-
Aufgabe
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Herstellung und zur Stabilisierung von Wasser-Öl-Emulsionen ohne Emulgatoren, insbesondere für schadstoffarm und effizient verbrennende Kraftstoffe, vorzugsweise für Dieselkraftstoffe. Sie umfaßt aber auch Anwendungen für andere Öle aller Art.
-
Stand der Technik
-
- A. Es ist bekannt, daß die Beimischung von Wasser zu (öligen) Kraftstoffen, insbesondere zu Dieselkraftstoff, zu einer Verminderung des Schadstoffausstoßes und einer Erhöhung der Effizienz insbesondere von Kraftstoffen, insbesondere Dieselkraftstoffen, führt. Die Streckung von Dieselkraftstoff mit Wasser hat eine deutliche Verringerung der Schadstoffe (Stickoxide und Ruß) in der Verbrennung zur Folge. Dies entlastet die Umwelt. Die geringere Verbrennungstemperatur des Gemisches steigert die Effizienz des Kraftstoffs. Trotz Streckung mit Wasser bleibt die Leistung daher weitgehend erhalten.
-
Handelsübliche Dieselmotoren zünden auch selbst bei 50 Prozent Wasseranteil problemlos. Entsprechende Ergebnisse wurden beispielsweise von einer Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Reinhard Strey, Universität zu Köln, vorgelegt. Nach
Nawrath et al., "Rußfreie Verbrennung von Diesel als Mikroemulsion" (Sonderdruck Universität zu Köln, 2005) kann hierdurch der Ausstoß von Ruß um bis zu 90%, von NOx um bis zu 60% gesenkt werden. Es tritt zudem kein signifikanter Leistungsverlust ein. Außerdem sinkt das Motorengeräusch.
-
Voraussetzung ist ein ”Hilfsmittel”, um die von Natur aus nicht mischfähigen Komponenten bipolares Wasser und unpolares Öl ausreichend zu mischen. Der Stand der Technik benennt zahlreiche Lösungsvorschläge, um die Wasserbeimischung in Kraftstoffe (insbesondere solche aus Erdöl) zu ermöglichen.
-
Aus der Luftfahrtgeschichte ist die Wassereinspritzung in Kolbenmotoren bei Kampfflugzeugen schon im 2. Weltkrieg (1939–1945) dokumentiert, die vor allem durch gleichzeitige Beigabe von Methanol (CH3-OH) erreicht wurde. Hiermit waren kurzfristig deutliche Leistungssteigerungen der Triebwerke erzielbar. Möglich waren je nach Flughöhe über 400 PS Zusatzleistung pro Motor für 10–20 min. mit der sog. MW-50-Anlage, die ein Gemisch aus 49,5% Methanol, 0,5% Schutzöl und 50% Wasser in den Treibstoff bei 4 bar einspritzte (Beispiel: Junkers V-12 flüssigkeitsgekühlter Flugmotor Jumo 213A-1 im Mehrzweckkampfflugzeug Junkers Ju 188A-2: Bodenleistung je Motor 1.776 h. p. und Höhenleistung in ca. 5–6 km Höhe 1.600 h. p., mit MW 50 Bodenleistung 2.240 h. p. und Höhenleistung 1.880 h. p., Daten nach den beiden führenden Standardwerken von William Green, Warplanes of the Third Reich, 2. Aufl. London 1982, S. 488, und von J. R. Smith und Anthony Kay, German Aircraft of the Second World War, 3. Aufl. London 1978, S. 427). Es gab seltener auch die MW-30-Anlage mit 30% Methanol).
-
Methanol ist ein primärer Alkohol, der wegen seiner polaren OH-Gruppe mit Wasser in praktisch jedem Verhältnis mischbar ist und zudem auch selbst als Kraftstoff genutzt werden kann. Methanol wurde etwa als Raketenbrennstoff verwendet und wird noch heute z. B. für die Biodiesel-Herstellung aus Rapsöl benutzt. Ähnliche Ansätze wurden auch mit anderen Alkoholen, z. B. dem ”eigentlichen” Alkohol (Ethanol, C2H5-OH), verfolgt (ebenfalls bei vorgenannten Flugzeugen, mit sog. EW Anlagen, jedoch weniger häufig). Auch nach dem Krieg befassen sich diverse teils auch patentierte Vorschläge (z. B.
