کاهش دسترسی به منابع سوخت و همچنین افزایش آلودگی هوا و مسئله گرم شدن کره زمین باعث شده است که افزایش بازده و کاهش مصرف سوختهای فسیلی، به دغدغهای جهانی تبدیل گردد. این مسائل و مشکلات باعث شکلگیری معاهدات بینالمللی مختلفی بین کشورها از قبیل پیمان کیوتو و کنوانسیون وین در مورد حفاظت از لایه ازون و یا انتشار گازهای گلخانهای و آلاینده شده است که این پیمانها نیز خود محدودیتهایی را برای میزان انتشار آلودگیهای ناشی از سوختهای فسیلی به وجود آورده است.
همچنین عرضه موتورهای جدید و پیشرفتهتر موجب نیاز به سوختهایی که از نظر شاخص های کیفی و آلایندگی متناسب با عملکرد این موتورها باشد، شده است. از مهمترین سوختهای مورد استفاده در صنعت و حمل نقل میتوان به بنزین، گازوئیل، گاز طبیعی، اتانول، بیو دیزل، مازوت و سوختهای سنگین اشاره کرد. بخشی از بهبود عملکرد سوختها مربوط به مواد افزودنی به آن است که دانش آن در سالهای اخیر توسعهی زیاد داشته است.
معرفی انواع افزودنیهای سوخت
برای افزایش کارایی و بهبود خواص سوخت معمولاً باید افزودنیهای مختلفی به آن اضافه شود که هر یک از این افزودنیها با هدف خاصی به سوخت اضافه میشوند. عمده خواص افزودنیهای سوخت در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1 مزایای استفاده از افزودنیها در سوخت.
کاربرد فناوری نانو به عنوان افزودنی به سوخت
ابعاد کوچک و همچنین نسبت سطح به حجم بسیار بالا خواص منحصر به فردی را به نانو مواد میدهد که از این خواص میتوان در تولید افزودنیها به سوخت بهره جست. از جمله این خواص میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- خاصیت کاتالیسیتی مناسب
- افزایش انرژی آزاد شده در فرآیند احتراق
- بهبود چگالی انرژی بر واحد جرم و حجم
- افزایش سرعت سوختن از طریق محدود کردن واکنشهای احتراق
- پایداری بالا در برابر هوا و اکسیداسیون
- حلالیت و پراکندگی بسیار زیاد در سوخت
با توجه به ویژگی های نانو مواد، این ساختارها پتانسیل بالایی را در بهبود خواص سوخت دارند. نانو افزودنیها را میتوان با اهداف مختلفی به سوخت اضافه نمود که در شکل 2 تعدادی از این موارد نشان داده شده است:
شکل 2 مزیتهای استفاده از نانو افزودنیها در سوخت.
انواع نانو افزودنیهای سوخت
به طور کلی افزودنیها در سوخت نقش کاتالیستی و کنترل واکنش احتراق را دارند. با توجه به این نقش، تولید این افزودنیها در مقیاس نانو میتواند باعث افزایش کارایی آنها در سوخت شود. نتیجه استفاده از نانوافزودنیها در سوخت، کاهش مصرف سوخت در کنار کاهش آلایندگی سوختهای بنزینی و دیزلی خواهد بود.
همچنین نانو افزودنیها میتوانند باعث بهبود مکانیسم سوختن در محفظه احتراق و کاهش صدمات به موتور نیز شوند. به طور مثال شماتیک محفظه احتراق در فرایند سوختن در حضور و عدم حضور نانو افزودنیها در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل 3 مقایسه فرایند احتراق در سوخت با و بدون نانو افزودنی (www.xsnanoadditive.com).
اضافه کردن نانو افزودنیها به سوخت نیز میتواند باعث اکسیداسیون کامل هیدروکربن، کاهش دمای اشتعال خروجی و همچنین کاهش گازهای خروجی و آلاینده شود. مطالعات و تحقیقات صورت گرفته نشان داده است که با استفاده از نانو افزودنیها به میزان کم (در مقیاس ppm) میتوان درصد قابل توجهی در مصرف سوخت صرفهجویی کرد و به تبع آن تولید آلایندهها را کاهش داد. همچنین نانو افزودنیها در افزایش قدرت و کاهش صدای موتور نیز میتوانند موثر باشند.
