Vynikajúce nanopalivá vďaka ultrazvukovej disperzii
Vývoj nanopalív začína efektívnou disperziou. Nanopartikuly pridané do nafty, bionafty alebo zmesi palív môžu ovplyvňovať spaľovanie, ich účinnosť však závisí od toho, ako dobre sú rozptýlené v kvapaline. Aglomerácia a sedimentácia sťažujú udržanie konzistentnej koncentrácie prísad a dosiahnutie reprodukovateľných výsledkov. Ultrazvuková disperzia rieši tento problém rozbíjaním zhlukov častíc a rozptýlením nanoaditív v celom palive.
Nanopalivá
Nanopalivá pozostávajú zo zmesi základného paliva (napr. nafta, bionafta, palivové zmesi) a nanočastíc. Tieto nanočastice pôsobia ako hybridné nanokatalyzátory, ktoré ponúkajú veľkú reaktívnu povrchovú plochu. Ultrazvuková disperzia nanoaditíva má za následok podstatné zlepšenie palivového výkonu, ako je znížené oneskorenie zapaľovania, dlhšia životnosť plameňa a aglomerátové zapaľovanie, ako aj výrazné celkové zníženie emisií.
Zmesi paliva a častíc nanoveľkosti vynikajú čisté kvapalné palivo, pokiaľ ide o výkon paliva, vyššou hustotou energie, rýchlejším a ľahším zapaľovaním, zvýšeným katalytickým účinkom, zníženými emisiami, rýchlejším odparovaním a rýchlosťou horenia a zlepšenou účinnosťou spaľovania.
Na nanodisperziu častíc v palivách využite ultrazvuk!
Obráťte sa na náš tím a zistite viac o ultrazvukovej disperzii pre vašu kombináciu paliva a nanočastíc.
7kW ultrazvukový prietokový systém
Nanopalivá: Ultrazvuková disperzia nanočastíc v palive
Aby sa zabránilo usadzovaniu nanočastíc v palivovej nádrži, je potrebné tieto častice dôkladne dispergovať. Ultrazvuková disperzia pomáha začleniť nanočastice, ako sú oxid céru, oxid hlinitý a uhlíkové nanorúrky, do nafty, bionafty a palivových zmesí.
Prostredníctvom akustickej kavitácie – tvorba a kolaps mikroskopických bublín – Ultrazvukové ožiarenie vytvára intenzívne lokálne šmykové sily, ktoré rozbíjajú zhluky častíc a rozptyľujú prísady v celej kvapaline. Tým sa väčšia časť povrchu častíc dostáva do kontaktu s okolitým palivom, čo napomáha posúdeniu katalytických a spaľovacích výhod.
Ultrazvuk pôsobí priamo v kvapaline bez pridania mlecích guličiek, čím sa eliminuje potreba následného oddeľovania mlecích teliesok. Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher podporujú ako prípravu v dávkach, tak aj kontinuálne spracovanie v linke, vďaka čomu je táto technika využiteľná od laboratórneho výskumu až po priemyselnú výrobu.
Nižšie uvedený zoznam poskytuje prehľad o už testovaných nanomateriáloch rozptýlených v palivách:
- CNT – Uhlíkové nanotrubice
- Ag – Striebro
- Al – hliník
- Al2O3 – oxid hlinitý
- AlCuOx – Oxidy medi hlinitej
- b – bór
- Ca – vápnik
- CaCO3 – uhličitan vápenatý
- Fe – železo
- Cu – Meď
- CuO – oxid meďnatý
- Ce – cér
- Ceo2 – oxid céru
- (Generálny riaditeľ2)· (ZrO2) – oxid céru zirkoničitého
- CO – kobalt
- Mg – horčík
- Mn – mangán
- TiO2 – oxid titaničitý
- ZnO – Zinočnatého
Ultrazvukovo monodispergovaný oxid céru v nanomeradle ponúka vysokú katalytickú aktivitu vďaka vysokému pomeru povrchu k objemu, čo vedie k lepšej spotrebe paliva a zníženiu emisií.
