RU2444560C1 - Metal-containing fuel dope, method of its production and application - Google Patents

Metal-containing fuel dope, method of its production and application Download PDF

Info

Publication number
RU2444560C1
RU2444560C1 RU2010126772/05A RU2010126772A RU2444560C1 RU 2444560 C1 RU2444560 C1 RU 2444560C1 RU 2010126772/05 A RU2010126772/05 A RU 2010126772/05A RU 2010126772 A RU2010126772 A RU 2010126772A RU 2444560 C1 RU2444560 C1 RU 2444560C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
metal
industrial
molybdenum trioxide
mechanical activation
Prior art date
Application number
RU2010126772/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010126772A (en
Inventor
Игорь Владимирович Колбанев (RU)
Игорь Владимирович Колбанев
Анатолий Александрович Борисов (RU)
Анатолий Александрович Борисов
Андрей Николаевич Стрелецкий (RU)
Андрей Николаевич Стрелецкий
Кирилл Яковлевич Трошин (RU)
Кирилл Яковлевич Трошин
Сергей Михайлович Фролов (RU)
Сергей Михайлович Фролов
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН)
Priority to RU2010126772/05A priority Critical patent/RU2444560C1/en
Publication of RU2010126772A publication Critical patent/RU2010126772A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2444560C1 publication Critical patent/RU2444560C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: proposed dope comprises industrial powder of metal selected from the group: aluminium, magnesium, and solid oxidiser. The latter represents nanosized powder of molybdenum trioxide with mean particle size no exceeding 100 nm produced by mechanical activation on industrial powder of molybdenum trioxide. Ratio of components is as follows, in wt %: metal powder - 30-70, nanosized powder of molybdenum trioxide makes the rest. Components are subjected to joint mechanical activation by mixing and milling in power-intensive ball mil in inert atmosphere. Note here that mechanical activation is performed in two step. At first step, molybdenum trioxide powder is minced to mean particle size not exceeding 100 nm. At second step, obtained nanosized molybdenum oxide powder is mixed with industrial powder of metal and subjected to another mechanical activation.
EFFECT: notably reduced self-ignition delay and higher rate of fuel-air mix combustion.
3 cl, 6 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к топливным присадкам, а именно к металлсодержащим присадкам к топливам, и может быть использовано при сжигании топлива в технологических устройствах и энергетических установках, в частности, в двигателях наземного транспорта и летательных аппаратов.The invention relates to fuel additives, and in particular to metal-containing additives to fuels, and can be used for burning fuel in technological devices and power plants, in particular, in engines of land vehicles and aircraft.

Роль присадок при производстве и применении топлив постоянно растет. Присадки различаются по назначению и по механизму действия, при этом в качестве присадок к топливам предлагаются соединения самых разных классов, как органические, так и неорганические (A.M.Данилов. Применение присадок в топливах. - М.: Мир, 2005 г., 287 с.).The role of additives in the production and use of fuels is constantly growing. Additives differ in purpose and in the mechanism of action, while compounds of various classes, both organic and inorganic, are offered as additives to fuels (AM Danilov. The use of additives in fuels. - M .: Mir, 2005, 287 p. )

Известно множество видов металлсодержащих присадок к топливам - от гомогенных растворов соединений металлов в водных или углеводородных средах до суспензий (взвесей) видимых металлических частиц. В границах этого диапазона располагаются металлсодержащие присадки на основе наночастиц, представляющие наибольший интерес.Many types of metal-containing fuel additives are known - from homogeneous solutions of metal compounds in aqueous or hydrocarbon media to suspensions (suspensions) of visible metal particles. Within the limits of this range are metal-containing additives based on nanoparticles of greatest interest.

Большинство металлсодержащих присадок к топливам обладают каталитическими свойствами (см., например, RU 2304610, C10L 1/18, C10L 1/30, C10L 10/00, C10L 10/06, 20.08.2007; US 4892562, НКИ 44/324, МПК C10L 1/30, C10L 1/10, C10L 1/14, C10L 1/18, C10L 10/00, 09.01.1990; RU 2296152, C10L 1/18, 27.03.2006; RU 2069774, F02B 51/02, F02B 77/02, F02M 27/02, 27.11.1996; US 5919276, НКИ 44/370, МПК C10L 10/00, C10L 1/10, C10L 1/14, 06.07.1999).Most metal fuel additives have catalytic properties (see, for example, RU 2304610, C10L 1/18, C10L 1/30, C10L 10/00, C10L 10/06, 08/20/2007; US 4892562, NKI 44/324, IPC C10L 1/30, C10L 1/10, C10L 1/14, C10L 1/18, C10L 10/00, 01/09/1990; RU 2296152, C10L 1/18, 03/27/2006; RU 2069774, F02B 51/02, F02B 77/02, F02M 27/02, 11/27/1996; US 5919276, NKI 44/370, IPC C10L 10/00, C10L 1/10, C10L 1/14, 07/06/1999).

Известны металлсодержащие присадки каталитического действия на основе наночастиц.Known metal-containing additives of catalytic action based on nanoparticles.

В патенте RU 2352618, C10L 1/12, C10L 10/02, C01F 17/00, опубл. 20.04.2009, в качестве топливной присадки предложены наночастицы оксида церия в сочетании с детергентом, который покрывает частицы оксида церия, и другими добавками. Отмечено, что эффективность присадки зависит от размера частиц оксида церия - они должны быть меньше 1 мкм в размере и предпочтительно составлять 1-300 нм в размере. Для получения данной присадки оксид церия измельчают в неполярном органическом растворителе в ультразвуковой или шаровой мельнице в присутствии детергента, предпочтительно имидов алифатических дикарбоновых кислот.In the patent RU 2352618, C10L 1/12, C10L 10/02, C01F 17/00, publ. 04/20/2009, cerium oxide nanoparticles in combination with a detergent that covers particles of cerium oxide and other additives are proposed as a fuel additive. It is noted that the effectiveness of the additive depends on the size of the particles of cerium oxide - they should be less than 1 μm in size and preferably be 1-300 nm in size. To obtain this additive, cerium oxide is ground in a non-polar organic solvent in an ultrasonic or ball mill in the presence of a detergent, preferably imides of aliphatic dicarboxylic acids.

