Överlägsna nanobränslen genom ultraljudsdispersion

Vanliga frågor om produktion av nanobränslen med ultraljud

Vad är nanobränslen?

Med nanobränslen avses en blandning av bränsle och nanopartiklar. Genom att de dispergerande nanoenergetiska partiklarna in i bränslet förändras bränslets fysikalisk-kemiska egenskaper av deras funktion, deras dispersiva struktur och det komplexa samspelet mellan värmeöverföring, vätskeflöde och partikelinteraktioner. På grund av den heterogena sammansättningen bestäms nanobränslets egenskaper av typen av basbränsle samt nanopartiklarnas sammansättning, storlek, form, koncentration och fysikaliska och kemiska egenskaper. Nanobränslets egenskaper kan skilja sig avsevärt från basbränslets egenskaper.

Hur används diesel som bränsle?

Diesel är flytande bränsle som förbränns i dieselmotorer. I dieselmotorer antänds bränslet utan någon gnista, utan genom att komprimera insugningsluftblandningen och sedan spruta in dieselbränslet.
Konventionell diesel är ett specifikt fraktionerat destillat av petroleumbrännolja. I vidare bemärkelse avser termen diesel även bränslen som inte härrör från råolja, t.ex. biodiesel, biomassa-till-vätska (BTL), gas-till-vätska (GTL) eller kol-till-vätska (CTL)-diesel. BTL, GTL och CTL är så kallade syntetiska dieselbränslen, som kan framställas av vilket kolhaltigt material som helst (t.ex. biomassa, biogas, naturgas, kol etc.). Efter förgasning av råmaterialet till syntesgas, följt av rening, omvandlas det via Fischer–Tropsch-reaktionen till syntetisk diesel. Ultra-low-sulfur diesel (ULSD) är en standard för dieselbränsle som har ett avsevärt lägre svavelinnehåll.

Vad är biodiesel?

Biodiesel är ett förnybart bränsle som framställs av vegetabiliska oljor, animaliska fetter eller återvunna fetter. Biodiesel kan användas för att köras i dieselfordon och generatorer. Dess fysikaliska egenskaper liknar dem hos petroleumdiesel, även om den brinner renare. Biodiesel minskar utsläppen av oförbrända kolväten (UHC), koldioxid (CO2), kolmonoxid (CO), svaveloxider och sotpartiklar – jämfört med utsläpp från förbränning av konventionell diesel. Utsläppen av kväveoxider (NOx) kan vara högre för biodiesel (jämfört med diesel). Detta kan dock minskas genom att optimera tidpunkten för bränsleinsprutning.
Produktionen av biodiesel förbättras avsevärt genom transesterifiering med ultraljud. Klicka här för att läsa mer om produktion av biodiesel med hjälp av ultraljud!

Kan etanol användas som bränsle?

Ja, etanol – etylalkohol (C₂H₅Åh, herregud! – kan användas som bränsle. Etanolbränslen används främst som motorbränslen – främst som tillsats till biobränsle i bensin. Idag kan bilar drivas med 100 % etanolbränsle eller med så kallade flexbränslen, som är en blandning av etanol och bensin. Det framställs vanligtvis genom en jäsningsprocess av biomassa, t.ex. majs eller sockerrör. Eftersom etanolbränsle utvinns ur förnybar, hållbar biomassa kallas det ofta bioetanol. Kraftfull ultraljud kan avsevärt förbättra produktionen av bioetanol. Klicka här för att läsa mer om produktion av bioetanol med hjälp av ultraljud!
Etanol är oxygenatet i E-diesel. Den största nackdelen med E-diesel är att etanol i diesel är oblandbar över ett brett temperaturområde. Biodiesel kan dock användas framgångsrikt som ett amfifilt ytaktivt ämne för att stabilisera etanol och diesel. Etanol−biodiesel−diesel (EB-diesel) kan blandas ultraljudsmässigt till en mikro- eller nanoemulsion så att EB-dieseln är stabil – även vid temperaturer under noll och erbjuder överlägsna bränsleegenskaper jämfört med vanligt dieselbränsle.

Hur fungerar ultraljudsdispersion vid tillverkning av nanobränslen?

Vid ultraljudsdispersion används akustisk kavitation för att bryta upp partikelkluster i bränslet. Mikroskopiska bubblor bildas och kollapsar, vilket genererar lokala skjuvkrafter och vätskestrålar som separerar de klustrade partiklarna. Denna process bidrar till att fördela nanoadditiver i hela vätskan och underlättar utvecklingen av reproducerbara formuleringar.

Vilka nanopartiklar kan spridas i bränslen med hjälp av ultraljud?

Bland de material som undersökts för bränsleblandningar ingår ceriumoxid (CeO₂), aluminiumoxid (Al₂O₃), titandioxid (TiO₂), zinkoxid (ZnO) och kolnanorör (CNT). Vilket tillsatsämne som är lämpligt beror på basbränslet och det eftersträvade prestandamålet. Varje kombination måste testas för att fastställa lämpliga koncentrationer, bearbetningsförhållanden och stabilitet.

Vad är skillnaden mellan en nanobränseldispersion och en bränslenanoemulsion?

En nanopartikeldispersion består av fasta partiklar som är utspridda i ett flytande bränsle. En bränslenanoemulsion består av mycket små droppar av en vätska som är dispergerade i en annan, till exempel vattendroppar i diesel. Ultraljud kan underlätta båda processerna. Formuleringar som innehåller nanopartiklar och dispergerade vätskedroppar kräver en bedömning av både partikelstabiliteten och emulsionsstabiliteten.

Förhindrar ultraljudsdispersion att nanopartiklarna sedimenterar?

Ultraljudsbehandling kan minska agglomerering och förbättra partiklarnas initiala fördelning, men den långsiktiga stabiliteten beror också på formuleringen. Partikelegenskaper, tillsatskoncentration, bränslesammansättning och kompatibla dispergeringsmedel påverkar huruvida partiklarna förblir suspenderade. Lagringstester bör fastställa hur länge det färdiga nanobränslet bibehåller en acceptabel fördelning under de avsedda förhållandena.

Vilka parametrar för ultraljudsbehandling är viktigast?

Viktiga parametrar är bland annat amplitud, tillförd energi, behandlingstid och temperatur. Vid genomströmningsbearbetning spelar även flödeshastighet och reaktortryck en viktig roll. Dessa inställningar bör utvärderas tillsammans med formuleringen. Att dokumentera de förhållanden som ger den önskade dispersionen bidrar till att uppnå repeterbara processförhållanden och underlättar senare uppskalning.

Kan produktionen av nanobränsle med hjälp av ultraljud skalas upp från laboratorienivå till kontinuerlig tillverkning?

Ja. Genom laboratorieförsök kan man fastställa sammansättningen och processförhållandena innan utvärdering sker i en ultraljudsflödesceller. Vid kontinuerlig drift passerar bränslet genom en kontrollerad behandlingszon. Vid uppskalning bör man bekräfta att det större systemet uppnår den erforderliga dispersionskvaliteten och stabiliteten vid den avsedda genomströmningen.

Hur väljer jag en ultraljudsdisperser från Hielscher för nanobränslen?

Utgå från basbränslet, typen av nanopartiklar och deras koncentration, önskad satsvolym eller flödeshastighet samt önskad dispersionskvalitet. Ange även driftstemperatur och planerad lagringstid. Dessa uppgifter hjälper oss att rekommendera den bästa kombinationen av ultraljudsapparat, sonotrod och flödesceller för tillämpningstester och produktionsplanering.