Nhiên liệu nano vượt trội nhờ phân tán bằng siêu âm
Quá trình phát triển nhiên liệu nano bắt đầu từ việc phân tán hiệu quả. Các hạt nano được bổ sung vào dầu diesel, diesel sinh học hoặc nhiên liệu phối trộn có thể ảnh hưởng đến quá trình cháy, nhưng hiệu quả của chúng phụ thuộc vào mức độ phân bố đồng đều trong toàn bộ chất lỏng. Sự kết tụ và lắng đọng khiến việc duy trì nồng độ phụ gia đồng nhất và thu được kết quả có khả năng tái lập trở nên khó khăn hơn. Phân tán bằng siêu âm giải quyết thách thức này bằng cách phá vỡ các cụm hạt và phân bố phụ gia nano trong toàn bộ nhiên liệu.
Nhiên liệu nano
Nhiên liệu nano là hỗn hợp gồm nhiên liệu nền (ví dụ: dầu diesel, diesel sinh học, nhiên liệu phối trộn) và các hạt nano. Các hạt nano này đóng vai trò là chất xúc tác nano lai, có diện tích bề mặt phản ứng lớn. Việc phân tán phụ gia nano bằng siêu âm cải thiện đáng kể tính năng của nhiên liệu, chẳng hạn như giảm thời gian trễ đánh lửa, kéo dài thời gian duy trì ngọn lửa và sự bắt cháy của các cụm kết tụ, đồng thời giảm đáng kể tổng lượng phát thải.
Các hỗn hợp nhiên liệu và hạt kích thước nano vượt trội hơn nhiên liệu lỏng thuần túy về tính năng nhờ mật độ năng lượng cao hơn, khả năng bắt cháy nhanh hơn và dễ dàng hơn, hiệu ứng xúc tác được tăng cường, lượng phát thải thấp hơn, tốc độ bay hơi và cháy nhanh hơn, cùng hiệu suất cháy được cải thiện.
Hãy sử dụng siêu âm để phân tán các hạt ở kích thước nano trong nhiên liệu!
Liên hệ với đội ngũ của chúng tôi để tìm hiểu phương pháp phân tán bằng siêu âm cho tổ hợp nhiên liệu và hạt nano của bạn.
Hệ thống siêu âm dòng chảy 7kW
Nhiên liệu nano: Phân tán hạt nano trong nhiên liệu bằng siêu âm
Để tránh các hạt nano lắng đọng trong bình nhiên liệu, các hạt phải được phân tán bằng kỹ thuật tinh vi. Phân tán bằng siêu âm giúp đưa các hạt nano như oxit xeri, oxit nhôm và ống nano cacbon vào dầu diesel, diesel sinh học và nhiên liệu phối trộn.
Thông qua hiện tượng xâm thực âm – sự hình thành và sụp đổ của các bọt khí cực nhỏ – quá trình xử lý bằng siêu âm tạo ra lực cắt cục bộ mạnh, phá vỡ các cụm hạt kết tụ và phân bố phụ gia trong toàn bộ chất lỏng. Điều này giúp tăng diện tích bề mặt hạt tiếp xúc với nhiên liệu xung quanh, hỗ trợ đánh giá các lợi ích liên quan đến xúc tác và quá trình cháy.
Siêu âm tác động phân tán trực tiếp vào chất lỏng mà không cần bổ sung bi nghiền, nhờ đó loại bỏ nhu cầu tách vật liệu nghiền sau đó. Các thiết bị siêu âm Hielscher hỗ trợ cả chuẩn bị theo mẻ và xử lý liên tục trên đường ống, giúp kỹ thuật này hữu ích từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp.
Danh sách dưới đây cung cấp cái nhìn tổng quan về các vật liệu nano đã được thử nghiệm phân tán trong nhiên liệu:
- CNTs – ống nano cacbon
- Ag – bạc
- Al – nhôm
- Al2O3 – oxit nhôm
- AlCuOx – các oxit nhôm đồng
- B – bo
- Ca – canxi
- CaCO3 – canxi cacbonat
- Fe – sắt
- Cu – đồng
- CuO – oxit đồng
- Ce – xeri
- CeO2 – oxit xeri
- (CeO2)·(ZrO2) – oxit xeri zirconi
- Co – coban
- Mg – magie
- Mn – mangan
- TiO2 – titan đioxit
- ZnO – oxit kẽm
Oxit xeri ở kích thước nano được phân tán đơn hạt bằng siêu âm có hoạt tính xúc tác cao nhờ tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải.