В патенте RU 2361903, C10L 1/00, C10L 1/10, C10L 1/12, опубл. 20.07.2009, предложены присадки к топливу из наносплава двух или более металлов, которые получают либо восстановлением смеси водных растворов солей металлов в присутствии детергента, либо смешиванием и измельчением порошков металлов при температуре и давлении, достаточных для формирования сплава с последующим добавлением детергента для образования покрытия на частицах сплава. Продолжительность измельчения в присутствии детергента составляет 24-36 час. Размер частиц наносплава не должен превышать 100 нм.In the patent RU 2361903, C10L 1/00, C10L 1/10, C10L 1/12, publ. 07/20/2009, two or more metal alloys for fuel are proposed, which are obtained either by reducing a mixture of aqueous solutions of metal salts in the presence of a detergent, or by mixing and grinding metal powders at a temperature and pressure sufficient to form an alloy with subsequent addition of a detergent to form a coating on alloy particles. The duration of grinding in the presence of a detergent is 24-36 hours. The particle size of the nanosplit should not exceed 100 nm.

В патенте RU 2259388, C10L 1/12, опубл. 27.08.2005, в качестве присадки к дизельному топливу предложено использовать наноразмерные частицы смеси гидроокисей переходных металлов, в основном гидроокиси железа, получаемые осаждением щелочью отработанных растворов травления печатных плат и стали, высушиванием осадка и диспергированием его в среде дизельного топлива.In patent RU 2259388, C10L 1/12, publ. 08/27/2005, as an additive to diesel fuel, it was proposed to use nanosized particles of a mixture of transition metal hydroxides, mainly iron hydroxide, obtained by alkali deposition of spent solutions for etching printed circuit boards and steel, drying the precipitate and dispersing it in a diesel fuel.

Известные металлсодержащие присадки в той или иной степени обеспечивают повышение эффективности сгорания топлива и уменьшение выбросов вредных веществ с выхлопными газами за счет каталитического действия металлов, но не позволяют улучшить параметры воспламеняемости и горения топливно-воздушной смеси, что в настоящее время является одной из главных проблем при создании топливных присадок.Known metal-containing additives to one degree or another provide an increase in the efficiency of fuel combustion and a decrease in emissions of harmful substances with exhaust gases due to the catalytic effect of metals, but do not allow to improve the flammability and combustion of the fuel-air mixture, which is currently one of the main problems in creating fuel additives.

Способы получения приведенных известных присадок на основе наночастиц металлов или их соединений отличаются сложностью технологии и требуют применения различных веществ, в том числе малодоступных.The methods for producing the above known additives based on metal nanoparticles or their compounds are distinguished by the complexity of the technology and require the use of various substances, including inaccessible ones.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу получения заявляемой металлсодержащей присадки к топливам является способ получения механоактивированного пиротехнического состава, разработанный ранее в ИХФ РАН и описанный в патенте RU 2235085, С06В 33/00, опубл. 27.08.2004 (прототип). Способ-прототип заключается в механоактивировании смеси промышленных порошков энергоемких материалов - алюминия и триоксида молибдена - путем перемешивания и измельчения в энергонапряженной шаровой мельнице в присутствии 30-50 мас.% нейтральной жидкости. В качестве нейтральной жидкости используют жидкий летучий углеводород. Обрабатывают смесь в мельнице в течение 3-4 мин циклами по 30 секунд с промежутками в 1 мин. Барабан мельницы продувается аргоном. Размер частиц в полученной гомогенной смеси порошков составляет 15-20 мкм.The closest in technical essence to the proposed method for producing the inventive metal-containing fuel additives is a method for producing mechanically activated pyrotechnic composition, previously developed at the Institute of Chemical Physics of RAS and described in patent RU 2235085, С06В 33/00, publ. 08/27/2004 (prototype). The prototype method consists in mechanically activating a mixture of industrial powders of energy-intensive materials - aluminum and molybdenum trioxide - by mixing and grinding in an energy-intensive ball mill in the presence of 30-50 wt.% Neutral liquid. A liquid volatile hydrocarbon is used as a neutral liquid. The mixture is treated in a mill for 3-4 minutes in cycles of 30 seconds at intervals of 1 minute. The mill drum is purged with argon. The particle size in the resulting homogeneous mixture of powders is 15-20 microns.

Способ-прототип отличается простотой технологии и доступностью исходных компонентов, но не позволяет получать металлсодержащий порошок в наноразмерном состоянии.The prototype method is simple technology and the availability of the starting components, but does not allow to obtain a metal-containing powder in the nanoscale state.

Задачей изобретения является создание такой металлсодержащей присадки к топливам, которая благодаря принципиально иному механизму ее действия по сравнению с известными металлсодержащими присадками, позволит улучшить параметры воспламеняемости и горения топливно-воздушной смеси - обеспечит существенное уменьшение задержки самовоспламенения и повышение скорости горения топливно-воздушной смеси.The objective of the invention is the creation of such a metal-containing additive to fuels, which, thanks to a fundamentally different mechanism of its action compared to the known metal-containing additives, will improve the flammability and combustion of the fuel-air mixture - it will significantly reduce the delay of self-ignition and increase the burning rate of the fuel-air mixture.

Задачей изобретения является также разработка способа получения заявляемой присадки к топливам, который, как и способ-прототип, будет отличаться простотой технологии и доступностью исходных компонентов и в то же время позволит получать металлсодержащую присадку в виде порошка с наноразмерными компонентами.The objective of the invention is the development of a method for producing the inventive additives to fuels, which, like the prototype method, will be distinguished by the simplicity of technology and the availability of the starting components and, at the same time, will make it possible to obtain a metal-containing additive in the form of a powder with nanoscale components.

