Överlägsna nanobränslen genom ultraljudsdispergering

Vanliga frågor om produktion av nanobränslen med ultraljud

Vad är nanobränslen

Nanobränslen avser en blandning av bränsle och nanopartiklar. Genom att nanoenergetiska partiklar dispergeras i bränslet förändras bränslets fysikalisk-kemiska egenskaper av partiklarnas funktionalitet, deras dispersionsstruktur och det komplexa samspelet mellan värmeöverföring, vätskeflöde och partikelinteraktioner. På grund av den heterogena sammansättningen bestäms nanobränslets egenskaper av typen av basbränsle samt av 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 ett flytande bränsle som förbränns i dieselmotorer. I dieselmotorer antänds bränslet utan någon gnista, genom att insugsluftblandningen komprimeras och dieselbränslet därefter sprutas in.
Konventionellt dieselbränsle är ett specifikt fraktionsdestillat av petroleumbrännolja. I vidare bemärkelse avser termen diesel även bränslen som inte framställs av petroleum, t.ex. biodiesel eller diesel framställd från biomassa till vätska (BTL), gas till vätska (GTL) eller kol till vätska (CTL). BTL, GTL och CTL är så kallade syntetiska dieselbränslen, som kan framställas av vilket kolhaltigt material som helst (t.ex. biomassa, biogas, naturgas, kol osv.). Efter förgasning av råmaterialet till syntesgas och efterföljande rening omvandlas syntesgasen till syntetisk diesel via Fischer–Tropsch-reaktionen. Diesel med ultralåg svavelhalt (ULSD) är en standard för dieselbränsle med avsevärt sänkt svavelhalt.

Vad är biodiesel?

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

Kan etanol användas som bränsle?

Ja, etanol – etylalkohol (C₂H₅OH) – kan användas som bränsle. Etanolbränslen används främst som motorbränslen – huvudsakligen som biobränsletillsats i bensin. I dag kan bilar köras med 100% etanolbränsle eller med så kallade flexbränslen, som är en blandning av etanol och bensin. Etanol framställs vanligtvis genom jäsning av biomassa, till exempel majs eller sockerrör. Eftersom etanolbränsle framställs av förnybar, hållbar biomassa kallas det ofta bioetanol. Högeffektsultraljud kan förbättra produktionen av bioetanol avsevärt. Klicka här för att läsa mer om ultraljudsassisterad produktion av bioetanol!
Etanol är den syrehaltiga komponenten i E-diesel. Den största nackdelen med E-diesel är att etanol och diesel inte är blandbara inom ett brett temperaturintervall. Biodiesel kan dock med framgång användas som ett amfifilt ytaktivt ämne för att stabilisera etanol och diesel. Bränsle av etanol–biodiesel–diesel (EB-diesel) kan blandas med ultraljud till en mikro- eller nanoemulsion så att EB-dieseln är stabil – även vid minusgrader – och har överlägsna bränsleegenskaper jämfört med vanlig diesel.

Hur fungerar ultraljudsdispergering vid produktion av nanobränslen?

Ultraljudsdispergering använder akustisk kavitation för att bryta upp partikelagglomerat i bränslet. Mikroskopiska bubblor bildas och kollapsar, vilket skapar lokala skjuvkrafter och vätskestrålar som separerar partiklar som klumpat ihop sig. Denna process hjälper till att fördela nanotillsatser i hela vätskan och stöder reproducerbar formuleringsutveckling.

Vilka nanopartiklar kan dispergeras i bränslen med ultraljud?

Material som har undersökts i bränsleformuleringar omfattar ceriumoxid (CeO₂), aluminiumoxid (Al₂O₃), titandioxid (TiO₂), zinkoxid (ZnO) och kolnanorör (CNTs). Vilken tillsats som är lämplig beror på basbränslet och det avsedda prestandamålet. Varje kombination kräver tester för att fastställa lämpliga koncentrationer, bearbetningsförhållanden och stabilitet.

Vad är skillnaden mellan en nanobränsledispersion och en bränslenanoemulsion?

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

Förhindrar ultraljudsdispergering att nanopartiklar sedimenterar?

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

Vilka parametrar är viktigast vid ultraljudsbehandling?

Viktiga parametrar är amplitud, energitillförsel, behandlingstid och temperatur. Vid genomströmningsbehandling är även flödeshastighet och reaktortryck viktiga. Dessa inställningar bör utvärderas tillsammans med formuleringen. Dokumentation av de förhållanden som ger den önskade dispersionen hjälper till att etablera en repeterbar process och stöder efterföljande uppskalning.

Kan produktion av nanobränslen med ultraljud skalas upp från laboratoriet till kontinuerlig bearbetning?

Ja. Laboratorieförsök kan fastställa formuleringen och processförhållandena före utvärdering i en ultraljudsflödescell. Vid kontinuerlig drift passerar bränslet genom en kontrollerad behandlingszon. Uppskalningen bör bekräfta att det större systemet uppnår den erforderliga dispersionskvaliteten och stabiliteten vid den avsedda genomströmningen.

Hur väljer jag en ultraljudsdispergerare från Hielscher för nanobränslen?

Utgå från basbränslet, nanopartiklarnas typ och koncentration, erforderlig satsvolym eller flödeshastighet samt önskad dispersionskvalitet. Ange även driftstemperaturen och den avsedda lagringstiden. Dessa uppgifter hjälper oss att rekommendera den idealiska ultraljudsbehandlaren, sonotroden och flödescellskonfigurationen för tillämpningsförsök och produktionsplanering.