از مهمترین نانو افزودنیهای مورد استفاده در سوخت میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- نانو مواد اکسید سریم
اکسید سریم توانایی آزاد کردن اتم اکسیژن از ساختار شبکهی خود دارد و از این رو در تأمین اکسیژن احتراق مؤثر است. افزایش کارایی اکسید سریم رابطه مستقیمی با سطح تماس ماده با سوخت دارد لذا استفاده از نانو ذرات اکسید سریم به عنوان افزودنی به سوخت، کارایی اکسید سریم را بهبود میبخشد. افزودن نانو ذرات اکسید سریم به سوخت میتواند ضمن کمک به تجزیه هیدروکربن سوخته نشده و دوده، میزان انتشار گازهای آلاینده و مقدار مصرف سوخت را نیز کاهش دهد. همچنین نشان داده شده است که اکسید سریم فشار در محفظه احتراق را کاهش میدهد که این کار باعث کاهش تولید ترکیبات NOx و کارآمدتر شدن واکنشهای احتراق میشود. این نانو ذرات با پاک کردن دوده عملکرد فیلتر موتورهای دیزلی را نیز بهبود میدهند.
- نانو ذرات آلومینیوم
ذرات آلومینیوم به دلیل انرژی احتراق بالایی که دارند توانایی زیادی در افزایش قدرت خروجی موتور دارند. بر اساس مطالعهای که در دانشگاه پوردو، ایندیانا، انجام شده است محققین به این نتیجه رسیدند که نانو ذرات آلومینیوم عملکرد بهتری نسبت به میکرو ذرات دارند. ویژگیهای منحصر به فرد این نانو ذرات در سوسپانسیونها منجر به شکلگیری میکرو انفجارها[1] در طول فرایند احتراق میشود که باعث بهبود اختلاط هوا-سوخت، بهبود بازده احتراق و کاهش گازهای مضر حاصل از سوخت میشود. همچنین این نانو ذرات توانایی بیشتری در بهبود کارکرد سوختهای بر پایه اتانول دارند. به همین دلیل پیشنهاد میشود از این نانو ذرات در سوخت زیستی اتانول استفاده شود.
- نانو ذرات اکسید فلزی (منیزیم-آلومینیوم و کبالت اکسید)
اتم اکسیژن در ذرات اکسید کبالت (Co3O4) مانند نانو ذرات سریم اکسید میتواند واکنشهای احتراق را بهبود بخشد. در نتیجه احتراق بهتری صورت خواهد گرفت و انتشار گاز مونوکسید کربن و هیدروکربنهای سوخته نشده کاهش مییابد. همچنین نانو افزودنیهای کبالت میتوانند به عنوان کاهشدهنده تولید ترکیبات NOx مورد استفاده قرار گیرند. این امر به ویژه در احتراق بیودیزل که نسبت به دیزل پتروشیمی مستعد تولید بیشتر NOx است، قابل توجه است. نانو ذرات مگنالیوم[2] (منیزیم-آلومینوم) به دلیل انرژی احتراق بالا نقش مشابهای مانند نانو ذرات آلومینیوم دارند و باعث بهبود راندمان احتراق، کمک به بهبود بازده سوخت و افزایش توان خروجی میشوند. این نانو ذرات به عنوان یک چاه حرارتی[3] در محفظه احتراق عمل میکنند و از این طریق دمای کلی را کاهش میدهند و باعث کاهش تولید NOx میشوند.
- نانو پودرهای بر پایه پلاتینیوم
این افزودنیها که معمولاً با فلزات دیگر ترکیب میشوند در مقیاس نانو تولید شدهاند و توانایی زیادی در کاهش ذرات آلاینده حاصل از احتراق تا 25 درصد را دارند. همچنین این نانو پودرها در حدود 5 تا 7 درصد مصرف سوخت را کاهش میدهند. در حال حاضر در کشورهای اروپایی از این افزودنی در ماشینهای دیزلی سنگین استفاده میشود.