Задачей изобретения является также разработка способа применения заявляемой присадки к топливам, который обеспечит улучшение воспламеняемости топливно-воздушной смеси и позволит повысить скорость ее горения.The objective of the invention is the development of a method of applying the inventive additive to fuels, which will provide improved flammability of the fuel-air mixture and will increase its burning rate.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемой металлсодержащей присадкой к топливам, содержащей промышленный порошок металла, выбранный из группы: алюминий, магний, и твердый окислитель - наноразмерный порошок триоксида молибдена со средним размером частиц не более 100 нм, полученный механоактивированием промышленного порошка триоксида молибдена, при следующем соотношении компонентов, мас.%:The solution to this problem is achieved by the proposed metal-containing fuel additive containing industrial metal powder selected from the group: aluminum, magnesium, and a solid oxidizing agent - nanoscale molybdenum trioxide powder with an average particle size of not more than 100 nm, obtained by mechanically activating an industrial molybdenum trioxide powder, in the following ratio components, wt.%:

промышленный порошок металлаindustrial metal powder 30-7030-70 наноразмерный порошок триоксида молибденаnanosized molybdenum trioxide powder остальное,rest,

подвергнутые совместному механоактивированию в инертной среде.subjected to joint mechanical activation in an inert environment.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом получения заявляемой металлсодержащей присадки, включающим механоактивирование промышленных порошков металла и твердого окислителя - триоксида молибдена путем перемешивания и измельчения в энергонапряженной шаровой мельнице в инертной среде, в котором в качестве промышленного порошка металла используют промышленный порошок алюминия или магния, а процесс механоактивирования осуществляют в две стадии: на первой стадии механоактивированию подвергают промышленный порошок триоксида молибдена до среднего размера частиц не более 100 нм в среде инертного газа, на второй стадии полученный наноразмерный порошок триоксида молибдена смешивают с промышленным порошком металла до содержания металла в смеси от 30 до 70 мас.% и проводят повторное механоактивирование в среде инертного газа в присутствии нейтральной жидкости.The solution of this problem is also achieved by the proposed method for producing the inventive metal-containing additives, including mechanically activating industrial metal powders and a solid oxidizing agent - molybdenum trioxide by mixing and grinding in an energy-intensive ball mill in an inert medium, in which industrial aluminum or magnesium powder is used as an industrial metal powder, and the process of mechanical activation is carried out in two stages: in the first stage, the industrial is subjected to mechanical activation molybdenum trioxide powder to an average particle size of not more than 100 nm in an inert gas medium; in the second stage, the obtained nanosized molybdenum trioxide powder is mixed with an industrial metal powder until the metal content in the mixture is from 30 to 70 wt.% and mechanical activation is repeated in an inert gas medium the presence of a neutral fluid.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом применения заявляемой металлсодержащей присадки, заключающимся в том, что присадку добавляют к топливу в количестве до 5 мас.%.The solution to this problem is also achieved by the proposed method of using the inventive metal-containing additive, which consists in the fact that the additive is added to the fuel in an amount of up to 5 wt.%.

Заявляемое изобретение было разработано на основе детальных исследований влияния процесса механоактивирования на структуру и реакционную способность предлагаемой присадки - двухкомпонентной энергоемкой системы металл/твердый окислитель.The claimed invention was developed on the basis of detailed studies of the influence of the process of mechanical activation on the structure and reactivity of the proposed additive is a two-component energy-intensive metal / solid oxidizer system.

Принципиальное отличие заявляемого изобретения от основного количества существующих патентов заключается в механизме действия предлагаемой присадки. В большинстве случаев металлсодержащая присадка используется как катализатор окисления топлива газообразным окислителем. В заявляемом изобретении присадка содержит как металл, так и твердый окислитель, взаимодействие между которыми приводит к локальному повышению температуры и давления и инициирует самовоспламенение топлива. Выбор твердого окислителя обусловлен достаточно высокими тепловыми эффектами реакции:The fundamental difference between the claimed invention and the main number of existing patents lies in the mechanism of action of the proposed additive. In most cases, the metal-containing additive is used as a catalyst for the oxidation of fuel by a gaseous oxidizer. In the claimed invention, the additive contains both metal and a solid oxidizing agent, the interaction between which leads to a local increase in temperature and pressure and initiates self-ignition of the fuel. The choice of solid oxidizer is due to the sufficiently high thermal effects of the reaction:

Me+MnOm→МеОх+М.Me + M n O m → MeO x + M.

Из этих соображений в качестве твердого окислителя был выбран оксид молибдена МоО3. В частности, тепловой эффект превращения 2Al+МоО3→Al2O3+Мо составляет 1120 ккал/кг; 3Mg+МоО3→3MgO+Мо - 1170 ккал/кг.For these reasons, molybdenum oxide MoO 3 was chosen as a solid oxidizing agent. In particular, the thermal effect of the conversion of 2Al + MoO 3 → Al 2 O 3 + Mo is 1120 kcal / kg; 3Mg + MoO 3 → 3MgO + Mo - 1170 kcal / kg.

Одной из главных задач механического активирования смесей энергоемких материалов, содержащих металлическое горючее и твердый окислитель, является максимальное увеличение реакционной способности таких систем. Рост реакционной способности может быть достигнут увеличением площади контакта компонентов реакционной смеси и накоплением дефектов в каждом из компонентов. Естественно ожидать, что при переходе к наноразмерным компонентам площадь контакта компонентов в реакционной смеси будет увеличиваться.One of the main tasks of the mechanical activation of mixtures of energy-intensive materials containing metallic fuels and solid oxidizing agents is to maximize the reactivity of such systems. The increase in reactivity can be achieved by increasing the contact area of the components of the reaction mixture and the accumulation of defects in each of the components. It is natural to expect that upon transition to nanoscale components, the contact area of the components in the reaction mixture will increase.

Методика приготовления двухкомпонентной смеси наноразмерных частиц механической активацией в принципе допускает различные варианты: совместная механическая активация смеси исходных промышленных образцов металла и окислителя размерами в десятки микрон, либо предварительное приготовление каждого из компонентов в наноразмерном состоянии, а затем совместная дополнительная гомогенизация и активация наноразмерных частиц.The method of preparing a two-component mixture of nanosized particles by mechanical activation, in principle, allows for various options: joint mechanical activation of a mixture of the initial industrial metal and oxidizer samples with sizes of tens of microns, or preliminary preparation of each of the components in the nanoscale state, and then joint additional homogenization and activation of nanosized particles.

