Nhiên liệu nano vượt trội bằng phân tán siêu âm
Việc phát triển nhiên liệu nano bắt đầu từ quá trình phân tán hiệu quả. Các hạt nano được bổ sung vào dầu diesel, diesel sinh học hoặc nhiên liệu pha trộn có thể ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy, nhưng hiệu suất của chúng phụ thuộc vào mức độ phân bố đồng đều trong chất lỏng. Hiện tượng kết tụ và lắng đọng khiến việc duy trì nồng độ phụ gia ổn định và đạt được kết quả lặp lại trở nên khó khăn hơn. Phương pháp phân tán bằng sóng siêu âm giải quyết thách thức này bằng cách phá vỡ các cụm hạt và phân tán các chất phụ gia nano đều khắp nhiên liệu.
Nhiên liệu nano
Nhiên liệu nano bao gồm hỗn hợp nhiên liệu cơ bản (ví dụ: dầu diesel, dầu diesel sinh học, hỗn hợp nhiên liệu) và các hạt nano. Những hạt nano đó hoạt động như chất xúc tác nano lai, cung cấp diện tích bề mặt phản ứng lớn. Sự phân tán siêu âm của phụ gia nano giúp cải thiện đáng kể hiệu suất nhiên liệu như giảm độ trễ đánh lửa, duy trì ngọn lửa lâu hơn và đánh lửa kết tụ cũng như giảm đáng kể lượng khí thải tổng thể.
Hỗn hợp hạt nhiên liệu có kích thước nano vượt trội về nhiên liệu lỏng tinh khiết về hiệu suất nhiên liệu bởi mật độ năng lượng cao hơn, đánh lửa nhanh hơn và dễ dàng hơn, tăng cường hiệu quả xúc tác, giảm phát thải, tốc độ bay hơi và đốt cháy nhanh hơn và cải thiện hiệu quả đốt cháy.
Hãy sử dụng phương pháp siêu âm để phân tán các hạt ở quy mô nano trong nhiên liệu!
Hãy liên hệ với đội ngũ của chúng tôi để tìm hiểu về công nghệ phân tán bằng sóng siêu âm dành cho hỗn hợp nhiên liệu và hạt nano của quý vị.
Hệ thống dòng siêu âm 7kW
Nano-nhiên liệu: Phân tán siêu âm các hạt nano trong nhiên liệu
Để tránh hiện tượng lắng đọng của các hạt nano trong bình nhiên liệu, các hạt này phải được phân tán một cách tinh vi. Quá trình phân tán bằng sóng siêu âm giúp hòa trộn các hạt nano như oxit xeri, oxit nhôm và ống nano carbon vào dầu diesel, dầu diesel sinh học và các hỗn hợp nhiên liệu.
Thông qua hiện tượng xâm thực âm thanh – sự hình thành và sụp đổ của bong bóng siêu nhỏ – Quá trình siêu âm tạo ra các lực cắt cục bộ mạnh mẽ, giúp phá vỡ các cụm hạt và phân tán các chất phụ gia đều trong chất lỏng. Điều này giúp tăng diện tích bề mặt hạt tiếp xúc với nhiên liệu xung quanh, từ đó hỗ trợ việc đánh giá các lợi ích liên quan đến quá trình xúc tác và đốt cháy.
Siêu âm tác động trực tiếp vào chất lỏng mà không cần thêm các hạt nghiền, giúp loại bỏ việc phải tách các hạt nghiền ra sau đó. Các thiết bị siêu âm Hielscher hỗ trợ cả quy trình chế biến theo mẻ và xử lý liên tục trong dây chuyền, khiến kỹ thuật này trở nên hữu ích từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho đến sản xuất công nghiệp.
Danh sách dưới đây cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về các vật liệu nano đã được thử nghiệm phân tán trong nhiên liệu:
- CNT – Ống nano carbon
- Ag – Bạc
- Al – Nhôm
- Al2O3 – oxit nhôm
- AlCuOx – oxit đồng nhôm
- b – bo
- Ca – canxi
- CaCO3 – canxi cacbonat
- Fe – sắt
- Khối – Đồng
- CuO – oxit đồng
- Ce – xeri
- Giám đốc điều hành2 – xeri oxit
- (Giám đốc điều hành2)· (ZrO2) – xeri zirconium oxit
- ĐỒNG – Coban
- Mg – magiê
- Mn – Mangan
- TiO2 – Titan điôxít
- ZnO – oxit kẽm
Oxit xeri đơn phân tán siêu âm, quy mô nano cung cấp hoạt động xúc tác cao do tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao dẫn đến cải thiện hiệu quả nhiên liệu và giảm khí thải.
