комплексные проблемы естественных и точных наук
complex problems of natural and exact sciences
исследование свойств водотоплИвных эмульсий c наночастицами магнетита на сверхвысоких частотах
Сергеев С.А., Гулманов Э.Э., Сергеев F.C.
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского г. Саратов, Россия
В статье исследовались водотопливные эмульсии (ВТЭ), состоящие из деионизованной воды, диспергированной в керосине/бензине. Изучалась возможность определения концентрации воды в эмульсии с помощью СВЧметодов. Показано, что при увеличении концентрации воды в эмульсии значения КСВН и ослабления увеличиваются, а добавление магнитных наночастиц в ВТЭ приводит к увеличению поглощения микроволнового излучения.
Ключевые слова: водотопливная эмульсия (ВТЭ), наночастицы, магнетит, СВЧ-излучение, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН).
the water-fuel emulsions with magnetite nanoparticles properties investigation on shf
Sergeev S.A., Gulmanov E.E., Sergeev R.S.
Saratov State University by a name of N.G. Chernyshevsky, Saratov, Russia
The water-fuel emulsions based on deionized water dispersed in benzine and kerosene are investigated in the paper. The possibility to determine the water concentration in emulsion by microwave methods is considered. It is shown that VSWR and attenuation values increase with water concentration in emulsion. The addition of magnetic nanoparticles to the water-full emulsion leads to increasing of microwave absorption ratio.
Keywords: water-fuel emulsions, nanoparticles, magnetite, microwave radiation, voltage standing wave ratio (VSWR).
С непрерывным развитием промышленности и постоянным увеличением численности населения увеличиваются потребности в жидком топливе и других продуктах нефтяной отрасли. Поэтому актуально в настоящее время повышение экономичности и экологической чистоты установок на жидком топливе. Действенным средством достижения этих требований служат водотопливные эмульсии (ВТЭ) - метаста-бильные жидкости, состоящие из воды и топлива. Длительность их ме-тастабильного состояния зависит от третьего вещества - эмульгатора. Проблеме использования ВТЭ с момента ее возникновения - более ста лет. Накоплен определенный теоретический и практический системный материал по различным аспектам проблемы. С 20-х гг. XX века в разных странах получено значительное количество патентов по совместному использованию топлива и воды в тепловых двигателях, котлах и др. [14].
Применение ВТЭ позволяет: уменьшить нагарообразование, повысить надежность работы цилиндро-поршневой группы, газовыпускного тракта, топливной аппаратуры, увеличить срок между очистками топливных фильтров; снизить скорость загрязнения смазочного масла с уменьшением температуры выпускных газов; уменьшить теплонапря-женность двигателей, повысить надежность и эффективность их работы, экономить топливо; повысить антидетонационные характеристики топлива; снизить температуру двигателя и температуру топливовоздуш-ной смеси без потерь мощностных характеристик двигателя; уменьшить концентрацию образующихся окислов азота и углерода в выхлопных газах транспортных средств. К недостаткам ВТЭ можно отнести необхо-
димость в специальной аппаратуре для приготовления эмульсий и низкую седиментационную устойчивость (устраняется при использовании специальных присадок или поверхностно-активных веществ) [11].
В настоящее время интенсивно изучаются уникальные физические свойства наночастиц [7,12,13]. Одним из объектов, вызывающим интерес исследователей, являются наночастицы оксида железа, которые могут иметь различный состав и тип кристаллической решетки. Наиболее распространенными модификациями наночастиц оксида железа являются: гематит (а-Ре203), магемит (В-Ре203) и магнетит (Ре304) [1].
Магнитные жидкости (МЖ) - это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами [16]. Встречающиеся в природе жидкости с магнитным полем взаимодействуют слабо. Тем не менее, возможность управления жидкостью при помощи магнитного поля привлекательна для решения различных технических задач [20].
В последнее время все чаще к использованию магнитных частиц для выполнения различных задач, возникающих в процессе лечения, обращаются медики. Перспективность такой практики в том, что магнитными частицами можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, при этом не требуется проникновение в больной орган. Помимо медицины магнитные жидкости имеют широкие перспективы применения в технике, биологии, экологии [16].
В последние годы огромный интерес для исследователей представляет возможность очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью магнитных жидкостей, являющихся трехкомпонентной системой, состоящей из дисперсионной среды, магнитной фазы и стабилизатора. В основе процесса лежит принцип омагничивания нефтепродуктов путем добавления МЖ в сточные воды и последующего отделения омагниченных нефтепродуктов специальными магнитными системами [17]. Проводятся исследования взаимодействия микроволнового излучения с водными суспензиями наночастиц магнетита [3] и с водонефтяными эмульсиями, функционализированными магнитными наночастицами [15].