Aqua-palivá: nanoemulzná palivá vyrobené pomocou ultrazvuku
Aqua-palivá sú emulzie typu „voda v palive“, v ktorých sú jemné kvapôčky vody rozptýlené v súvislej fáze paliva, ako je napríklad nafta. Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher generujú intenzívnu akustickú kavitáciu, ktorá rozbíja väčšie kvapôčky na menšie, čím za vhodných podmienok zloženia a spracovania umožňujú vytvorenie emulzií s kvapôčkami v nanoměřítku. Nastaviteľná amplitúda ultrazvuku, regulovaný prísun energie a riadenie teploty pomáhajú optimalizovať veľkosť kvapôčok a reprodukovateľnosť, zatiaľ čo kompatibilné emulgátory podporujú stabilitu počas skladovania a manipulácie.
Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukom pripravených vodných palivách!
Ultrazvukové miešanie paliva
Ultrazvuková emulgačná technológia sa používa na výrobu stabilných zmesí etanol-in-dekán, etanol-v nafte alebo zmesí nafta-bionafta-etanol/bioetanol/bioetanol. Takéto zmesi sú ideálnym základným palivom, ktoré je možné v druhom kroku vylepšiť rozptýlením nanočastíc do paliva.
Ultrazvuková výroba emulzných palív
Priemyselné ultrazvukové zariadenia na dispergovanie a emulgáciu nanopalív
Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher kombinujú účinnú deaglomeráciu nanočastíc s presným riadením procesu pri vývoji a výrobe nanopalív. Intenzívna ultrazvuková kavitácia pomáha rozbíjať zhluky častíc a distribuovať prísady, ako sú oxidy kovov a uhlíkové nanorúrky, v nafte, bionafte a zmesi palív. Nastaviteľná amplitúda a monitorovanie príklu energie a teploty podporujú reprodukovateľnosť spracovania a optimalizáciu zloženia. Vďaka laboratórnym prístrojom a priemyselným systémom konfigurovaným na dávkovú alebo kontinuálnu prevádzku ponúka spoločnosť Hielscher praktickú cestu od počiatočných pokusov až po vyššie výrobné objemy. Automatické zaznamenávanie údajov o procese na digitálnych priemyselných modeloch pomáha tímom dokumentovať úspešné podmienky a udržiavať konzistentné spracovanie aj pri zvyšovaní výkonu.
Rozšírenie výroby a spoľahlivá výroba
Akonáhle zmes splní stanovené kvalitatívne ciele, prietoková ultrazvuková úprava ponúka cestu k vyšším objemom výroby. Palivo prechádza zónou ultrazvukovej úpravy za kontrolovaných prevádzkových podmienok, pričom sa podľa požadovaného výsledku volí spracovanie v jednom priechode alebo s recirkuláciou. Pri výbere zariadenia uveďte základné palivo, typ a koncentráciu prísady, požadovanú kvalitu disperzie, požadovanú priepustnosť a prevádzkovú teplotu. Na základe týchto údajov môže spoločnosť Hielscher odporučiť konfiguráciu procesora, sonotródy a prietokovej komory pre procesné skúšky a následné zväčšenie výrobného rozsahu.
Spoločnosť Hielscher ponúka nákladovo efektívne, vysoko robustné ultrazvukové procesory s malými rozmermi pre inštaláciu v závodoch s obmedzeným priestorom a náročným prostredím.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčaný ultrazvukový prístroj |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000hdT |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000hdT |
Viacfázový kavitátor – Vložka do prietokovej komory pre prípravu vysoko kvalitných nanoemulzií
Najčastejšie otázky týkajúce sa výroby nano-paliva pomocou ultrazvuku
Čo sú to nanopalivá?