Aqua-Fuels: Nhiên liệu dạng nhũ tương kích thước nano được sản xuất bằng phương pháp siêu âm
Nhiên liệu Aqua là các hỗn hợp nhũ tương dạng “nước trong nhiên liệu”, trong đó các giọt nước siêu mịn được phân bố đều trong pha nhiên liệu liên tục, chẳng hạn như dầu diesel. Các thiết bị siêu âm Hielscher tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh cường độ cao, giúp phân tách các giọt lớn thành các giọt nhỏ hơn, từ đó cho phép tạo ra các hỗn hợp nhũ tương có giọt ở quy mô nano dưới các điều kiện công thức và chế biến phù hợp. Biên độ siêu âm có thể điều chỉnh, đầu vào năng lượng được kiểm soát và quản lý nhiệt độ giúp tối ưu hóa kích thước giọt và tính lặp lại, trong khi các chất nhũ hóa tương thích giúp duy trì độ ổn định trong quá trình bảo quản và xử lý.
Bấm vào đây để tìm hiểu thêm về nhiên liệu thủy sinh được chế biến bằng siêu âm!
Pha trộn nhiên liệu bằng sóng siêu âm
Công nghệ nhũ hóa siêu âm được sử dụng để sản xuất hỗn hợp ethanol-in-decane, ethanol-in-diesel hoặc diesel-biodiesel-ethanol/bioethanol ổn định. Các hỗn hợp như vậy là một nhiên liệu cơ bản lý tưởng, có thể được cải thiện trong bước thứ hai bằng cách phân tán các hạt nano vào nhiên liệu.
Sản xuất siêu âm nhiên liệu nhũ tương
Máy siêu âm công nghiệp dùng để phân tán và nhũ hóa nhiên liệu nano
Các thiết bị siêu âm Hielscher kết hợp khả năng phân tán hiệu quả các cụm hạt nano với khả năng kiểm soát quy trình chính xác, phục vụ cho việc phát triển và sản xuất nhiên liệu nano. Hiện tượng xâm thực siêu âm cường độ cao giúp phá vỡ các cụm hạt và phân tán các chất phụ gia như oxit kim loại và ống nano carbon trong dầu diesel, diesel sinh học và các loại nhiên liệu pha trộn. Khả năng điều chỉnh biên độ cùng với việc theo dõi lượng năng lượng đầu vào và nhiệt độ giúp đảm bảo quá trình xử lý có thể lặp lại và tối ưu hóa công thức. Với các thiết bị phòng thí nghiệm và hệ thống công nghiệp được cấu hình cho chế độ vận hành theo mẻ hoặc liên tục, Hielscher cung cấp một lộ trình thực tiễn từ các thử nghiệm ban đầu đến quy mô sản xuất lớn hơn. Tính năng ghi chép tự động dữ liệu quy trình trên các mô hình công nghiệp kỹ thuật số giúp các nhóm ghi lại các điều kiện thành công và duy trì quy trình xử lý nhất quán khi sản lượng tăng lên.
Mở rộng quy mô và sản xuất ổn định
Khi công thức đã đạt được các mục tiêu chất lượng, công nghệ siêu âm dòng chảy (flow-through sonication) mở ra hướng đi để nâng cao sản lượng. Nhiên liệu đi qua vùng xử lý siêu âm trong điều kiện vận hành được kiểm soát, với lựa chọn chế độ xử lý một lần qua hoặc tuần hoàn tùy theo kết quả yêu cầu. Để lựa chọn thiết bị, vui lòng cung cấp thông tin về nhiên liệu gốc, loại phụ gia và nồng độ, chất lượng phân tán mục tiêu, công suất yêu cầu và nhiệt độ vận hành. Những thông tin chi tiết này giúp Hielscher đề xuất cấu hình máy xử lý, đầu siêu âm và buồng dòng chảy phù hợp cho các thử nghiệm quy trình và việc mở rộng quy mô sau đó.
Hielscher cung cấp bộ xử lý siêu âm hiệu quả về chi phí, mạnh mẽ với diện tích nhỏ để lắp đặt trong các nhà máy có không gian hạn chế và môi trường khắt khe.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Máy siêu âm được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP400ST |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdt |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000hdT |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000hdT |
MultiPhaseCavitator – Miếng lót buồng dòng chảy dành cho các loại nano-nhũ tương chất lượng cao
Các câu hỏi thường gặp về sản xuất nhiên liệu nano bằng sóng siêu âm
Nano-nhiên liệu là gì?