Первый вариант активации опробован в ИХФ РАН ранее (RU 2235085, С06В 33/00, опубл. 27.08.2004 - способ-прототип). Оказалось, однако, что смесь наноразмерных компонентов таким способом получить не удается. При механической активации индивидуальных компонентов перевести в наноразмерное состояние удалось только хрупкий МоО3 (средний размер частиц меньше 100 нм, подробнее см. ниже в примере 1). Для пластичных промышленных порошков металлов (магний, алюминий) методом механической активации даже в присутствии поверхностно-активных веществ получить частицы размером меньше нескольких микрон не удается.The first activation option was tested at the IHP RAS earlier (RU 2235085, СВВ 33/00, published on August 27, 2004 — prototype method). It turned out, however, that a mixture of nanoscale components in this way cannot be obtained. During mechanical activation of the individual components, only brittle MoO 3 was able to be transferred to the nanoscale state (average particle size less than 100 nm, for more details see below in example 1). For plastic industrial metal powders (magnesium, aluminum), it is not possible to obtain particles smaller than a few microns in size by the method of mechanical activation, even in the presence of surfactants.

В результате проведенных при создании заявляемого изобретения исследований была разработана методика механической активации в две стадии: на первой стадии получают наноразмерный МоО3, а затем активируют смесь исходного порошка металла и наноразмерного МоО3. Такой подход оказался весьма эффективным - присутствие в смеси наноразмерного МоО3 способствует резкому повышению эффективности разрушения частиц металла (см. ниже примеры 2 и 3).As a result of the studies carried out during the creation of the claimed invention, the method of mechanical activation was developed in two stages: at the first stage, nanosized MoO 3 is obtained, and then a mixture of the initial metal powder and nanosized MoO 3 is activated. This approach turned out to be very effective - the presence of nanosized MoO 3 in the mixture contributes to a sharp increase in the destruction efficiency of metal particles (see examples 2 and 3 below).

В качестве исходных компонентов в предлагаемой присадке используются промышленно производимые порошки алюминия или магния и триоксида молибдена технической чистоты с содержанием активных компонентов более 95%. Средний размер частиц исходного промышленного порошка МоО3 составлял 30 мкм. Алюминиевые порошки разных марок имеют различную дисперсность. В предлагаемой присадке можно использовать различные промышленные порошки алюминия: например, сферический Al со средним размером частиц 3-7 мкм (типа АСД-4 или АСД-6) или пластинчатый Al с частицами чешуйчатой формы толщиной 1-2 мкм и поперечными размерами до нескольких десятков мкм (типа ПП-2 или ПАП-2). Размер частиц исходного промышленного порошка Mg может достигать 35-40 мкм.As the starting components in the proposed additive, industrially produced powders of aluminum or magnesium and molybdenum trioxide of technical purity with an active component content of more than 95% are used. The average particle size of the starting industrial MoO 3 powder was 30 μm. Aluminum powders of different grades have different fineness. In the proposed additive, various industrial aluminum powders can be used: for example, spherical Al with an average particle size of 3-7 μm (type ASD-4 or ASD-6) or lamellar Al with scaly particles of a thickness of 1-2 microns and transverse sizes up to several tens μm (type PP-2 or PAP-2). The particle size of the starting industrial Mg powder can reach 35-40 microns.

Смешение и механическая активация компонентов предлагаемой присадки производится в энергонапряженной шаровой мельнице, например, в вибрационной мельнице Аронова (Аронов М.И. Приборы и техника эксперимента, 1959, №1, с.153). Степень механохимического воздействия характеризуется величиной удельной дозы подведенной механической энергии Д кДж/г, рассчитываемой по соотношению: Д=It, где I - удельная энергонапряженность мельницы, t - продолжительность обработки. Энергонапряженность мельницы определяется методом тест-объектов. Приготовление наноразмерных частиц МоО3 (первая стадия) проводят в среде инертного газа (аргон). Продолжительность обработки (удельная доза подведенной энергии) определяется достижением минимального размера частиц (детали см. пример 1). Вторая стадия - механическая активация смеси исходного промышленного порошка металла и наноразмерного МоО3 (приготовленного на стадии 1) проводится в среде инертного газа в присутствии нейтральной жидкости. Нейтральная жидкость представляет собой жидкий углеводород: алифатический, циклический или ароматический, например гексан, толуол, циклогексан, бензин, дизельное топливо и др. Режимы обработки на второй стадии подбирались таким образом, чтобы происходило максимальное уменьшение размеров крупных частиц металла и достигалась максимальная гомогенизация (перемешивание) смеси, но химического взаимодействия между компонентами не было. Обработка на обеих стадиях механической активации проводится в дробном режиме: 30 секунд помола - 5 минут отдыха.Mixing and mechanical activation of the components of the proposed additive is carried out in an energy-intensive ball mill, for example, in a vibration mill Aronova (Aronov MI Instruments and experimental equipment, 1959, No. 1, p.153). The degree of mechanochemical effect is characterized by the specific dose of supplied mechanical energy D kJ / g, calculated by the ratio: D = It, where I is the specific energy intensity of the mill, t is the processing time. The energy intensity of the mill is determined by the test object method. The preparation of nanosized particles of MoO 3 (first stage) is carried out in an inert gas (argon). The processing time (specific dose of energy input) is determined by the achievement of the minimum particle size (for details, see example 1). The second stage - mechanical activation of the mixture of the initial industrial metal powder and nanoscale MoO 3 (prepared in stage 1) is carried out in an inert gas in the presence of a neutral liquid. A neutral liquid is a liquid hydrocarbon: aliphatic, cyclic or aromatic, for example, hexane, toluene, cyclohexane, gasoline, diesel fuel, etc. The processing conditions in the second stage were selected so that the largest sizes of large metal particles were reduced and maximum homogenization was achieved (mixing ) mixture, but there was no chemical interaction between the components. Processing at both stages of mechanical activation is carried out in fractional mode: 30 seconds of grinding - 5 minutes of rest.