- نانو پودرهای بر پایه آهن
این نانو پودرها باعث افزایش عدد اکتان و کاهش دمای اشتعال میشوند و البته تا 85/0 درصد مصرف سوخت را نیز افزایش میدهند که در مقایسه با مزایای آن قابل صرف نظر کردن است. در حال حاضر از این نانو افزودنی در کشورهای آلمان، استرالیا و سوئد استفاده میشود.
شرکتهای فعال در این حوزه
گسترش فناوری نانو موجب ایجاد قابلیتهای کاربردی بسیار زیادی از این فناوری در عرصههای مختلف صنعتی شده است. تولید مواد در مقیاس نانو میتواند باعث بهبود خواص و عملکرد آنها در استفاده به عنوان افزودنی به سوخت شود. بر این اساس بسیاری از شرکتها به فعالیتهای تحقیق و توسعهای در این حوزه پرداختهاند.
مطالعهای که توسط شرکت گریدلوجیکس تکنولوژی[4] از پتنتهای ثبت شده در این حوزه انجام شده است نشاندهنده رشد قابل ملاحظه ثبت اختراع در زمینه استفاده از نانو افزودنیها در سوخت طی دهه اخیر است. شکل 4 نشان دهنده برترین شرکتهای صاحب فناوری در این حوزه است.
شکل 4 شرکتهای فعال و تعداد پتنت ثبت شده توسط هر کدام در زمینه تولید نانو افزودنیهای سوخت.
این پتنتها در کشورهای مختلفی همچون آمریکا، چین، ژاپن، استرالیا، کانادا و روسیه به ثبت رسیدهاند و دو کشور چین و آمریکا بیشترین پتنتهای ثبت شده در این حوزه را به خود اختصاص دادهاند.
از نظر فنی عمده فناوریهای مورد تأکید در این پتنتها مربوط به استفاده از نانو ذرات اکسید سریم، آلومینیوم، کبالت، تیتانیوم، منیزیم، آهن و روی بوده است.
با توجه به فراوانی شرکتهای فعال در این حوزه، در ادامه چهار شرکت معتبر لوبریزول[5]، سرین تکنولوژی[6]، شورون[7] و افتون کمیکال[8] که بیشترین تمرکز را بر این حوزه داشتهاند، مورد بررسی دقیقتر قرار گرفتهاند.
شرکت لوبریزول فعالیتهای خود را از سال 2001 در این حوزه آغاز نموده است. این شرکت از نانو ذرات مختلفی به عنوان افزودنی سوخت استفاده کرده است که فراوانی آن در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل 5 نانو ذرات مورد استفاده توسط شرکت لوبریزول.
شرکت سرین تکنولوژی نیز از سال 2008 فعالیتهای مربوط به ساخت افزودنیهای نانویی به سوخت را شروع نموده است. نانو مواد مورد استفاده در پتنتهای ثبت شده توسط این شرکت در شکل 6 نشان داده شده است:
شکل 6 نانو ذرات مورد استفاده در پتنتهای ثبت شده توسط شرکت سرین تکنولوژی.
شرکت شورون که یکی از شرکتهای بزرگ نفتی نیز است، فعالیتهای خود در این حوزه را از سال 2007 شروع کرده است. در پتنتهای ثبت شده توسط این شرکت از نانو ذرات مختلفی استفاده شده است که در شکل 7 نشان داده شده است:
شکل 7 نانو ذرات مورد استفاده در پتنتهای ثبت شده توسط شرکت شورون.
در نهایت شرکت افتون کمیکال که یکی از شرکتهای بزرگ در زمینه تولید افزودنیهای صنعت نفت است، در بین سالهای 2008 تا 2013 پتنتهایی در این حوزه به ثبت رسانده است که نانو مواد مورد استفاده در این فناوریها در شکل 8 نشان داده شده است:
شکل 8 نانو ذرات مورد استفاده در پتنتهای ثبت شده توسط شرکت افتون کمیکال.