Nhiên liệu chứa nước: Nhiên liệu nhũ tương kích thước nano nhờ siêu âm
Nhiên liệu chứa nước là các nhũ tương nước trong nhiên liệu, trong đó những giọt nước nhỏ được phân bố trong toàn bộ pha nhiên liệu liên tục, chẳng hạn như dầu diesel. Các thiết bị siêu âm Hielscher tạo ra hiện tượng xâm thực âm mạnh, phá vỡ các giọt lớn thành các giọt nhỏ hơn, cho phép phát triển nhũ tương với các giọt có kích thước nano trong điều kiện công thức và xử lý phù hợp. Biên độ siêu âm có thể điều chỉnh, năng lượng đầu vào được kiểm soát và việc quản lý nhiệt độ giúp tối ưu hóa kích thước giọt và khả năng tái lập, trong khi các chất nhũ hóa tương thích hỗ trợ duy trì độ ổn định trong quá trình bảo quản và thao tác.
Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về nhiên liệu chứa nước được điều chế bằng siêu âm!
Phối trộn nhiên liệu bằng siêu âm
Công nghệ nhũ hóa bằng siêu âm được sử dụng để tạo ra các hỗn hợp etanol trong decan, etanol trong diesel hoặc diesel–biodiesel–etanol/bioetanol ổn định. Các hỗn hợp này là nhiên liệu nền lý tưởng, có thể được cải thiện ở bước thứ hai bằng cách phân tán các hạt nano vào nhiên liệu.
Sản xuất nhiên liệu nhũ tương bằng siêu âm
Thiết bị siêu âm công nghiệp để phân tán và nhũ hóa nhiên liệu nano
Các thiết bị siêu âm Hielscher kết hợp khả năng phá kết tụ hạt nano hiệu quả với khả năng kiểm soát quy trình chính xác để phát triển và sản xuất nhiên liệu nano. Hiện tượng xâm thực siêu âm mạnh giúp phá vỡ các cụm hạt và phân bố các chất phụ gia như oxit kim loại và ống nano cacbon khắp nhiên liệu diesel, biodiesel và nhiên liệu pha trộn. Biên độ có thể điều chỉnh cùng với việc giám sát năng lượng đầu vào và nhiệt độ hỗ trợ quá trình xử lý có khả năng tái lập và tối ưu hóa công thức. Với các thiết bị phòng thí nghiệm và hệ thống công nghiệp được cấu hình để vận hành theo mẻ hoặc dòng chảy liên tục, Hielscher cung cấp một lộ trình thiết thực từ thử nghiệm ban đầu đến sản xuất với khối lượng lớn hơn. Chức năng ghi dữ liệu quy trình tự động trên các mẫu thiết bị công nghiệp kỹ thuật số giúp các nhóm ghi lại những điều kiện xử lý thành công và duy trì quá trình xử lý nhất quán khi năng suất xử lý tăng.
Mở rộng quy mô và sản xuất đáng tin cậy
Khi công thức đáp ứng các mục tiêu chất lượng, xử lý siêu âm theo dòng chảy tạo ra lộ trình để sản xuất với khối lượng lớn hơn. Nhiên liệu đi qua vùng xử lý siêu âm trong các điều kiện vận hành được kiểm soát, với phương thức xử lý một lượt hoặc tuần hoàn được lựa chọn theo kết quả yêu cầu. Để lựa chọn thiết bị, hãy cung cấp thông tin về nhiên liệu nền, loại và nồng độ phụ gia, chất lượng phân tán mục tiêu, năng suất xử lý yêu cầu và nhiệt độ vận hành. Những thông tin này cho phép Hielscher đề xuất cấu hình thiết bị xử lý, đầu sonotrode và buồng dòng chảy để thử nghiệm quy trình và mở rộng quy mô sau đó.