Структуру механоактивированных порошков анализировали методами рентгено-структурного анализа, оптической и сканирующей электронной микроскопии с элементным микроанализом. Распределение частиц по размерам измеряли методом нанометровой гранулометрии. Удельную поверхность порошков определяли методом БЭТ по низкотемпературной (80 К) адсорбции аргона.The structure of mechanically activated powders was analyzed by x-ray structural analysis, optical and scanning electron microscopy with elemental microanalysis. The particle size distribution was measured by nanometer granulometry. The specific surface of the powders was determined by the BET method using low temperature (80 K) adsorption of argon.

Для иллюстрации изобретения приводим примеры и рисунки.To illustrate the invention, examples and figures are given.

Краткое описание рисунков.A brief description of the drawings.

Рис.1:Fig. 1:

(а) СЭМ изображение исходного промышленного порошка МоО3;(a) SEM image of the original industrial powder MoO 3 ;

(б) изменение величины удельной поверхности S по мере роста дозы Д активации;(b) a change in the specific surface area S as the activation dose D increases;

(в) СЭМ изображение активированного образца МоО3, D=0.72 кДж/г;(c) SEM image of an activated MoO 3 sample, D = 0.72 kJ / g;

(г) распределение частиц порошков МоО3 по размерам: активация в течение 4 мин и 36 мин.(d) particle size distribution of MoO 3 powders: activation for 4 minutes and 36 minutes.

Рис.2. СЭМ изображение активированной смеси Mg/МоО3.Fig. 2. SEM image of an activated Mg / MoO 3 mixture.

Рис.3. СЭМ изображение активированной смеси Al/МоО3.Fig. 3. SEM image of an activated Al / MoO 3 mixture.

На рис.4-6 представлены результаты измерений зависимости задержек воспламенения при добавлении к топливу предлагаемой присадки.Fig. 4-6 shows the results of measurements of the dependence of the ignition delay when adding the proposed additive to the fuel.

Пример 1.Example 1

10 г промышленного порошка МоО3 технической чистоты со средним размером частиц 30 мкм (рис.1а) помещают в вибрационную мельницу. Барабан мельницы продувается аргоном. Порошок в мельнице обрабатывают в течение различного времени (от 30 секунд до 36 минут) циклами по 30 сек с промежутками в 5 мин. После измельчения измеряют спектры рентгеновской дифракции и удельную поверхность. Данные рентгеновской дифракции подтверждают, что фазовых превращений при механической активации не происходит. Зависимость величины удельной поверхности S активированного порошка МоО3 от удельной дозы Д подведенной энергии (продолжительности измельчения) приведена на рис.1б. Видно, что на начальной стадии активации величина удельной поверхности (S) резко возрастает и при дозе Д=0,72 кДж/г (4 мин измельчения) S достигает 23 м2/г. Средний размер частиц <d>, рассчитанный из удельной поверхности по соотношению S=6/(ρ<d>), где ρ - плотность, составляет <d>=55 нм. Эта величина согласуется с результатами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (рис.1в) и измерений гранулометрического состава (рис.1г, кривая Ar-4′, <d>=60 нм). Дальнейшая механическая активация нецелесообразна. При увеличении дозы активации удельная поверхность прекращает расти и даже уменьшается (рис.1б), а наночастицы агрегируются, и их средний диаметр возрастает (рис.1г, кривая Ar-36′, <d>=100 нм).10 g of industrial purity MoO 3 powder of technical purity with an average particle size of 30 μm (Fig. 1a) is placed in a vibration mill. The mill drum is purged with argon. The powder in the mill is processed for various times (from 30 seconds to 36 minutes) in 30 sec cycles with 5 min intervals. After grinding, the X-ray diffraction spectra and the specific surface are measured. X-ray diffraction data confirm that phase transformations do not occur during mechanical activation. The dependence of the specific surface area S of the activated MoO 3 powder on the specific dose D of the supplied energy (grinding time) is shown in Fig. 1b. It can be seen that at the initial stage of activation, the specific surface area (S) sharply increases and at a dose of D = 0.72 kJ / g (4 min of grinding) S reaches 23 m 2 / g. The average particle size <d> calculated from the specific surface according to the relation S = 6 / (ρ <d>), where ρ is the density, is <d> = 55 nm. This value is consistent with the results of scanning electron microscopy (SEM) (Fig. 1c) and measurements of particle size distribution (Fig. 1d, Ar-4 ′ curve, <d> = 60 nm). Further mechanical activation is impractical. With an increase in the activation dose, the specific surface ceases to grow and even decreases (Fig. 1b), and the nanoparticles aggregate, and their average diameter increases (Fig. 1d, curve Ar-36 ′, <d> = 100 nm).

Таким образом, оптимальная доза приготовления наноразмерного порошка МоО3 составляет 0.72 кДж/г.Thus, the optimal dose for the preparation of nanosized MoO 3 powder is 0.72 kJ / g.

Пример 2.Example 2

5.52 г полидисперсного промышленного порошка магния (<d>=33-40 мкм) и 5.37 г наноразмерного порошка МоО3, полученного по примеру 1 (средний размер частиц 60 нм), помещают в барабан вибрационной мельницы. В барабан дополнительно наливают 35 мл гептана, и его продувают аргоном. Смесь обрабатывают в мельнице в течение 12 мин циклами по 30 сек с промежутками в 5 мин. Удельная доза подведенной механической энергии Д=3.5 кДж/г. Полученная двухкомпонентная гомогенная смесь состоит из наночастиц МоО3 размером 30-100 нм, объединенных в шарообразные агрегаты с размерами от 200 до 1000 нм, и субмикронных частиц магния с размерами от 100 нм до 500 нм (см. рис.2) с нанесенными на них наночастицами МоО3.5.52 g of a polydispersed industrial magnesium powder (<d> = 33-40 μm) and 5.37 g of a nanosized MoO 3 powder obtained according to Example 1 (average particle size 60 nm) are placed in a drum of a vibration mill. An additional 35 ml of heptane is poured into the drum and it is purged with argon. The mixture is processed in a mill for 12 minutes in 30 second cycles at intervals of 5 minutes. The specific dose of supplied mechanical energy is D = 3.5 kJ / g. The obtained two-component homogeneous mixture consists of MoO 3 nanoparticles with a size of 30-100 nm, combined into spherical aggregates with sizes from 200 to 1000 nm, and submicron magnesium particles with sizes from 100 nm to 500 nm (see Fig. 2) with deposited on them MoO 3 nanoparticles.