فناوریهای ثبت شده توسط شرکتها
در سالهای اخیر شرکتهای بسیاری در زمینه کاربرد فناوری نانو در سوخت فعالیت داشتهاند. فعالیتهای این شرکتها بیشتر در حوزه ساخت نانو افزودنیهای جدید با هدف بهبود خواص سوخت، بهبود اثرات زیست محیطی و کاهش انتشار گازهای گلخانهای است که در ادامه به عنوان نمونه به چند مورد از فناوریهای ثبت شده در این حوزه اشاره میگردد.
- بهبود بازده سوخت و کاهش مصرف آن
شرکت افتون کمیکال[9] با استفاده از نانو ذرات اکسید سریم به عنوان افزودنی سوختهای دیزلی به دنبال بهبود فرایند احتراق در موتورهای احتراق داخلی و افزایش پایداری سوخت بوده است. در این فناوری از ترکیب نانو ذرات اکسید سریم به همراه مواد پخش کننده/شوینده مانند ماده “سوکسینیمید[10]” به همراه یک ماده ضد امولسیون کننده به منظور بهبود هدایت گرمایی سوخت استفاده شده است. این فناوری توانایی بهبود بازده سوخت و کاهش مصرف آن، افزایش پایداری سوخت، کاهش انتشار آلایندههای حاصل از احتراق، افزایش حلالیت افزودنیهای مختلف در سوخت، کاهش تشکیل فوم در سوخت و کاهش انسداد فیلترها در موتورهای احتراق داخلی سوخت دیزل را دارد.
- تولید نانو سیالات بر پایه ذرات آهن به منظور کاهش غبار و NOx
در این فناوری که در سال 2008 توسط مرکز مطالعات انرژی کره جنوبی[11] به ثبت رسیده است، از نانو ذرات آهن پخش شده در حلالهای آلی به عنوان افزودنی سوخت با هدف کاهش کربن و اکسید نیتروژن حاصل از احتراق ناقص، استفاده شده است. برای تولید این نانو ماده ابتدا نانو ذرات اکسید و هیدروکسید آهن تولید و سپس سطح نانو ذارت با مواد فعال سطحی نفت دوست اصلاح شده است تا امکان پخش این نانو ذرات در مواد آلی وجود داشته باشد.
- استفاده از نانو ذرات آهن با هدف کاهش دمای احتراق دوده
این پتنت که در سال 2013 توسط شرکت سریون[12] به ثبت رسیده است در مورد استفاده از نانو ذرات آهن پخش شده در سیالات با قطبیت پایین مانند کربوکسیلیک اسید به منظور کاهش دمای احتراق دوده در موتورهای دیزلی است. با اضافه کردن این نانو ذرات به سوخت، دمای اشتعال دوده به حدود 200 درجه سانتیگراد میرسد و با این کار دوده به همراه سوخت در موتورهای دیزلی خواهد سوخت و در نتیجه انتشار کلی هیدروکربنها و مواد دیگر از خروجی موتورهای دیزلی کاهش خواهد یافت.
- افزایش ارزش حرارتی سوخت
شرکت چینی[13] Shanghai Datong Energy با افزودن نوع خاصی از نانو ذرات نیکل به عنوان نانو افزودنی به انواع مختلف سوخت از جمله بنزین، دیزل، سوختهای زیستی و سوختهای سنگین باعث ایجاد شرایط احتراق کامل در سوختها شده است و از این طریق واحد ارزش گرمایی سوخت را بهبود داده و در نتیجه در مصرف آن صرفهجویی کرده است. همچنین این نانو افزودنی توانایی بالایی در کاهش انتشار آلودگی، پاکسازی رسوب کربن در موتور، افزایش نیروی محرکه و کاهش سر و صدا را دارد.
محصولات بر پایه نانو فناوری
هم اکنون نانو افزودنیهای سوخت مختلفی به صورت تجاری برای انواع سوخت از جمله بنزین، دیزل و سوختهای سنگینتر در بازار عرضه شده است که در جدول 1 به تعدادی از آنها اشاره شده است.