Nhiên liệu nano đề cập đến hỗn hợp nhiên liệu và hạt nano. Bằng cách phân tán các hạt năng lượng nano vào nhiên liệu, các tính chất vật lý-hóa học của nhiên liệu bị thay đổi bởi chức năng của chúng, cấu trúc phân tán của chúng và sự tương tác phức tạp của truyền nhiệt, dòng chất lỏng và tương tác hạt. Do thành phần không đồng nhất, các đặc tính của nhiên liệu nano được xác định bởi loại nhiên liệu cơ bản cũng như thành phần, kích thước, hình dạng, nồng độ và tính chất vật lý và 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 cơ bản.
Dầu diesel được sử dụng làm nhiên liệu như thế nào?
Diesel là nhiên liệu lỏng được đốt cháy trong động cơ diesel. Trong động cơ diesel, nhiên liệu được đốt cháy mà không có bất kỳ tia lửa nào, nhưng bằng cách nén hỗn hợp không khí đầu vào và sau đó phun nhiên liệu diesel.
Nhiên liệu diesel thông thường là một sản phẩm chưng cất phân đoạn cụ thể từ dầu nhiên liệu mỏ. Trong nghĩa rộng hơn, thuật ngữ "diesel" còn được dùng để chỉ các loại nhiên liệu không có nguồn gốc từ dầu mỏ, ví dụ như diesel sinh học (biodiesel), diesel từ sinh khối chuyển hóa thành chất lỏng (BTL), diesel từ khí tự nhiên chuyển hóa thành chất lỏng (GTL) hoặc diesel từ than chuyển hóa thành chất lỏng (CTL). BTL, GTL và CTL là những loại nhiên liệu diesel tổng hợp, có thể được chiết xuất từ bất kỳ vật liệu chứa carbon nào (ví dụ: sinh khối, khí sinh học, khí tự nhiên, than đá, v.v.). Sau khi nguyên liệu thô được khí hóa thành khí tổng hợp và qua quá trình tinh chế, nó được chuyển hóa thành dầu diesel tổng hợp thông qua phản ứng Fischer–Tropsch. Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp (ULSD) là một tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh được giảm đáng kể.
Dầu diesel sinh học là gì?
Dầu diesel sinh học là một loại nhiên liệu tái tạo được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc mỡ tái chế. Dầu diesel sinh học có thể được sử dụng để chạy trong các phương tiện diesel và máy phát điện. Tính chất vật lý của nó tương tự như dầu diesel, mặc dù nó cháy sạch hơn. Dầu diesel sinh học làm giảm lượng khí thải hydrocacbon chưa cháy (UHC), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), oxit lưu huỳnh và các hạt muội than – khi so sánh với khí thải được tạo ra bằng cách đốt dầu diesel thông thường. Lượng khí thải oxit nitơ (NOx) có thể cao hơn đối với dầu diesel sinh học (so với dầu diesel). Tuy nhiên, điều này có thể được giảm bớt bằng cách tối ưu hóa thời gian phun nhiên liệu.
Quá trình sản xuất diesel sinh học được cải thiện đáng kể nhờ phương pháp chuyển ester bằng sóng siêu âm. Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về quy trình sản xuất dầu diesel sinh học bằng sóng siêu âm!
Ethanol có thể được sử dụng làm nhiên liệu không?
Đúng vậy, ethanol – rượu etylic (C₂H5Ôi, Chúa ơi! – có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Nhiên liệu ethanol chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu động cơ – chủ yếu được dùng làm phụ gia nhiên liệu sinh học trong xăng. Ngày nay, ô tô có thể chạy bằng nhiên liệu ethanol 100% hoặc bằng loại nhiên liệu được gọi là “flex-fuel”, tức là hỗn hợp của ethanol và xăng. Ethanol thường được sản xuất thông qua quá trình lên men từ sinh khối, ví dụ như ngô hoặc mía. Vì nhiên liệu ethanol được chiết xuất từ sinh khối tái tạo và bền vững, nên nó thường được gọi là bioethanol. Siêu âm công suất cao có thể cải thiện đáng kể quá trình sản xuất bioethanol. Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về quy trình sản xuất bioethanol bằng sóng siêu âm!
Ethanol là oxy trong E-diesel. Hạn chế chính của E-diesel là không thể trộn lẫn của ethanol trong dầu diesel trong một phạm vi nhiệt độ rộng. Tuy nhiên, dầu diesel sinh học có thể được sử dụng thành công như một chất hoạt động bề mặt lưỡng tính để ổn định ethanol và dầu diesel. Nhiên liệu ethanol - diesel sinh học - diesel (EB-diesel) có thể được pha trộn siêu âm thành nhũ tương vi mô hoặc nano để EB-diesel ổn định – ngay cả ở nhiệt độ dưới 0 độ và cung cấp các đặc tính nhiên liệu vượt trội so với nhiên liệu diesel thông thường.
