CN111117712A - 纳米流体燃料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米流体燃料及制备方法，包括质量百分数为1‑20％的固体含能纳米颗粒、质量百分数为1‑3％表面活性剂，其余为液体燃料。制备方法，包括步骤：(1)将固体含能纳米颗粒与液体燃料初步混合并混匀；(2)加入表面活性剂，并分散均匀，得到所述纳米流体燃料。本发明的流体燃料相较于不添加固体含能纳米颗粒的流体燃料，能量密度显著提高；稳定性和点火燃烧性能显著提高；制备方法简单，可大量制备。

Description

纳米流体燃料及其制备方法
技术领域
本发明涉及流体燃料领域，具体涉及一种含有固体含能纳米颗粒的纳米流体燃料体系。
背景技术
能源的可利用性和其转换是影响一个国家社会经济的关键。现代社会对于能源的高利用率等需求不断增长，由化石衍生的燃料却逐渐减少，很难满足未来社会的能源需求。
一方面，作为可再生能源的生物乙醇技术在全球能源危机影响下快速发展，受到广泛关注。与传统化石燃油相比，生物乙醇成本低，来源广泛，可从玉米秸秆、稻草等原料中获取，但其含氧量高，能量密度相对较低，直接应用有一定困难。另一方面，纳米流体作为一种新型胶体溶液，所含纳米颗粒直径为1-100纳米，有优越的热物理性质，有如下几个优点：(1)纳米颗粒具有比微米级颗粒更高的反应活性，可有效解决流体燃料体系燃尽率低的问题；(2)纳米颗粒比表面积大，表面张力与微米级颗粒相比显著提高，可代替或部分取代胶凝剂的功能； (3)纳米颗粒对发动机壁面的冲刷强度更小，可有效降低发动机喷口及壁面磨损。
现有纳米流体燃料的稳定性和燃烧性能较差，在实际应用过程中存在存储过程中易发生凝并、沉淀，点火困难和燃烧效率低等问题。急需开发一种稳定性好、点火延迟时间短、燃烧性能优良的纳米流体燃料。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种纳米流体燃料及其制备方法，该燃料解决了化石衍生的燃料短缺的问题；同时，解决了现有的纳米流体燃料稳定性和燃烧性能较差，存储过程中易发生凝并、沉淀的问题。
技术方案：本发明的纳米流体燃料，包括液体燃料、以及分散在所述液体燃料中的固体含能纳米颗粒和能够改进液体燃料稳定性和燃烧性能的表面活性剂，
其中，所述纳米流体燃料中固体含能纳米颗粒的质量百分数为1-20％、表面活性剂的质量百分数为1-3％、其余为液体燃料。
所述液体燃料为生物乙醇。所述固体含能纳米颗粒为纳米铝、纳米硼中的一种或两种。所述表面活性剂为硬脂酸、油酸、柠檬酸和吐温-80中的一种或几种。
上述的纳米流体燃料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将固体含能纳米颗粒与液体燃料初步混合并混匀，得到共混纳米流体；
(2)向步骤(1)中得到的共混纳米流体中加入表面活性剂，并分散均匀，得到所述纳米流体燃料。
步骤(2)中，分散采用超声方式，其超声波功率60-100W，超声分散时间 20-30min。
步骤(2)中，分散在温度为40℃-60℃的条件下进行。
上述制备方法中固体含能纳米颗粒的质量百分数为1-20％、表面活性剂的质量百分数为1-3％、其余为液体燃料。
其中，液体燃料为生物乙醇。所述固体含能纳米颗粒为纳米铝、纳米硼中的一种或两种。所述表面活性剂为硬脂酸、油酸、柠檬酸和吐温-80中的一种或几种。
铝、硼等高能量密度纳米颗粒与生物乙醇混合后形成的纳米流体燃料，其物理和化学热性质例如比表面积高、燃烧中介质反应活性高、燃料的热值和传热效应较高。固、液两相组分优势互补，既能提高能量密度，又能解决能源短缺问题。
有益效果：1、本发明的流体燃料相较于不添加固体含能纳米颗粒的流体燃料，能量密度显著提高；2、相较于不添加表面活性剂的流体燃料，通过优选适当的表面活性剂种类和添加量，使纳米流体燃料的稳定性和点火燃烧性能显著提高；3、本发明所用的纳米颗粒对发动机壁面的磨损较小；4、制备方法简单，可大量制备。
附图说明
图1是本发明中实施例的纳米流体燃料样品示意图；
图2是本发明中实施例1、2及对比例1、2沉淀后固体颗粒的扫描电镜照片 (5k倍)；
图3是本发明中实施例1-3及对比例1、2的沉淀时间图；
图4是本发明中实施例2和对比例3、4最高燃烧温度图；
图5是本发明中实施例2和对比例3、4的燃烧时间图。
具体实施方式
本发明的纳米流体燃料，包括液体燃料、以及分散在液体燃料中的固体含能纳米颗粒和能够改进液体燃料稳定性和燃烧性能的表面活性剂。
其中，纳米流体燃料中固体含能纳米颗粒的质量百分数为1-20％、表面活性剂的质量百分数为1-3％、其余为液体燃料。
液体燃料为生物乙醇。固体含能纳米颗粒为纳米铝、纳米硼中的一种或两种。表面活性剂为硬脂酸、油酸、柠檬酸和吐温-80中的一种或几种。
