Vrhunska nanogoriva z ultrazvočnim dispergiranjem
Razvoj nanogoriv se začne z učinkovitim dispergiranjem. Nanodelci, dodani dizelskemu gorivu, biodizlu ali gorivnim mešanicam, lahko vplivajo na zgorevanje, vendar je njihova učinkovitost odvisna od tega, kako dobro so porazdeljeni po celotni tekočini. Aglomeracija in sedimentacija otežujeta ohranjanje enakomerne koncentracije dodatkov in pridobivanje ponovljivih rezultatov. Ultrazvočno dispergiranje rešuje ta izziv z razbijanjem skupkov delcev in porazdeljevanjem nanododatkov po celotnem gorivu.
Nanogoriva
Nanogoriva so zmesi osnovnega goriva (npr. dizelskega goriva, biodizla, gorivnih mešanic) in nanodelcev. Ti nanodelci delujejo kot hibridni nanokatalizatorji, ki zagotavljajo veliko reaktivno površino. Ultrazvočno dispergiranje nanododatka bistveno izboljša lastnosti goriva, kot so krajša zakasnitev vžiga, daljše vzdrževanje plamena in vžig aglomeratov, ter znatno zmanjša skupne emisije.
Zmesi goriva in nanodelcev po lastnostih presegajo čisto tekoče gorivo zaradi večje energijske gostote, hitrejšega in lažjega vžiga, izboljšanega katalitičnega učinka, manjših emisij, hitrejšega izhlapevanja in gorenja ter izboljšane učinkovitosti zgorevanja.
Uporabite sonikacijo za dispergiranje delcev na nanoravni v gorivih!
Obrnite se na našo ekipo in raziščite možnosti ultrazvočnega dispergiranja za svojo kombinacijo goriva in nanodelcev.
Ultrazvočni pretočni sistem z močjo 7kW
Nanogoriva: ultrazvočno dispergiranje nanodelcev v gorivu
Da bi preprečili usedanje nanodelcev v rezervoarju za gorivo, je treba delce dispergirati na dovršen način. Ultrazvočno dispergiranje pomaga v dizelsko gorivo, biodizel in gorivne mešanice vključiti nanodelce, kot so cerijev oksid, aluminijev oksid in ogljikove nanocevke.
Sonikacija z akustično kavitacijo – nastajanjem in sesedanjem mikroskopskih mehurčkov – ustvarja močne lokalne strižne sile, ki razbijajo aglomerate delcev in porazdeljujejo dodatke po celotni tekočini. Tako je okoliškemu gorivu izpostavljen večji delež površine delcev, kar omogoča vrednotenje koristi za katalizo in zgorevanje.
Ultrazvok učinkuje dispergirajoče neposredno v tekočini brez dodanih mlevnih kroglic, zato naknadno ločevanje mlevnih teles ni potrebno. Sonikatorji Hielscher podpirajo tako šaržno pripravo kot neprekinjeno obdelavo v liniji, zato je tehnika uporabna od laboratorijskih raziskav do industrijske proizvodnje.
Spodnji seznam prikazuje pregled že preizkušenih nanomaterialov, dispergiranih v gorivih:
- CNTs – ogljikove nanocevke
- Ag – srebro
- Al – aluminij
- Al2O3 – aluminijev oksid
- AlCuOx – aluminijevi bakrovi oksidi
- B – bor
- Ca – kalcij
- CaCO3 – kalcijev karbonat
- Fe – železo
- Cu – baker
- CuO – bakrov oksid
- Ce – cerij
- CeO2 – cerijev oksid
- (CeO2)·(ZrO2) – cerijev cirkonijev oksid
- Co – kobalt
- Mg – magnezij
- Mn – mangan
- TiO2 – titanov dioksid
- ZnO – cinkov oksid
Cerijev oksid nanometrskih dimenzij, monodispergiran z ultrazvokom, zaradi velikega razmerja med površino in prostornino izkazuje visoko katalitično aktivnost, kar vodi do učinkovitejše porabe goriva in manjših emisij.