Quá trình phân tán bằng sóng siêu âm hoạt động như thế nào trong sản xuất nhiên liệu nano?
Phương pháp phân tán bằng sóng siêu âm sử dụng hiện tượng xâm thực âm thanh để phá vỡ các cụm hạt trong nhiên liệu. Các bọt khí vi mô hình thành và vỡ ra, tạo ra lực cắt cục bộ và các tia chất lỏng giúp tách các hạt đang kết tụ lại với nhau. Quá trình này giúp phân tán các chất phụ gia nano đều khắp chất lỏng và hỗ trợ việc phát triển công thức có tính lặp lại cao.
Những loại hạt nano nào có thể được phân tán vào nhiên liệu bằng sóng siêu âm?
Các vật liệu được nghiên cứu trong công thức nhiên liệu bao gồm oxit xeri (CeO₂), oxit nhôm (Al₂O₃), oxit titan (TiO₂), oxit kẽm (ZnO) và ống nano carbon (CNTs). Chất phụ gia phù hợp phụ thuộc vào loại nhiên liệu cơ bản và mục tiêu hiệu suất dự kiến. Mỗi sự kết hợp đều cần được thử nghiệm để xác định nồng độ, điều kiện chế biến và độ ổn định phù hợp.
Sự khác biệt giữa chất phân tán nano nhiên liệu và nhũ tương nano nhiên liệu là gì?
Một hệ phân tán hạt nano bao gồm các hạt rắn phân bố trong một loại nhiên liệu lỏng. Một nhũ tương nano nhiên liệu bao gồm các giọt lỏng cực nhỏ của một chất lỏng được phân tán trong một chất lỏng khác, chẳng hạn như các giọt nước trong dầu diesel. Sóng siêu âm có thể hỗ trợ cả hai quá trình này. Các công thức chứa hạt nano và các giọt lỏng phân tán đòi hỏi phải đánh giá cả độ ổn định của hạt lẫn độ ổn định của nhũ tương.
Quá trình phân tán bằng sóng siêu âm có ngăn chặn được hiện tượng lắng đọng của các hạt nano không?
Xử lý bằng sóng siêu âm có thể giảm hiện tượng 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 chế tạo. Các đặc tính của hạt, nồng độ chất phụ gia, thành phần nhiên liệu và chất phân tán tương thích đều ảnh hưởng đến khả năng duy trì trạng thái lơ lửng của các hạt. Các thử nghiệm bảo quản cần xác định thời gian mà nhiên liệu nano thành phẩm duy trì được sự phân bố ở mức chấp nhận được trong các điều kiện dự kiến.
Các thông số xử lý bằng sóng siêu âm nào là quan trọng nhất?
Các thông số chính bao gồm biên độ, năng lượng đầu vào, thời gian xử lý và nhiệt độ. Đối với quy trình xử lý dòng chảy liên tục, tốc độ dòng chảy và áp suất trong bình phản ứng cũng rất quan trọng. Các thông số này cần được đánh giá cùng với công thức sản phẩm. Việc ghi chép các điều kiện tạo ra độ phân tán mong muốn sẽ giúp thiết lập quy trình xử lý có thể lặp lại và hỗ trợ cho việc mở rộng quy mô sau này.
Liệu việc sản xuất nano nhiên liệu bằng công nghệ siêu âm có thể được mở rộng quy mô từ phòng thí nghiệm sang quy trình sản xuất liên tục hay không?
Đúng vậy. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm có thể xác định công thức và các điều kiện xử lý trước khi tiến hành đánh giá trong buồng dòng siêu âm. Trong quá trình vận hành liên tục, nhiên liệu đi qua một vùng xử lý được kiểm soát. Quá trình mở rộng quy mô cần phải xác nhận rằng hệ thống có quy mô lớn hơn đạt được chất lượng phân tán và độ ổn định theo yêu cầu ở công suất dự kiến.
Làm thế nào để chọn máy phân tán siêu âm Hielscher cho nhiên liệu nano?
Hãy bắt đầu bằng việc xác định loại nhiên liệu cơ bản, loại và nồng độ hạt nano, thể tích mẻ hoặc lưu lượng yêu cầu, cũng như chất lượng phân tán mong muốn. Đồng thời, hãy cung cấp thông tin về nhiệt độ vận hành và thời gian bảo quản dự kiến. Những thông tin chi tiết này sẽ giúp chúng tôi đề xuất cấu hình máy siêu âm, đầu siêu âm (sonotrode) và buồng chảy (flow-cell) phù hợp nhất cho các thử nghiệm ứng dụng và lập kế hoạch sản xuất.
Văn học / 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.