Пример 3.Example 3

3.08 г промышленного алюминиевого порошка марки ПАП-2 и 7.84 г наноразмерного порошка МоО3, полученного по примеру 1 (средний размер частиц 60 нм), помещают в барабан вибрационной мельницы. В барабан дополнительно наливают 30 мл гептана, и его продувают аргоном. Смесь обрабатывают в мельнице в течение 12 мин циклами по 30 сек с промежутками в 5 мин. Удельная доза подведенной механической энергии Д=3,5 кДж/г. В полученной двухкомпонентной гомогенной смеси алюминий представлен тонкими пластинами размером до нескольких мкм, поверхность которых покрыта либо отдельными наночастицами МоО3 размером 30-100 нм, либо шарообразными агрегатами наночастиц МоО3 с размерами от 200 до 800 нм (см. рис.3).3.08 g of industrial aluminum powder grade PAP-2 and 7.84 g of nanopowder powder MoO 3 obtained according to example 1 (average particle size 60 nm), are placed in a drum of a vibration mill. An additional 30 ml of heptane is poured into the drum and it is purged with argon. The mixture is processed in a mill for 12 minutes in 30 second cycles at intervals of 5 minutes. The specific dose of supplied mechanical energy is D = 3.5 kJ / g. In the obtained two-component homogeneous mixture, aluminum is represented by thin plates up to several microns in size, the surface of which is coated with either individual MoO 3 nanoparticles of 30-100 nm in size or spherical aggregates of MoO 3 nanoparticles with sizes from 200 to 800 nm (see Fig. 3).

При разработке предлагаемого способа применения заявляемой присадки были проведены исследования условий и механизма самовоспламенения углеводородных горючих, содержащих предлагаемую присадку в различной концентрации - от 1% до 5%. Увеличение количества добавки в топливе выше 5 мас.% не приводит к повышению эффективности ее действия. Добавление других известных целевых присадок к топливу не ухудшает эффективность действия заявляемой присадки.When developing the proposed method for the use of the inventive additive, studies were carried out on the conditions and mechanism for self-ignition of hydrocarbon fuels containing the proposed additive in various concentrations - from 1% to 5%. The increase in the amount of additives in the fuel above 5 wt.% Does not increase its effectiveness. The addition of other known target fuel additives does not impair the effectiveness of the inventive additives.

Эксперименты проводились в статической установке перепускного типа с внутренним диаметром реактора 120 мм в диапазоне температур от 500 до 700 К при давлении 1.4-1.5 ата. Навеска исследуемого топлива, подаваемого через U-образную трубку в реактор, соответствовала массе, необходимой для создания в реакторе стехиометрической (в среднем) топливовоздушной смеси. После открытия клапана диспергированное в потоке холодного воздуха топливо вносится в нагретый до заданной температуры реактор и смешивается с горячим воздухом. Время открытия клапана составляло 0.2 с. Время задержки самовоспламенения определяли как промежуток времени от момента окончания перепуска топлива в реактор до момента взрыва смеси.The experiments were carried out in a static installation of a bypass type with an inner diameter of the reactor of 120 mm in the temperature range from 500 to 700 K at a pressure of 1.4-1.5 at. A portion of the test fuel supplied through a U-shaped tube to the reactor corresponded to the mass required to create a stoichiometric (average) air-fuel mixture in the reactor. After opening the valve, fuel dispersed in a stream of cold air is introduced into a reactor heated to a predetermined temperature and mixed with hot air. The valve opening time was 0.2 s. The self-ignition delay time was determined as the time interval from the moment the fuel bypass into the reactor was completed until the mixture exploded.

В результате проведенных исследований было установлено, что, начиная с некоторых «пороговых» значений температуры реактора, добавление к топливу предлагаемой присадки значительно - более чем на порядок - сокращает задержки самовоспламенения топливно-воздушных смесей по сравнению с воздушной смесью чистого жидкого горючего.As a result of the studies, it was found that, starting with some “threshold” values of the reactor temperature, the addition of the proposed additive to the fuel significantly — by more than an order of magnitude — reduces the self-ignition delays of fuel-air mixtures as compared to an air mixture of pure liquid fuel.

На рис.4 представлены результаты измерений зависимости задержек воспламенения от температуры стенки реактора для присадки Mg/МоО3, полученной по примеру 2: квадраты - н-гептан; треугольники - н-гептан с присадкой Mg/МоО3 в количестве 2,0 мас.%. Из приведенных данных видно, что при достижении порогового значения температуры стенки реактора ~567 К задержки самовоспламенения смеси н-гептан с присадкой Mg/МоО3 - воздух резко сокращаются.Figure 4 shows the results of measurements of the dependence of the ignition delay on the wall temperature of the reactor for the Mg / MoO 3 additive obtained in Example 2: squares - n-heptane; triangles - n-heptane with the addition of Mg / MoO 3 in an amount of 2.0 wt.%. It can be seen from the above data that when the threshold value of the reactor wall temperature is ~ 567 K, the self-ignition delay of the n-heptane mixture with the addition of Mg / MoO 3 - air sharply decreases.