Hielscher cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm có hiệu quả chi phí, độ bền rất cao và diện tích lắp đặt nhỏ để lắp đặt trong các nhà máy có không gian hạn chế và môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị siêu âm được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| không áp dụng | 10 đến 100L/min | UIP16000hdT |
| không áp dụng | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Bộ phận lắp bên trong buồng dòng chảy để tạo nhũ tương nano vượt trội
Các câu hỏi thường gặp về sản xuất nhiên liệu nano bằng siêu âm
Nhiên liệu nano là gì
Nhiên liệu nano là hỗn hợp của nhiên liệu và các hạt nano. Khi phân tán các hạt nano năng lượng vào nhiên liệu, các tính chất hóa lý của nhiên liệu thay đổi do chức năng của các hạt, cấu trúc phân tán của chúng và sự tương tác phức tạp giữa truyền nhiệt, dòng chảy chất lưu và tương tác giữa các hạt. Do thành phần không đồng nhất, các đặc tính của nhiên liệu nano được quyết định bởi loại nhiên liệu nền cũng như thành phần, kích thước, hình dạng, nồng độ và các tính chất vật lý, hóa học của các hạt nano. Các đặc tính của nhiên liệu nano có thể khác biệt đáng kể so với các đặc tính của nhiên liệu nền.
Diesel được sử dụng làm nhiên liệu như thế nào?
Diesel là nhiên liệu lỏng được đốt trong động cơ diesel. Trong động cơ diesel, nhiên liệu được đốt cháy mà không cần tia lửa, bằng cách nén hỗn hợp không khí nạp rồi phun nhiên liệu diesel vào.
Nhiên liệu diesel thông thường là một phân đoạn chưng cất cụ thể của dầu nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ. Theo nghĩa rộng hơn, thuật ngữ diesel cũng chỉ các nhiên liệu không có nguồn gốc từ dầu mỏ, ví dụ như biodiesel, diesel từ sinh khối chuyển thành chất lỏng (BTL), từ khí chuyển thành chất lỏng (GTL) hoặc từ than chuyển thành chất lỏng (CTL). BTL, GTL và CTL là những nhiên liệu được gọi là diesel tổng hợp, có thể được tạo ra từ bất kỳ vật liệu chứa cacbon nào (ví dụ: sinh khối, khí sinh học, khí tự nhiên, than, v.v.). Sau khi nguyên liệu thô được khí hóa thành khí tổng hợp rồi được tinh chế, khí này được chuyển hóa thành diesel tổng hợp thông qua phản ứng Fischer–Tropsch. Diesel có hàm lượng lưu huỳnh siêu thấp (ULSD) là một tiêu chuẩn dành cho nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh được giảm đáng kể.
Biodiesel là gì?
Diesel sinh học là nhiên liệu tái tạo được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc dầu mỡ tái chế. Diesel sinh học có thể được dùng để vận hành xe và máy phát điện sử dụng động cơ diesel. Các tính chất vật lý của nó tương tự như diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ, mặc dù nó cháy sạch hơn. Diesel sinh học làm giảm lượng phát thải hydrocarbon chưa cháy (UHC), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), các oxit lưu huỳnh và hạt muội than – khi so với lượng phát thải do đốt diesel thông thường. Lượng phát thải các oxit nitơ (NOx) có thể cao hơn khi sử dụng diesel sinh học (so với diesel). Tuy nhiên, có thể giảm lượng phát thải này bằng cách tối ưu hóa thời điểm phun nhiên liệu.
Quá trình sản xuất diesel sinh học được cải thiện đáng kể nhờ phản ứng trao đổi este bằng siêu âm. Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về sản xuất diesel sinh học bằng siêu âm!
Có thể sử dụng ethanol làm nhiên liệu không?
Có, ethanol – cồn ethylic (C₂H5OH) – có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Nhiên liệu ethanol chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu động cơ – phần lớn dưới dạng phụ gia nhiên liệu sinh học trong xăng. Ngày nay, ô tô có thể chạy bằng nhiên liệu ethanol 100% hoặc bằng nhiên liệu thường gọi là nhiên liệu linh hoạt, là hỗn hợp ethanol và xăng. Ethanol thường được sản xuất bằng quá trình lên men sinh khối, ví dụ như ngô hoặc mía. Vì nhiên liệu ethanol có nguồn gốc từ sinh khối tái tạo, bền vững nên nó thường được gọi là ethanol sinh học. Siêu âm công suất cao có thể cải thiện đáng kể quá trình sản xuất ethanol sinh học. Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về sản xuất ethanol sinh học bằng siêu âm!
Ethanol là thành phần chứa oxy trong E-diesel. Nhược điểm chính của E-diesel là ethanol không hòa tan với diesel trong một khoảng nhiệt độ rộng. Tuy nhiên, diesel sinh học có thể được sử dụng thành công như một chất hoạt động bề mặt lưỡng ái để ổn định hỗn hợp ethanol và diesel. Nhiên liệu ethanol−diesel sinh học−diesel (EB-diesel) có thể được phối trộn bằng siêu âm thành vi nhũ tương hoặc nhũ tương nano để EB-diesel ổn định – ngay cả ở nhiệt độ dưới 0 và có các tính chất nhiên liệu vượt trội so với nhiên liệu diesel thông thường.