EP 0475620 ,
US 4.002.435 ) mit derartigen vorwiegend alkoholbasierten Konzepten.
-
Nachteilig sind hier die für praktische Anwendungen die nach heutigen Maßstäben völlig inakzeptabel hohen Mengen an Alkoholen. Trotz jahrzehntelanger Forschung konnten zudem keine für den serienmäßigen Dauerbetrieb brauchbaren Realisierungen entwickelt werden. Das heutige Ziel der Kraftstoffe sind auch nicht kurzfristige Höchstleistungen ohne Rücksicht auf Aufwand und Motorschäden (z. B. deutliche Verschleißerhöhung der Zündkerzen im Falle der Wasser-Methanol-Einspritzung), sondern Schadstoffsenkungen und erhöhte Wirtschaftlichkeit im Dauerbetrieb.
-
Davon ausgehend wurden in großer Vielzahl Lösungen mit Emulgatoren vorgeschlagen, teils nur mit einem Tensid, teils mit mehreren Tensiden und Cotensiden, in oft sehr aufwendiger Mischung. Versuche mit Markenkraftstoffen (z. B. Elf ”Aquazole” seit 1999 in Europa, Shell ”Aquadiesel” seit 2002 in Australien) wurden durchgeführt, blieben aber auf experimentelle oder ganz spezielle Anwendungen (Unter-Tage-Verwendung) begrenzt. Besonders bekannt wurde aus der Gruppe der auf Tenside aufgebauten Konzepte in Deutschland durch zahlreiche Presseveröffentlichungen der Gegenstand der
DE 103 34 897 A1 (
Strey et al., 2005). Hier wird eine auf nicht abschließend definierte Weise ”optimiert” gemischte amphiphile Komponente vorgeschlagen, die in aufwendiger individueller Anpassung diverser chemischer Bestandteile die Bildung einer bikontinuierlichen Mikroemulsion ermöglichen soll.
-
Nachteilig ist hierbei jedoch die von jedem Einsatzzweck und Motorentyp individuell abhängige, komplexe Anforderung an das genaue Mischverhältnis zahlreicher, zudem kostenaufwendiger Bestandteile. Mangels hinreichender Stabilität und aufgrund der jeweiligen Anpassungsnotwendigkeiten müßten für jeden Motor spezifische, aufwendige Zusatzeinrichtungen entwickelt, zertifiziert und eingebaut werden, was zu erheblichen Vorbehalten der Industrie führt. Zudem benötigen moderne Dieseleinspritzsysteme eine Temperaturstabilität bis deutlich über 100°C, die mit der vorgenannten Erfindung nicht realisiert werden konnte (
P. Trechow, "Forscher strecken Diesel mit Wasser", VDI-Nachrichten 30.09.2005). In der
DE 103 34 897 werden sogar nur 70°C als dem erzielbaren Höchstwert angegeben.
-
Typischerweise müssen heute für Wasserdiesel oder Wasserbeimischungen in andere Kraftstoffe noch enorme Mengen von Emulgatoren zugesetzt werden. Alkoholbasierte Lösungen brauchen oft sogar höhere prozentuale Anteile an Zusätzen als an Wasser und eigentlichem Treibstoff verwendet werden. Üblich sind jedenfalls wenigstens 20% Alkohol. Bei den Tensiden werden immer noch Mengen im Prozentbereich (meist 2%–10%) benötigt, wobei heute 5% als ”üblich” gelten. Ganz wenige Lösungen kommen angeblich unter besten Bedingungen mit 1% Tensiden aus (
US 4.158.551 ;
US 4.465.494 ). Selbst die derzeit wohl aufwendigste Form (
DE 103 34 897 ) spricht nur von ”5% oder deutlich weniger”, also einem Wert jedenfalls im Prozentbereich, wobei in der zugehörigen Publikation
Nawrath et. al. (aaO. unter ”Verbrennungs-Experimente”) eine Tensidbeimischung von doch wiederum 10% eingeräumt wird.