Для определения скорости распространения пламени в смеси н-гептан с присадкой Mg/МоО3 - воздух после самовоспламенения смеси проводили скоростную видеосъемку при помощи кинокамеры с частотой 600 кадров/с. Скорость распространения пламени, определенная по результатам видеосъемки, составляет 30-50 м/с, что на 1.5-2 порядка превышает скорость нормального распространения пламени в воздушных смесях чистого углеводородного горючего.To determine the speed of flame propagation in an n-heptane mixture with the addition of Mg / MoO 3 - air, after self-ignition of the mixture, high-speed video was recorded using a movie camera with a frequency of 600 frames / s. The speed of flame propagation, determined by video recording, is 30-50 m / s, which is 1.5-2 orders of magnitude higher than the speed of normal flame propagation in air mixtures of pure hydrocarbon fuel.

На рис.5 представлены результаты измерений зависимости задержек воспламенения от температуры стенки реактора для присадки Al/МоО3, полученной по примеру 3: квадраты - н-гептан; треугольники - н-гептан с присадкой Al/МоО3 в количестве 3,0 мас.%. Из приведенных данных видно, что при достижении порогового значения температуры стенки реактора 651 К задержки самовоспламенения смеси н-гептан с присадкой Al/МоО3 - воздух резко сокращаются.Figure 5 shows the results of measurements of the dependence of the ignition delay on the wall temperature of the reactor for the Al / MoO 3 additive obtained in Example 3: squares - n-heptane; triangles - n-heptane with an additive of Al / MoO 3 in the amount of 3.0 wt.%. It can be seen from the data that, when the threshold temperature of the reactor wall is 651 K, the self-ignition delay of the n-heptane mixture with Al / MoO 3 additive - air decreases sharply.

На рис.6 представлены результаты измерений зависимости задержек воспламенения от температуры стенки реактора для присадки Mg/МоО3, полученной по методике, аналогичной примеру 2: квадраты - дизельное топливо; треугольники - дизельное топливо с присадкой Mg/МоО3 в количестве 4,5 мас.%. Из приведенных данных видно, что при достижении порогового значения температуры стенки реактора 575 К задержки самовоспламенения смеси дизельное топливо с присадкой Mg/МоО3 - воздух резко сокращаются.Figure 6 shows the results of measurements of the dependence of the ignition delay on the temperature of the reactor wall for the Mg / MoO 3 additive obtained by the method similar to Example 2: squares — diesel fuel; triangles - diesel fuel with the addition of Mg / MoO 3 in an amount of 4.5 wt.%. From the above data it is seen that when the threshold value of the wall temperature of the reactor reaches 575 K, the self-ignition delay of the mixture of diesel fuel with the addition of Mg / MoO 3 - air sharply decreases.

Одно из возможных объяснений наблюдаемых эффектов - «микровзрыв» капель горючего, содержащих предлагаемую присадку, вследствие быстрой экзотермической реакции между ее активированными компонентами при прогреве капли. Не исключается и взаимодействие наноразмерных и субмикронных частиц металла с кислородом топливно-воздушной смеси на горячей стенке реактора.One of the possible explanations for the observed effects is the “microexplosion” of fuel droplets containing the proposed additive due to the rapid exothermic reaction between its activated components during heating of the droplet. The interaction of nanoscale and submicron metal particles with oxygen from the fuel-air mixture on the hot wall of the reactor is not excluded.

Таким образом, предложена металлсодержащая присадка к топливу, которая благодаря наличию в ней металлического горючего и твердого окислителя позволяет существенно уменьшить задержки самовоспламенения топливно-воздушной смеси и повысить скорость ее сгорания.Thus, a metal-containing fuel additive is proposed, which, due to the presence of a metal fuel and solid oxidizer in it, can significantly reduce the self-ignition delays of the fuel-air mixture and increase its combustion rate.

Разработан способ получения предложенной присадки к топливам, который отличается простотой технологии и доступностью исходных компонентов и позволяет получать металлсодержащую присадку в виде порошка с наноразмерными компонентами.A method has been developed to obtain the proposed fuel additive, which is distinguished by the simplicity of the technology and the availability of the starting components and allows to obtain a metal-containing additive in the form of a powder with nanoscale components.

Предложен способ применения металлсодержащей присадки, который обеспечивает улучшение воспламеняемости топливно-воздушной смеси и повышение скорости ее горения.A method for the use of a metal-containing additive is proposed, which improves the flammability of the fuel-air mixture and increases its burning rate.

Claims (3)

1. Металлсодержащая присадка к топливам, содержащая промышленный порошок металла, выбранный из группы: алюминий, магний, и твердый окислитель - наноразмерный порошок триоксида молибдена со средним размером частиц не более 100 нм, полученный механоактивированием промышленного порошка триоксида молибдена, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
промышленный порошок металла 30-70 наноразмерный порошок триоксида молибдена остальное,

подвергнутые совместному механоактивированию.
1. A metal-containing fuel additive containing an industrial metal powder selected from the group: aluminum, magnesium, and a solid oxidizing agent is a nanosized molybdenum trioxide powder with an average particle size of not more than 100 nm, obtained by mechanical activation of an industrial molybdenum trioxide powder, in the following ratio of components, wt .%:
industrial metal powder 30-70 nanosized molybdenum trioxide powder rest,