جدول 1 محصولات حاصل از بهکارگیری نانو فناوری در روانسازها.
| ردیف | نوع محصول | شرکت سازنده | ویژگی | تصویر محصول |
| 1 | نانو افزودنی سوخت دیزل | XSNANO (UK) | -بهبود عملکرد موتور
-بهبود طول عمر سوخت -کاهش هزینه |
|
| 2 | نانو کاتالیست افزودنی سوخت | NanoFusion (US) | -کاهش انتشار گازهای آلودهکننده
-کاهش خوردگی -بالا بردن سرعت استارت موتور و بهبود عملکرد |
|
| 3 | نانو افزودنی سوخت سنگین برای استفاده در کشتی | Chongqing Car Partner Technology Co. Ltd (CHN) | -تشکیل امولسیون آب و سوخت
-کاهش هزینه -بالا بردن زمان سوختن |
|
| 4 | Nano Fuel Saving Additive
|
Dunba (CHN) | -صرفهجویی در مصرف سوخت
-کاهش اصطکاک -کاهش انتشار گازهای سمی |
|
| 5 | Nano engine treatment for old cars
|
Dunba (CHN) | -خاصیت خود ترمیم شوندگی
-کاهش اصطکاک -تقویت قدرت موتور |
|
| 6 | nano fuel lubricant additives factory price for large-displacement vehicle | Chongqing Car Partner Technology Co. Ltd (CHN) | -بهبود بازده موتور
-کاهش انتشار گازهای سمی -جلوگیری از خوردگی |
|
| 7 | Nano Heavy Oil Additive | Xiamen Boya Wonderful Environmental Technology Co. Ltd. (CHN) | -افزایش قدرت موتور بیش از 20 درصد
-کاهش مصرف سوخت بیش از 10 درصد |
|
| 8 | T107D TBN 600 Super High-based Magnesium Sulfonate nano fuel additive | Shanghai Minglan Chemical Co. Ltd. (CHN) | -جلوگیری از خوردگی
-افزایش عمر مصرف |
|
| 9 | پودر نانو ND4002 بر پایه نانو سیلیس | Sepehr Nano (Iran) | -قابلیت کاهش میزان سولفور تا 95 % مقدار اولیه | |
| 10 | افزودنی سوخت نانو ماکس | Advanced fuel Save tech. (India) | -کاهش انتشار گازها
-افزایش بازده -افزایش قدرت -کاهش مصرف سوخت |
|
| 11 | افزودنی سوخت گازوییل | Oxonica (UK) | استفاده از نانو ذرات سریا برای تولید سوخت پاکتر و پر بازده تر | |
| 12 | Nano Fuel Cleaner | Estremo (Italy) | -حذف رسوبات کربن و مضر
-پاک کردن واشرها و پیستونها -مقاوم در برابر اسیدهای خورنده |
|
| 13 | نانو افزودنی سوخت | TCE GoFour (Technology Centre Europe) | -کاهش مصرف سوخت
-کاهش گازهای آلاینده |
|
| 14 | نانو افزودنی خود تمیزشونده سوخت | CealDoctor (CA) | -بهبود فرایند احتراق در موتورهای دیزلی و بنزینی
-پاک کردن رسوبات در موتور |
|
| 15 | نانو افزودنی بور در سوخت | Car Max (US) | -کاهش سر و صدا
-کاهش مصرف -کاهش انتشار گازهای آلاینده |
———————————————–
[1] Microexplosions
[2] Magnalium
[3] Heat Sink
[4] Gridlogics Technologies
[5] Lubrizol Corp
[6] Cerion Technology
[7] Chevron Corp
[8] Afton Chemical
[9] US2008066375: Conductivity improving combination of cerium oxide and detergents for diesel fuels; AFTON CHEMICAL.
[10] Succinimide
[11] KR20100013654: Preparation of iron nanofluids as fuel additive for Dust and NOx reduction; KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH.
[12] US2013337998: Iron oxide nanoparticle dispersions and fuel additives for soot combustion; CERION.
[13] CN101684419: Nano nickel fuel oil additive; SHANGHAI DETONG ENERGY ENVIRONMENTAL PROT TECHNOLOGY.
———————————————————————
تهیهکننده: شرکت ایده سازان عصر آفتاب
بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