Phân tán bằng siêu âm hoạt động như thế nào trong sản xuất nhiên liệu nano?
Phân tán bằng siêu âm sử dụng hiện tượng xâm thực âm để phá vỡ các khối kết tụ hạt trong nhiên liệu. Các bọt khí cực nhỏ hình thành rồi sụp đổ, tạo ra lực cắt cục bộ và các tia chất lỏng tách rời những hạt kết tụ. Quá trình này giúp phân bố các phụ gia nano khắp chất lỏng và hỗ trợ phát triển công thức với kết quả có thể tái lập.
Có thể phân tán những loại hạt nano nào vào nhiên liệu bằng siêu âm?
Các vật liệu được nghiên cứu trong công thức nhiên liệu bao gồm oxit xeri (CeO₂), oxit nhôm (Al₂O₃), titan dioxide (TiO₂), oxit kẽm (ZnO) và ống nano carbon (CNTs). Phụ gia phù hợp phụ thuộc vào nhiên liệu nền và mục tiêu hiệu năng dự kiến. Mỗi tổ hợp đều cần được thử nghiệm để xác định nồng độ, điều kiện xử lý và độ ổn định phù hợp.
Hệ phân tán nhiên liệu nano và nhũ tương nano nhiên liệu khác nhau như thế nào?
Hệ phân tán hạt nano chứa các hạt rắn phân bố trong nhiên liệu lỏng. Nhũ tương nano nhiên liệu chứa những giọt rất nhỏ của một chất lỏng phân tán trong một chất lỏng khác, chẳng hạn như các giọt nước trong diesel. Siêu âm có thể hỗ trợ cả hai quá trình. Các công thức chứa hạt nano và các giọt chất lỏng phân tán cần được đánh giá cả về độ ổn định của hạt lẫn độ ổn định của nhũ tương.
Phân tán bằng siêu âm có ngăn hạt nano lắng xuống không?
Xử lý bằng siêu âm có thể giảm sự kết tụ và cải thiện sự phân bố ban đầu của các hạt, nhưng độ ổn định lâu dài còn phụ thuộc vào công thức. Tính chất của hạt, nồng độ phụ gia, thành phần nhiên liệu và các chất phân tán tương thích ảnh hưởng đến việc các hạt có duy trì trạng thái lơ lửng hay không. Các thử nghiệm bảo quản cần xác định nhiên liệu nano thành phẩm duy trì sự phân bố ở mức chấp nhận được trong bao lâu dưới các điều kiện sử dụng dự kiến.
Những thông số xử lý bằng siêu âm nào quan trọng nhất?
Các thông số chính bao gồm biên độ, năng lượng đầu vào, thời gian xử lý và nhiệt độ. Đối với xử lý dòng chảy liên tục, lưu lượng và áp suất thiết bị phản ứng cũng quan trọng. Các thông số cài đặt này cần được đánh giá cùng với công thức phối chế. Việc ghi lại các điều kiện tạo ra hệ phân tán mong muốn giúp thiết lập quy trình xử lý có thể lặp lại và hỗ trợ mở rộng quy mô sau này.
Có thể mở rộng quy mô sản xuất nhiên liệu nano bằng siêu âm từ phòng thí nghiệm sang xử lý liên tục không?
Có. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm có thể xác lập công thức phối chế và điều kiện xử lý trước khi đánh giá trong buồng dòng chảy siêu âm. Khi vận hành liên tục, nhiên liệu đi qua một vùng xử lý được kiểm soát. Việc mở rộng quy mô cần xác nhận rằng hệ thống lớn hơn đạt được chất lượng phân tán và độ ổn định cần thiết ở năng suất xử lý dự kiến.
Làm thế nào để chọn thiết bị phân tán siêu âm Hielscher cho nhiên liệu nano?
Hãy bắt đầu với nhiên liệu nền, loại và nồng độ hạt nano, thể tích mẻ hoặc lưu lượng cần thiết, cùng chất lượng phân tán mục tiêu. Cung cấp thêm nhiệt độ vận hành và thời gian bảo quản dự kiến. Những thông tin này giúp chúng tôi đề xuất thiết bị siêu âm, đầu dò siêu âm và cấu hình buồng dòng chảy lý tưởng để thử nghiệm ứng dụng và lập kế hoạch sản xuất.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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.