- B. Aus der DE 20 2004 010 305 U1 (Vitt) ist nun bekannt, die notwendige Herstellung der Emulsion statt durch chemische Zusätze durch Entgasung des Wassers zu erreichen. Zur Herstellung der Entgasung stehen einfache und preisgünstige, zudem kleine, und leichte handelsübliche mechanische Vorrichtungen zur Verfügung, z. B. durch Vakuumerzeugung und/oder Erhitzung. Temperaturstabilität über 100°C ist gewährleistet, die Kosten sind überschaubar. Zudem wird die Leistung nicht beeinträchtigt, sondern durch die geringere Verbrennungstemperatur sogar u. U. um bis zu etwa 10% erhöht (was im übrigen bereits das beabsichtigte Ergebnis der ursprünglichen alkoholgemischten Wassereinspritzung in militärischer Verwendung war). Dies wird bei größeren Mengen von Emulgatoren ebenfalls nicht erreicht; hier ist eine Leistungsneutralität zumindest im insoweit relevanten oberen Leistungsspektrum bereits das maximal mögliche Resultat (Nawrath aaO.).
-
Die
DE 20 2004 010 305 U1 (Vitt) lehrt nun die Herstellung einer stabilen Emulsion von Wasser und Öl durch Entgasung des Wassers. Damit steigt dessen Emulsionsfähigkeit. Bereits die etwa 97%ige Entgasung durch eine einfache Wasserstrahlpumpe stellt ein Wasser zur Verfügung, das sich mit Ölen aller Art problemlos mischt. Weitere Entgasung durch Verwendung eines höheren Vakuums ist zu überschaubaren Kosten möglich. Hierfür stehen handelsübliche Produkte, etwa aus der Getränkeindustrie, zur Verfügung. Entgastes Wasser ist damit zu geringen Kosten in großen Mengen verfügbar.
-
Entgaste Wasserproben aller Art mischen sich in jedem Verhältnis spontan mit hydrophoben Flüssigkeiten wie Ölen (Pashley, R. M., J Phys Chem B 2003, 107, 1714–1720). Diese Mischungen bleiben auch stabil. Wenn die Emulsion einmal hergestellt ist, kann sie auch wieder Gasen wie etwa Luft ausgesetzt werden, ohne daß nachteilige Änderungen eintreten (aaO.).
-
Der Effekt, der bei Entgasung des Wassers die Mischbarkeit mit Ölen herbeiführt, ist elektromagnetischer Natur (siehe
DE 20 2007 001 960 – Vitt II). Er hängt nur mit der zeitabhängigen Varianz des Interferenzfeldes der Wassermoleküle untereinander zusammen, weshalb die Dicke der hydrophoben Schicht auch durch die Entgasung nicht abnimmt.
-
Das ist heute anerkannt, gilt aber mangels der vorgenannten Erklärung noch als überraschend. Denn selbst in neuen Untersuchungen wird davon ausgegangen, daß gelöste Gase angeblich auf die hydrophoben Effekte des Öls keinerlei Auswirkung haben sollen, da sie die Größe des hydrophoben Spalts nicht verändern und daher unpolare Gase auch nicht die früher dort angenommenen ”Mikrobläschen” bilden würden (Mezger et al., High-resolution in situ x-ray study of the hydrophobic gap at the water – octadecyl-trichlorsilane interface, Pressemeldung Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart v. 11.12.2006, www.chemie.de/news/d/60008).
-
Ein besonderer Vorteil der Nutzung entgasten Wassers ist die freie Wählbarkeit des Wasseranteils, je nach verwendetem Öl und Motor optimiert. Aufwendige Zusätze von Emulgatoren wie z. B. Tensiden entfallen.
- C. Die DE 20 2007 001 960 U1 (Vitt II) ergänzt die vorgenannte Lösung durch eine bevorzugte Ausführungsform, in der eine feine lokale Emulsionsherstellung bewirkt wird durch Mikroporen, die heute in vielfacher Form handelsüblich erhältlich sind. Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diesen Ansatz noch weiter zu verbessern und effektiver zu machen, insbesondere im Hinblick auf die Stabilisierung und Aufrechterhaltung der Emulsion.