Nanopalivá označujú zmes paliva a nanočastíc. Dispergovaním nanoenergetických častíc do paliva sa fyzikálno-chemické vlastnosti paliva menia ich funkčnosťou, disperznou štruktúrou a zložitou súhrou prenosu tepla, prúdenia tekutín a interakcií častíc. Vzhľadom na heterogénne zloženie sú vlastnosti nanopalív určené typom základného paliva, ako aj zložením, veľkosťou, tvarom, koncentráciou a fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami nanočastíc. Vlastnosti nanopalív sa môžu výrazne líšiť od charakteristík základného paliva.
Ako sa nafta používa ako palivo?
Nafta je kvapalné palivo, ktoré sa spaľuje v dieselových motoroch. V dieselových motoroch sa palivo zapaľuje bez iskry, ale stlačením zmesi nasávaného vzduchu a následným vstrekovaním motorovej nafty.
Bežná motorová nafta je špecifický frakčný destilát z ropného vykurovacieho oleja. V širšom zmysle sa pojem „diesel“ vzťahuje aj na palivá, ktoré nie sú odvodené z ropy, napr. bionaftu, naftu získanú z biomasy (BTL), naftu získanú z plynu (GTL) alebo naftu získanú z uhlia (CTL). BTL, GTL a CTL sú takzvané syntetické dieselové palivá, ktoré možno získať z akéhokoľvek uhlíkatého materiálu (napr. biomasy, bioplynu, zemného plynu, uhlia atď.). Po splynování suroviny na syntetický plyn a následnom čistení sa tento plyn prostredníctvom Fischer-Tropschovej reakcie premieňa na syntetickú naftu. Naftové palivo s mimoriadne nízkym obsahom síry (ULSD) je štandardom pre naftové palivo, ktoré obsahuje výrazne znížený obsah síry.
Čo je to bionafta?
Bionafta je obnoviteľné palivo, ktoré sa vyrába z rastlinných olejov, živočíšnych tukov alebo recyklovaných tukov. Bionaftu je možné použiť na prevádzku v dieselových vozidlách a generátoroch. Jeho fyzikálne vlastnosti sú podobné ako u ropnej nafty, aj keď 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 konvenčnej nafty. Emisie oxidov dusíka (NOx) môžu byť v prípade bionafty vyššie (v porovnaní s naftou). To sa však dá znížiť optimalizáciou načasovania vstrekovania paliva.
Výroba bionafty sa vďaka ultrazvukovej transesterifikácii výrazne zefektívňuje. Kliknite sem a dozviete sa viac o výrobe bionafty pomocou ultrazvuku!
Dá sa etanol použiť ako palivo?
Áno, etanol – etylalkohol (C₂H5Bože môj! – sa dá použiť ako palivo. Palivá na báze etanolu sa väčšinou používajú ako motorové palivá – predovšetkým ako prísada do benzínu v podobe biopaliva. Dnes môžu automobily jazdiť na 100 % etanolovom palive alebo na takzvaných flex-palivách, ktoré sú zmesou etanolu a benzínu. Obvykle sa vyrába fermentáciou biomasy, napr. kukurice alebo cukrovej trstiny. Keďže etanolové palivo pochádza z obnoviteľnej a udržateľnej biomasy, často sa nazýva bioetanol. Výkonný ultrazvuk môže podstatne zlepšiť výrobu bioetanolu. Kliknite sem a dozviete sa viac o výrobe bioetanolu pomocou ultrazvuku!
Etanol je okysličený obsah v E-nafte. Hlavnou nevýhodou E-nafty je nemiešateľnosť etanolu v nafte v širokom rozsahu teplôt. Bionaftu však možno úspešne použiť ako amfifilnú povrchovo aktívnu látku na stabilizáciu etanolu a nafty. Etanol-bionafta-nafta (EB-nafta) palivo sa môže ultrazvukovo zmiešať s mikro- alebo nanoemulziou, takže EB-nafta je stabilná – dokonca aj pri teplotách pod bodom mrazu a ponúka vynikajúce palivové vlastnosti ako bežná nafta.