Свойства ВТЭ зависят от их состава - долевого содержания воды в ВТЭ и структуры - среднего размера и характера распределения капель воды в эмульсии по размеру (т.е. степени однородности - чем меньше эта величина, тем выше однородность). Регулирование значений указанных параметров на стадии приготовления ВТЭ позволяет управлять
характером сгорания эмульсии, т.е. воздействовать на характер протекания рабочего процесса и, таким образом, на экологические показатели двигателя [18].
Поэтому актуальной проблемой является диагностика состава эмульсии, определения массовой доли воды. В ходе работы исследовались ВТЭ, состоящие из деионизованной воды, диспергированной в керосине/бензине.
Синтез водотопливных эмульсий с наночастицами магнетита
Объектами экспериментального исследования были водная суспензия наночастиц магнетита (Fe3O4), а также коллоидный раствор наночастиц магнетита, диспергированных в керосине. Для получения суперпарамагнитных наночастиц магнетита использовался метод, представляющий собой модификацию метода, ранее предложенного Рене Массартом [2].
Поверхность наночастиц магнетита для водной суспензии стабилизировали лимонной кислотой. Для получения наночастиц магнетита диспергированных в керосине, наночастицы переводили в неполярный растворитель и стабилизировали олеиновой кислотой.
Размер наночастиц магнетита для водной суспензии был измерен с помощью установки Malvern Zetasizer Nano ZS (метод DLS) и составил величину порядка 30 нм. Характеризация наночастиц магнетита в керосине методом DLS показала, что раствор содержал 99,6 % наночастиц с диаметром 37 нм. Таким образом, наночастицы магнетита обладают суперпарамагнитными свойствами. Максимальная концентрация нано-частиц магнетита составляла для водного раствора 3 мг/мл (в 1 мл раствора 3 мг магнетита) и для керосина 37,5 мг/мл (в 1 мл раствора 37,5 мг магнетита).
Используя лазерный спектрометр комбинационного рассеяния света зондовой нанолаборатории Интегра Спектра (длина волны 632,8 нм, мощность 1 мВт, время накопления сигнала 60 сек) установлено, что химический состав наночастиц растворов соответствует магнетиту. Данное заключение сделано на основании наличия в спектрах, представленных на рис. 1 и 2 для коллоида наночастиц оксида железа интенсивного пика при 667 см-1, который соответствует магнетиту [4,5,8]. Также в водной суспензии присутствуют наночастицы окисленного магемита (g-Fe2O3), о чем говорят три пика при 350, 500 и 700 см-1 [8]. Наличие
стабилизаторов доказывает присутствие пиков при 1070 и 1650 см-1, относящихся к колебаниям карбоксильной группы олеиновой кислоты [17-19] (рис. 1) и пиков при 1370 и 1650 см-1, соответствующих лимонной кислоте [6,9,19] (рис. 2).
О 200 800 1200 1600
Комбинационный сдвиг , см"1
рис. 1. Спектр комбинационного рассеяния суспензии керосина с частицами магнетита
о 1000 2000 3000
Комбинационный сдвиг , см 1
рис. 2. Спектр комбинационного рассеяния водной суспензии магнетита
Были приготовлены образцы эмульсий, состоящих из деионизован-ной воды, диспергированной в керосине/бензине с добавлением наночастиц магнетита. Конечная смесь содержала 5, 3, 1, 0,5% (по объему) ди-стилированной воды с добавлением алеата натрия (ПАВ - 10% водный раствор) в качестве эмульгатора и хлористого натрия (на 40 мл добавляли: в 1% эмульсию 80 мг и в эмульсию 0,5% - 40 мг). Эмульсию получали обработкой зондовым ультразвуком в течение минуты, избегая перегрева смеси. Использовалась установка Bandelin Sonopuls HD 2070.
В данной работе был проведены исследования свойств водотоплив-ных эмульсий на сверхвысоких частотах.
На данный момент известно несколько методов измерения диэлектрических и магнитных параметров материалов на сверхвысоких частотах. Для коллоидных и эмульсионных систем, учитывая их специфику, одним из корректных методов измерения является волноводный метод. В данной работе были измерены зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), а также зависимости коэффициента ослабления водных эмульсий бензина и керосина различных концентраций и чистых керосина и бензина в диапазоне частот 7,8^10 ГГц. Измерения проводились в частях волновода, полностью заполненных исследуемыми жидкостями [10].
Схемы установок для проведения измерения частотных зависимостей коэффициента стоячей волны по напряжению и коэффициента ослабления представлены на рисунке 3 а и б соответственно. Цифры соответствуют следующим элементам электрической схемы: 1 - переход коаксиально-волноводный; 2 - детектор направленный «Падающая»; 3 - детектор направленный «Отраженная»; 4 - нагрузка согласованная «НС»; 5 - кабель; 6 - кабель соединительный К-9; 7 - кабель соединительный ВЧ; 8 - измеряемый объект, 9 - плата сбора данных.
В эксперименте использовались волноводные секции, представляющие собой отрезки прямоугольного волновода стандартного сечения длиной 5, 29, 52 и 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.