Goriva z vodo: emulzijska goriva z nanometrskimi kapljicami s sonikacijo
Goriva z vodo so emulzije vode v gorivu, v katerih so drobne vodne kapljice porazdeljene po celotni zvezni gorivni fazi, kot je dizelsko gorivo. Sonikatorji Hielscher ustvarjajo intenzivno akustično kavitacijo, ki večje kapljice razbija na manjše ter ob ustrezni formulaciji in pogojih obdelave omogoča razvoj emulzij z nanometrskimi kapljicami. Nastavljiva ultrazvočna amplituda, nadzorovan vnos energije in uravnavanje temperature pomagajo optimizirati velikost kapljic in ponovljivost, združljivi emulgatorji pa podpirajo stabilnost med shranjevanjem in ravnanjem.
Kliknite tukaj in izvedite več o ultrazvočno pripravljenih gorivih z vodo!
Ultrazvočno mešanje goriv
Tehnologija ultrazvočnega emulgiranja se uporablja za pripravo stabilnih mešanic etanola v dekanu, etanola v dizelskem gorivu ali dizelskega goriva–biodizla–etanola/bioetanola. Takšne mešanice so idealno osnovno gorivo, ki ga je mogoče v drugem koraku izboljšati z dispergiranjem nanodelcev v gorivu.
Ultrazvočna proizvodnja emulzijskih goriv
Industrijski sonikatorji za dispergiranje in emulgiranje nanogoriv
Sonikatorji Hielscher združujejo učinkovito deaglomeracijo nanodelcev z natančnim nadzorom procesa za razvoj in proizvodnjo nanogoriv. Intenzivna ultrazvočna kavitacija pomaga razbijati skupke delcev ter porazdeljevati dodatke, kot so kovinski oksidi in ogljikove nanocevke, po celotnem dizelskem gorivu, biodizlu in gorivnih mešanicah. Nastavljiva amplituda ter spremljanje vnosa energije in temperature podpirajo ponovljivo obdelavo in optimizacijo formulacije. Z laboratorijskimi napravami in industrijskimi sistemi, konfiguriranimi za šaržno ali neprekinjeno pretočno delovanje, Hielscher zagotavlja praktično pot od začetnih preizkusov do večjih proizvodnih količin. Samodejno beleženje procesnih podatkov pri digitalnih industrijskih modelih pomaga ekipam dokumentirati uspešne pogoje in ohranjati enakomerno obdelavo ob povečevanju proizvodne zmogljivosti.
Povečanje obsega in zanesljiva proizvodnja
Ko formulacija doseže ciljno kakovost, pretočna sonikacija omogoča prehod na večje proizvodne količine. Gorivo prehaja skozi območje ultrazvočne obdelave pri nadzorovanih obratovalnih pogojih, pri čemer se glede na zahtevani rezultat izbere obdelava z enim prehodom ali recirkulacijo. Za izbiro opreme navedite osnovno gorivo, vrsto in koncentracijo dodatka, ciljno kakovost disperzije, zahtevano zmogljivost obdelave in obratovalno temperaturo. Ti podatki omogočajo podjetju Hielscher, da priporoči procesor, sonotrodo in konfiguracijo pretočne celice za procesne preizkuse in poznejše povečanje obsega.
Hielscher ponuja stroškovno učinkovite, zelo robustne ultrazvočne procesorje, ki zavzamejo malo prostora, za vgradnjo v obrate z omejenim prostorom in zahtevnimi okolji.
Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočeni sonikator |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Vložek za pretočno celico za vrhunske nanoemulzije
Pogosta vprašanja o ultrazvočni proizvodnji nanogoriv
Kaj so nanogoriva
Nanogoriva so zmesi goriva in nanodelcev. Z dispergiranjem energijskih nanodelcev v gorivu se fizikalno-kemijske lastnosti goriva spremenijo zaradi njihove funkcionalnosti, disperzne strukture ter kompleksnega medsebojnega delovanja prenosa toplote, toka tekočine in interakcij med delci. Zaradi heterogene sestave lastnosti nanogoriva določajo vrsta osnovnega goriva ter sestava, velikost, oblika, koncentracija in fizikalne ter kemijske lastnosti nanodelcev. Lastnosti nanogoriva se lahko bistveno razlikujejo od lastnosti osnovnega goriva.