subjected to joint mechanical activation.
2. Способ получения металлсодержащей присадки по п.1, включающий механоактивирование промышленных порошков металла и твердого окислителя - триоксида молибдена путем перемешивания и измельчения в энергонапряженной шаровой мельнице в инертной среде, отличающийся тем, что в качестве промышленного порошка металла используют промышленный порошок алюминия или магния, а процесс механоактивирования осуществляют в две стадии: на первой стадии механоактивированию подвергают промышленный порошок триоксида молибдена до среднего размера частиц не более 100 нм в среде инертного газа, на второй стадии полученный наноразмерный порошок триоксида молибдена смешивают с промышленным порошком металла до содержания металла в смеси от 30 до 70 мас.% и проводят повторное механоактивирование в среде инертного газа в присутствии нейтральной жидкости.2. The method of producing a metal-containing additive according to claim 1, comprising mechanically activating industrial metal powders and a solid oxidizing agent, molybdenum trioxide, by mixing and grinding in an energy-intensive ball mill in an inert medium, characterized in that industrial aluminum or magnesium powder is used as an industrial metal powder, and the process of mechanical activation is carried out in two stages: in the first stage, an industrial powder of molybdenum trioxide is subjected to mechanical activation to an average particle size not more than 100 nm in an inert gas medium; in the second stage, the obtained nanosized molybdenum trioxide powder is mixed with an industrial metal powder until the metal content in the mixture is from 30 to 70 wt.% and mechanical activation is repeated in an inert gas medium in the presence of a neutral liquid. 3. Способ применения металлсодержащей присадки по п.1, заключающийся в том, что присадку добавляют к топливу в количестве до 5 мас.%. 3. The method of using a metal-containing additive according to claim 1, which consists in the fact that the additive is added to the fuel in an amount of up to 5 wt.%.
RU2010126772/05A 2010-07-01 2010-07-01 Metal-containing fuel dope, method of its production and application RU2444560C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010126772/05A RU2444560C1 (en) 2010-07-01 2010-07-01 Metal-containing fuel dope, method of its production and application

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010126772/05A RU2444560C1 (en) 2010-07-01 2010-07-01 Metal-containing fuel dope, method of its production and application

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010126772A RU2010126772A (en) 2012-01-10
RU2444560C1 true RU2444560C1 (en) 2012-03-10

Family

ID=45783347

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010126772/05A RU2444560C1 (en) 2010-07-01 2010-07-01 Metal-containing fuel dope, method of its production and application

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2444560C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529035C1 (en) * 2013-03-25 2014-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU502926A1 (en) * 1974-05-27 1976-02-15 Среднеазиатский научно-исследовательский институт природного газа Multifunctional fuel oil additive
WO2002016532A1 (en) * 2000-08-22 2002-02-28 Idemitsu Kosan Co., Ltd. Additive for diesel particulate filter
RU2187541C1 (en) * 2000-12-28 2002-08-20 Николай Иванович Бутенко Composite additive for liquid fuels
RU2188329C1 (en) * 2001-06-13 2002-08-27 Единархов Александр Станиславович Versalite fuel additive for internal combustion engine
RU2235085C1 (en) * 2003-03-12 2004-08-27 Долгобородов Александр Юрьевич Mechanically activated pyrotechnic composite
EP1889895A2 (en) * 2006-08-17 2008-02-20 Afton Chemical Corporation Nanoalloy fuel additives

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU502926A1 (en) * 1974-05-27 1976-02-15 Среднеазиатский научно-исследовательский институт природного газа Multifunctional fuel oil additive
WO2002016532A1 (en) * 2000-08-22 2002-02-28 Idemitsu Kosan Co., Ltd. Additive for diesel particulate filter
RU2187541C1 (en) * 2000-12-28 2002-08-20 Николай Иванович Бутенко Composite additive for liquid fuels
RU2188329C1 (en) * 2001-06-13 2002-08-27 Единархов Александр Станиславович Versalite fuel additive for internal combustion engine
RU2235085C1 (en) * 2003-03-12 2004-08-27 Долгобородов Александр Юрьевич Mechanically activated pyrotechnic composite
EP1889895A2 (en) * 2006-08-17 2008-02-20 Afton Chemical Corporation Nanoalloy fuel additives

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2529035C1 (en) * 2013-03-25 2014-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010126772A (en) 2012-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gan et al. Combustion of nanofluid fuels with the addition of boron and iron particles at dilute and dense concentrations
Van Devener et al. Oxide-free, catalyst-coated, fuel-soluble, air-stable boron nanopowder as combined combustion catalyst and high energy density fuel
Tanvir et al. Effect of addition of energetic nanoparticles on droplet-burning rate of liquid fuels
Gan et al. Combustion characteristics of fuel droplets with addition of nano and micron-sized aluminum particles
Chen et al. CuO nanocrystals in thermal decomposition of ammonium perchlorate: stabilization, structural characterization and catalytic activities
US7959690B1 (en) Nanoparticles for soot reduction
US9365786B2 (en) Functionally coated non-oxidized particles and methods for making the same
CN111393241A (en) Al、Fe2O3PTFE nano composite energetic material and preparation method thereof
Yan et al. Tailoring structural energetics for enhanced reactivity of nano‐Aluminum particles based microspheres
An et al. Preparation and evaluation of effective combustion catalysts based on Cu (I)/Pb (II) or Cu (II)/Bi (II) nanocomposites carried by graphene oxide (GO)
Price et al. Understanding the impact of cavitation on hydrocarbons in the middle distillate range
Guerieri et al. Droplet combustion of kerosene augmented by stabilized nanoaluminum/oxidizer composite mesoparticles
RU2444560C1 (en) Metal-containing fuel dope, method of its production and application
Ojha et al. Effect of silane capping on the dispersion and combustion characteristics of sub-micrometer boron particles loaded in Jet A-1
Gupta et al. Investigation on spray combustion characteristics of Boron-Loaded slurry fuel in a Swirl-Stabilized combustor
Cheng et al. Controllable synthesis of Cu/Al energetic nanocomposites with excellent heat release and combustion performance
Ao et al. Ignition and combustion characteristics of boron-based nanofluid fuel
Ojha et al. Combustion characteristics of jet a-1 droplet loaded with aluminum/magnesium-decorated boron particles
Kobayashi et al. Synthesis of Ni base nanoparticles by W/O emulsion combustion
Gibot Templated synthesis of Cr2O3 material for energetic composites with high performance
Küçükosman et al. Combustion and secondary atomization behavior of nanofuel droplets laden with hematite, magnetite and lanthanum orthoferrites nanoparticles
Jiao et al. Effect of fluoropolymer content on thermal and combustion performance of direct writing high-solid nanothermite composite
Mao et al. Improving the ignition and combustion of JP10/boron-based nanofluid fuel droplets by the interaction of PTFE and boron
Gan Combustion and evaporation characteristics of fuel droplets containing suspended energetic nanoparticles
US9421732B2 (en) Functionally coated non-oxidized particles and methods for making the same

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20140428

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160702