-
Erfindungsgemäße Lösung
-
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, die Durchmischung mittels Mikroporen und/oder Membranen gemäß der
DE 20 2007 001 960 (Vitt II) dadurch zu ergänzen, daß diese aus nichtleitenden Materialien hergestellt werden, an die ein elektrisches Feld dergestalt angelegt wird, daß im Wasser und damit in der gesamten Emulsion Effekte der Strömungselektrizität ausgenutzt werden können, und zwar in Form der sog. Elektroosmose.
-
Unter diesem von F. Reuss Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckten Effekt versteht man herkömmlich die Bewegung des Wassers unter elektrischer Spannung, die durch die positiven Ladungsdoppelschichten an der Wassergrenzfläche zu den Poren bewirkt wird. Da die etwa 1 nm dicken Grenzflächen nur von Ionen besetzt werden können, denen der neutralisierende Gegenspieler (wie im Inneren der Flüssigkeit) fehlt, führt der Ausgleich des elektrochemischen Potentials zu einem (im Falle von Wasser flüssigkeitsseitig positiv geladenen) Feld an der Grenzschicht zu einem nichtleitenden Festkörper (elektrische Leiter schließen das Feld kurz).
-
Wird an diese Grenzschicht eine entsprechend gerichtete äußere Spannung angelegt, kommen die Ionen der Doppelschicht in Bewegung und ziehen durch Hydratisierung angelagerte Wassermoleküle sowie durch innere Reibung die ganze Emulsion mit (Gerthsen, Physik, von Dieter Meschede bearbeitete 24. Aufl. Heidelberg 2010, S.359, 360; Bergmann/Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2, Elektromagnetismus, von Wilhelm Raith bearbeitete 9. Auflage, Berlin 2006, S. 782, 783).
-
Die resultierende Kraft wirkt allerdings nur auf kleine Flüssigkeitsschichten und ist daher nur in dünnen Kapillaren bis zur Breite von einigen Mikrometern wirksam. Diese Voraussetzung ist jedoch in den vorgenannten Mikroporen bzw. Membranen gegeben.
-
Der Vorteil der Nutzung der Elektroosmose durch einen entsprechend unter elektrische Spannung gesetzten, selbst nichtleitenden Porenfilter bzw. eine entsprechende Membran liegt nicht nur in der Förderung des Durchflusses (ohne daß hierbei, aufgrund der immer noch geringen Fließgeschwindigkeiten solcher Systeme, die Emulgierung gestört wird), sondern vor allem in einer weiteren Förderung des Mischungsprozesses zwischen Wasser und Öl.
-
Wie schon in der
DE 20 2007 002 851 U1 (Vitt III) ausgeführt, beruht der Störeffekt der Gasmoleküle im Wasser bei der Emulgierung nicht in ihrer Raumausdehnung, sondern in ihren elektrodynamischen Einflüssen auf das Verhalten der Wasserstrukturen. Daraus wurde in der zitierten Schutzschrift bereits allgemein geschlossen, daß es sinnvoll sein kann, zur Optimierung der Mischung auch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu optimieren und/oder zu stabilisieren, u. a. durch die äußere Verwendung Insbesondere magnetischer und/oder elektrischer/elektrostatischer Felder. Das wurde allerdings nicht näher spezifiziert.
-
Der Effekt der Elektroosmose ermöglicht nun durch innere Reibung an den grenzschichtnahen Wassermolekülen eine sehr feine, störungsfreie Durchmischung bei gleichzeitiger stabiler elektrischer Ausrichtung der Ionen und der anliegenden hydratisierten Moleküle. Da die hydrophoben Effekte typischer Öle gerade nur im Bereich einer Wassermolekülbreite liegen (ca. 0,2–0,6 nm) liegen, unterbindet diese Umgebung ihre Wirksamkeit. Während die nur statistische ”Ordnung” großflächiger elektrischer Effekte im Wasser (Elektrophorese, Elektrolyse, Ionenleitung), verbunden mit zusätzlicher Gasblasenbildung, einer Emulsionsherstellung hinderlich wäre und daher bislang elektromagnetische ”Stabilisierung” für nötig gehalten wurde, bewirkt dieser Nanoeffekt das Gegenteil – er fördert die Emulsionsbildung Wasser-Öl.