下面通过实施例1、2、3说明本发明纳米流体燃料的制备方法。
实施例1
将0.25g纳米铝颗粒加入至4.7g生物乙醇中，装入试剂瓶中振荡5分钟进行初步混合，加入0.05g硬脂酸，在50℃下超声分散20分钟(超声波功率为80W)，静置冷却至室温，得到无沉淀的均匀深灰色流体燃料，如图1所示，图1中所示还有纯生物乙醇。静置观察至其产生明显沉淀，沉淀后固体颗粒的扫描电镜图如图2(a)所示，团聚体较少。其沉淀时间为336h，如图3所示。
实施例2
将0.25g纳米铝颗粒加入至4.7g生物乙醇中，装入试剂瓶中振荡5分钟进行初步混合，加入0.05g油酸，在50℃下超声分散20分钟(超声波功率为80W)，静置冷却至室温，得到无沉淀的均匀深灰色流体燃料，如图1所示。静置观察至其产生明显沉淀，沉淀后固体颗粒的扫描电镜图如图2(b)所示，团聚体最少。其沉淀时间为348h，如图3所示。
对本实施例得到的纳米流体燃料进行点火燃烧测试(使用400W的CO2激光束对0.1mL上述纳米流体燃料持续加热1s，下同)，得到最高燃烧温度为832.4℃、燃烧时间为1.86s，如图4、图5所示。
实施例3
将0.25g纳米硼颗粒加入至4.7g生物乙醇中，装入试剂瓶中振荡5分钟进行初步混合，加入0.05g硬脂酸，在50℃下超声分散20分钟(超声波功率为80W)，静置冷却至室温，得到无沉淀的均匀深褐色流体燃料，如图1所示。静置观察至其产生明显沉淀，其沉淀时间为384h，如图3所示。
对比例1
沉淀时间对比
将0.25g纳米铝颗粒加入4.75g生物乙醇中，装入试剂瓶中振荡5分钟进行初步混合，不添加任何表面活性剂，在50℃下超声分散20分钟(超声波功率为 80W)，静置冷却至室温，得到无沉淀的均匀深灰色流体燃料。静置观察至其产生明显沉淀，沉淀后固体颗粒的扫描电镜图如图2(c)所示，团聚体较多。和实施例2得到的流体燃料相比，沉淀时间缩短了300h，如图3所示。
对比例2
沉淀时间对比
将0.25g纳米铝颗粒加入至4.7g生物乙醇中，装入试剂瓶中振荡5分钟进行初步混合，加入0.05g柠檬酸，在50℃下超声分散20分钟(超声波功率为80W)，静置冷却至室温，得到无沉淀的均匀深灰色流体燃料。静置观察至其产生明显沉淀，沉淀后固体颗粒的扫描电镜图如图2(d)所示，团聚体最多。和实施例2 得到的流体燃料相比，沉淀时间缩短了336h，如图3所示。
对比例3
燃烧性能对比
将0.25g纳米铝颗粒加入4.75g生物乙醇中，装入试剂瓶中振荡5分钟进行初步混合，不添加任何表面活性剂，在50℃下超声分散20分钟(超声波功率为 80W)，静置冷却至室温。得到无沉淀的均匀深灰色流体燃料。对本实施例得到的纳米流体燃料进行点火燃烧测试，和实施例2得到的流体燃料相比，最高燃烧温度降低77.8℃、燃烧时间缩短0.05s，如图4、图5所示。
对比例4
燃烧性能对比
将0.25g纳米硼颗粒加入至4.75g生物乙醇中，装入试剂瓶中振荡5分钟进行初步混合，不添加任何表面活性剂，在50℃下超声分散20分钟(超声波功率为80W)，静置冷却至室温，得到无沉淀的均匀深灰色流体燃料。对本实施例得到的纳米流体燃料使用点火燃烧测试，和实施例2得到的流体燃料相比，最高燃烧温度降低133.7℃、燃烧时间延长0.54s，如图4、图5所示。

Claims (7)

1.一种纳米流体燃料，其特征在于：包括液体燃料、以及分散在所述液体燃料中的固体含能纳米颗粒和能够改进液体燃料稳定性和燃烧性能的表面活性剂，
其中，所述纳米流体燃料中固体含能纳米颗粒的质量百分数为1-20％、表面活性剂的质量百分数为1-3％、其余为液体燃料。
2.根据权利要求1所述的纳米流体燃料，其特征在于：所述液体燃料为生物乙醇。
3.根据权利要求1所述的纳米流体燃料，其特征在于：所述固体含能纳米颗粒为纳米铝、纳米硼中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的纳米流体燃料，其特征在于：所述表面活性剂为硬脂酸、油酸、柠檬酸和吐温-80中的一种或几种。
5.一种纳米流体燃料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将固体含能纳米颗粒与液体燃料初步混合并混匀，得到共混纳米流体；
(2)向步骤(1)中得到的共混纳米流体中加入表面活性剂，并分散均匀，得到所述纳米流体燃料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，分散采用超声方式，其超声波功率60-100W，超声分散时间20-30min。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，分散在温度为40℃-60℃的条件下进行。
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