Kako se dizelsko gorivo uporablja kot gorivo?
Dizelsko gorivo je tekoče gorivo, ki zgoreva v dizelskih motorjih. V dizelskih motorjih se gorivo vžge brez iskre, s stiskanjem vstopne zračne zmesi in nato vbrizgavanjem dizelskega goriva.
Običajno dizelsko gorivo je specifičen frakcijski destilat naftnega kurilnega olja. V širšem smislu se izraz dizelsko gorivo nanaša tudi na goriva, ki niso pridobljena iz nafte, npr. biodizel ali dizelsko gorivo, pridobljeno s pretvorbo biomase v tekočino (BTL), plina v tekočino (GTL) ali premoga v tekočino (CTL). BTL, GTL in CTL so tako imenovana sintetična dizelska goriva, ki jih je mogoče pridobiti iz katere koli ogljikove surovine (npr. biomase, bioplina, zemeljskega plina, premoga itd.). Po uplinjanju surovine v sintezni plin in njegovem čiščenju se ta s Fischer–Tropschevo reakcijo pretvori v sintetično dizelsko gorivo. Dizelsko gorivo z izjemno nizko vsebnostjo žvepla (ULSD) je standard za dizelsko gorivo, ki vsebuje bistveno manj žvepla.
Kaj je biodizel?
Biodizel je obnovljivo gorivo, proizvedeno iz rastlinskih olj, živalskih maščob ali recikliranih maščob. Biodizel se lahko uporablja za pogon dizelskih vozil in generatorjev. Njegove fizikalne lastnosti so podobne lastnostim dizelskega goriva iz nafte, vendar zgoreva čisteje. Biodizel zmanjšuje emisije nezgorelih ogljikovodikov (UHC), ogljikovega dioksida (CO2), ogljikovega monoksida (CO), žveplovih oksidov in delcev saj – v primerjavi z emisijami, ki nastanejo pri zgorevanju običajnega dizelskega goriva. Emisije dušikovih oksidov (NOx) so lahko pri biodizlu večje (v primerjavi z dizelskim gorivom). Vendar jih je mogoče zmanjšati z optimizacijo časa vbrizgavanja goriva.
Ultrazvočna transesterifikacija močno izboljša proizvodnjo biodizla. Kliknite tukaj in izvedite več o ultrazvočni proizvodnji biodizla!
Ali se lahko etanol uporablja kot gorivo?
Da, etanol – etilni alkohol (C₂H5OH) – se lahko uporablja kot gorivo. Etanolna goriva se večinoma uporabljajo kot pogonska goriva – predvsem kot biogorivni dodatek bencinu. Danes lahko avtomobili vozijo na 100% etanolno gorivo ali na tako imenovana prilagodljiva goriva, ki so mešanica etanola in bencina. Običajno se proizvaja s fermentacijo biomase, npr. koruze ali sladkornega trsa. Ker se etanolno gorivo pridobiva iz obnovljive, trajnostne biomase, ga pogosto imenujemo bioetanol. Ultrazvok visoke moči lahko bistveno izboljša proizvodnjo bioetanola. Kliknite tukaj in izvedite več o ultrazvočni proizvodnji bioetanola!
Etanol je oksigenat v gorivu E-diesel. Glavna pomanjkljivost goriva E-diesel je nemešljivost etanola z dizelskim gorivom v širokem temperaturnem območju. Vendar se biodizel lahko uspešno uporablja kot amfifilna površinsko aktivna snov za stabilizacijo etanola in dizelskega goriva. Gorivo etanol–biodizel–dizelsko gorivo (EB-diesel) je mogoče z ultrazvokom zmešati v mikro- ali nanoemulzijo, tako da je stabilno – tudi pri temperaturah pod ničlo – in ima boljše gorivne lastnosti kot običajno dizelsko gorivo.