Ako funguje ultrazvuková disperzia pri výrobe nanopalív?
Ultrazvuková disperzia využíva akustickú kavitáciu na rozbitie zhlukov častíc v palive. Vytvárajú sa a zrútia mikroskopické bubliny, čím vznikajú lokálne šmykové sily a prúdy kvapaliny, ktoré oddeľujú zhluknuté častice. Tento proces pomáha rozptýliť nanoaditíva v celej kvapaline a podporuje vývoj reprodukovateľných zložení.
Ktoré nanočastice je možné pomocou ultrazvuku dispergovať do palív?
Medzi materiály skúmané v zložení palív patria oxid céru (CeO₂), oxid hlinitý (Al₂O₃), oxid titaničitý (TiO₂), oxid zinočnatý (ZnO) a uhlíkové nanorúrky (CNT). Voľba vhodnej prísady závisí od základného paliva a požadovaných výkonnostných cieľov. Každá kombinácia si vyžaduje testovanie s cieľom stanoviť vhodné koncentrácie, podmienky spracovania a stabilitu.
Aký je rozdiel medzi disperziou nanopaliva a nanoemulziou paliva?
Dispersia nanočastíc obsahuje pevné častice rozptýlené v kvapalnom palive. Nanoemulzia paliva obsahuje veľmi malé kvapôčky jednej kvapaliny rozptýlené v inej, napríklad kvapôčky vody v nafte. Ultrazvuk môže podporovať oba procesy. Prípravky obsahujúce nanočastice a rozptýlené kvapôčky kvapaliny si vyžadujú posúdenie stability častíc aj stability emulzie.
Zabraňuje ultrazvuková disperzia usadzovaniu nanočastíc?
Ultrazvuková úprava môže obmedziť zhlukovanie a zlepšiť počiatočné rozloženie častíc, avšak dlhodobá stabilita závisí aj od zloženia zmesi. Na to, či častice zostanú v suspenzii, vplývajú vlastnosti častíc, koncentrácia prísad, zloženie paliva a kompatibilné dispergačné prostriedky. Skúškami skladovania by sa malo zistiť, ako dlho si hotové nanopalivo zachová prijateľné rozloženie za predpokladaných podmienok.
Ktoré parametre ultrazvukového spracovania sú najdôležitejšie?
Medzi kľúčové parametre patria amplitúda, dodaná energia, dĺžka spracovania a teplota. Pri priebežnom spracovaní zohrávajú dôležitú úlohu aj prietok a tlak v reaktore. Tieto nastavenia by sa mali vyhodnocovať spolu so zložením prípravku. Zdokumentovanie podmienok, pri ktorých vzniká požadovaná disperzia, pomáha zabezpečiť opakovateľnosť spracovania a podporuje následné zvýšenie výrobného rozsahu.
Je možné výrobu nanopaliva pomocou ultrazvuku rozšíriť z laboratórneho meradla na kontinuálny proces?
Áno. Laboratórne skúšky umožňujú stanoviť zloženie a podmienky spracovania ešte pred hodnotením v ultrazvukovej prietokovej komore. Pri nepretržitej prevádzke palivo prechádza kontrolovanou zónou úpravy. Zväčšením meradla by sa malo potvrdiť, že väčší systém dosahuje požadovanú kvalitu disperzie a stabilitu pri plánovanej priepustnosti.
Ako si vybrať ultrazvukový dispergátor Hielscher pre nanopalivá?
Začnite s výberom základného paliva, typu a koncentrácie nanočastíc, požadovaného objemu šarže alebo prietoku a cieľovej kvality disperzie. Uveďte prevádzkovú teplotu a plánovanú dobu skladovania. Tieto údaje nám pomôžu odporučiť ideálnu konfiguráciu ultrazvukového zariadenia, sonotrody a prietokovej komory na účely aplikačných skúšok a plánovania 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.