-
Zur Vermeidung von elektrolytischen Effekten und ihren chemischen Auswirkungen müssen für die Elektroden geeignete Materialien gewählt werden, wie z. B. konjugierte Polymere oder ummantelte Elektroden.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform wählt den Mikroporenfilter bzw. die Membran in Form eines beidseitig oben und unten offenen Zylinders, der in den Behälter mit der herzustellenden oder zu stabilisierenden Wasser-Öl-Emulsion eingetaucht wird. Die Kathode wird um den Zylinder aufgewickelt, die Anode liegt in der Mischung bzw. Emulsion. Dadurch entsteht ein elektroosmotischer Strom vom Flüssigkeitsbereich im Inneren des Zylinders nach außen. Eventuelle Verwirbelungen durch andere Elektroströmungseffekte wirken dabei hingegen senkrecht durch die Zylinderöffnungen nach oben und unten und beeinträchtigen den Emulsionsbildungsprozeß nicht.
-
Der entscheidende Vorteil dieser Methode besteht darin, daß keine völlige Durchmischung oder Emulsionsbildung allein hierdurch erzielt werden muß, was aufgrund der Langsamkeit des Prozesses möglicherweise zu aufwendig wäre. Bereits die Tatsache, daß an der Oberfläche der Membran eine konzentrische Zylinderfläche elektrisch ”geordneter” Emulsion quasi nach außen abgestoßen wird, führt zur Fortsetzung der latent im entgasten Wasser vorhandenen Tendenz zu Emulsionsbildung, d. h. sie ”wächst” ähnlich einem Kristall dann von allein in der Flüssigkeit im Behälter nach außen weiter. Entspricht die Geometrie der Membran (Zylinder) der Form des Behälters, was leicht realisierbar ist, verbessert sich dieser Effekt noch. Möglich ist es aber auch, viele kleine Porenfilter zu verwenden, die z. B. entsprechend der Form im Behälter angeordnet sind.
-
Abschließend ist festzuhalten, daß diese Vorrichtung vorliegend am Beispiel von Kraftstoffen, insbesondere Wasserdiesel, exemplifiziert wurde, aber auch für die sonstige Herstellung von Wasser-Öl-Emulsionen aller Art und für alle Anwendungen geeignet ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0475620 [0005]
- US 4002435 [0005]
- DE 10334897 A1 [0007]
- DE 10334897 [0008, 0009]
- US 4158551 [0009]
- US 4465494 [0009]
- DE 202004010305 U1 [0009, 0010]
- DE 202007001960 [0012, 0015]
- DE 202007001960 U1 [0014]
- DE 202007002851 U1 [0020]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Nawrath et al., ”Rußfreie Verbrennung von Diesel als Mikroemulsion” (Sonderdruck Universität zu Köln, 2005) [0002]
- William Green, Warplanes of the Third Reich, 2. Aufl. London 1982, S. 488 [0004]
- J. R. Smith und Anthony Kay, German Aircraft of the Second World War, 3. Aufl. London 1978, S. 427 [0004]
- Strey et al., 2005 [0007]
- P. Trechow, ”Forscher strecken Diesel mit Wasser”, VDI-Nachrichten 30.09.2005 [0008]
- Nawrath et. al. [0009]
- Pashley, R. M., J Phys Chem B 2003, 107, 1714–1720 [0011]
- Mezger et al. [0013]
- www.chemie.de/news/d/60008 [0013]
- Gerthsen, Physik, von Dieter Meschede bearbeitete 24. Aufl. Heidelberg 2010, S.359, 360 [0017]
- Bergmann/Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2, Elektromagnetismus, von Wilhelm Raith bearbeitete 9. Auflage, Berlin 2006, S. 782, 783 [0017]