Kako deluje ultrazvočno dispergiranje pri proizvodnji nanogoriv?
Ultrazvočno dispergiranje uporablja akustično kavitacijo za razbijanje aglomeratov delcev v gorivu. Mikroskopski mehurčki nastajajo in se sesedajo ter ustvarjajo lokalne strižne sile in tekočinske curke, ki ločujejo sprijete delce. Ta proces pomaga porazdeliti nanododatke po celotni tekočini in podpira ponovljiv razvoj formulacij.
Katere nanodelce je mogoče z ultrazvokom dispergirati v gorivih?
Med materiali, raziskanimi v formulacijah goriv, so cerijev oksid (CeO₂), aluminijev oksid (Al₂O₃), titanov dioksid (TiO₂), cinkov oksid (ZnO) in ogljikove nanocevke (CNTs). Ustrezen dodatek je odvisen od osnovnega goriva in želenih ciljnih lastnosti. Vsako kombinacijo je treba preizkusiti, da se določijo ustrezne koncentracije, pogoji obdelave in stabilnost.
Kakšna je razlika med disperzijo nanogoriva in nanoemulzijo goriva?
Disperzija nanodelcev vsebuje trdne delce, porazdeljene v tekočem gorivu. Nanoemulzija goriva vsebuje zelo majhne kapljice ene tekočine, dispergirane v drugi, na primer vodne kapljice v dizelskem gorivu. Ultrazvok lahko podpira oba procesa. Pri formulacijah, ki vsebujejo nanodelce in dispergirane tekočinske kapljice, je treba oceniti tako stabilnost delcev kot stabilnost emulzije.
Ali ultrazvočno dispergiranje preprečuje usedanje nanodelcev?
Ultrazvočna obdelava lahko zmanjša aglomeracijo in izboljša začetno porazdelitev delcev, vendar je dolgotrajna stabilnost odvisna tudi od formulacije. Lastnosti delcev, koncentracija dodatkov, sestava goriva in združljiva dispergirna sredstva vplivajo na to, ali delci ostanejo suspendirani. S preizkusi shranjevanja je treba ugotoviti, kako dolgo končno nanogorivo ohranja sprejemljivo porazdelitev v predvidenih pogojih.
Kateri parametri ultrazvočne obdelave so najpomembnejši?
Ključni parametri vključujejo amplitudo, vnos energije, trajanje obdelave in temperaturo. Pri pretočni obdelavi sta pomembna tudi pretok in tlak v reaktorju. Te nastavitve je treba ovrednotiti skupaj s formulacijo. Dokumentiranje pogojev, ki zagotavljajo želeno disperzijo, pomaga vzpostaviti ponovljivo obdelavo in podpira poznejše povečanje obsega.
Ali je mogoče ultrazvočno proizvodnjo nanogoriv povečati iz laboratorijskega obsega na neprekinjeno obdelavo?
Da. Z laboratorijskimi preizkusi je mogoče določiti formulacijo in pogoje obdelave pred vrednotenjem v ultrazvočni pretočni celici. Pri neprekinjenem delovanju gorivo prehaja skozi nadzorovano območje obdelave. Pri povečevanju obsega je treba potrditi, da večji sistem pri predvideni zmogljivosti obdelave dosega zahtevano kakovost disperzije in stabilnost.
Kako izberem ultrazvočni dispergator Hielscher za nanogoriva?
Začnite z osnovnim gorivom, vrsto in koncentracijo nanodelcev, zahtevano prostornino šarže ali pretokom ter ciljno kakovostjo disperzije. Navedite tudi obratovalno temperaturo in predvideno obdobje shranjevanja. Ti podatki nam pomagajo priporočiti idealen sonikator, sonotrodo in konfiguracijo pretočne celice za aplikacijske preizkuse in načrtovanje proizvodnje.
Literatura / reference
- 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.