľaného cieľa z hľadiska výkonnosti. Každá kombinácia vyžaduje testovanie na stanovenie vhodných koncentrácií, podmienok spracovania a stability.
Aký je rozdiel medzi disperziou nanopaliva a palivovou nanoemulziou?
Disperzia nanočastíc obsahuje pevné častice rozmiestnené v kvapalnom palive. Palivová nanoemulzia obsahuje veľmi malé kvapôčky jednej kvapaliny dispergované v druhej, napríklad kvapôčky vody v nafte. Ultrazvuk môže podporiť oba procesy. Formulácie obsahujúce nanočastice a dispergované kvapôčky kvapaliny vyžadujú posúdenie stability častíc aj stability emulzie.
Zabraňuje ultrazvuková dispergácia usadzovaniu nanočastíc?
Ultrazvukové spracovanie môže znížiť aglomeráciu a zlepšiť počiatočné rozmiestnenie častíc, ale dlhodobá stabilita závisí aj od formulácie. Vlastnosti častíc, koncentrácia prísad, zloženie paliva a kompatibilné dispergačné činidlá ovplyvňujú, či častice zostanú v suspenzii. Skúšky skladovania by mali stanoviť, ako dlho si hotové nanopalivo zachová prijateľné rozmiestnenie častíc v zamýšľaných podmienkach.
Ktoré parametre ultrazvukového spracovania sú najdôležitejšie?
Medzi kľúčové parametre patria amplitúda, prívod energie, trvanie spracovania a teplota. Pri prietokovom spracovaní sú dôležité aj prietok a tlak v reaktore. Tieto nastavenia by sa mali vyhodnocovať spolu so zložením zmesi. Dokumentovanie podmienok, pri ktorých vzniká požadovaná disperzia, pomáha zabezpečiť opakovateľné spracovanie a podporuje následné zväčšovanie výrobnej mierky.
Možno ultrazvukovú výrobu nanopalív rozšíriť z laboratórnej mierky na kontinuálne spracovanie?
Áno. Laboratórne skúšky umožňujú stanoviť zloženie zmesi a podmienky spracovania pred ich vyhodnotením v ultrazvukovej prietokovej cele. Pri kontinuálnej prevádzke palivo prechádza zónou spracovania s riadenými podmienkami. Pri zväčšovaní výrobnej mierky by sa malo potvrdiť, že väčší systém dosahuje požadovanú kvalitu disperzie a stabilitu pri plánovanej kapacite spracovania.
Ako si vybrať ultrazvukový dispergátor Hielscher na nanopalivá?
Začnite základným palivom, typom a koncentráciou nanočastíc, požadovaným objemom dávky alebo prietokom a cieľovou kvalitou disperzie. Uveďte aj prevádzkovú teplotu a plánovanú dobu skladovania. Tieto údaje nám pomôžu odporučiť ideálny sonikátor, sonotródu a konfiguráciu prietokovej cely na aplikačné skúšky a plánovanie výroby.
Literatúra / Referencie
- 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.