В статье рассмотрено влияние различных сортов дизельного топлива, в том числе биодизеля на экологическую обстановку. Приведены возможные варианты использования биодизеля и топлива, обработанного ультразвуком на транспортных и стационарных двигателях. Описаны перспективы использования биотоплива как в чистом виде, так и в примеси с дизельным топливом.
Ключевые слова: биодизель, двигатель, ультразвук, экология, производство, дизельное топливо
В течение жизни человек находится в среде воздуха, от качества которой зависит его здоровье, самочувствие и работоспособность. Ухудшение качества воздуха, из-за присутствия в нем различных загрязняющих веществ, ведет к гибели зеленых насаждений, загрязнению почв, водоемов и водотоков, к повреждению памятников культуры, конструкций зданий и сооружений [1, 2]. Для предотвращения загрязнения окружающей среды, необходимо снижение объемов выбросов ядовитых веществ и газов, вызывающих парниковый эффект, что в свою очередь приведет к сохранению запасов нефти в мире. Одним из путей решения данной проблемы является применение биотоплива.
Однако ряд недостатков биодизеля указывает на несовершенство данного метода. Для улучшения эксплуатационных свойств дизельного топлива необходимо воздействовать на его физико-химические свойства. Самым эффективным, энергоемким и перспективным способом воздействия на физико-химические свойства дизельного топлива является обработка ультразвуковым пьезоэлектрическим излучателем. Перспективным методом решения данной проблемы является ультразвуковая обработка дизельного и биодизельного топлива.
Источники углеводородного топлива. Изучение альтернативных возобновляемых источников углеводородного химического сырья не нефтяного происхождения и разработка эффективных энергосберегающих технологий их переработки в различные органические продукты и полупродукты, являющиеся исходным сырьем для дальнейших химических превращений, всегда были одной из актуальнейших задач, стоящих перед промышленностью основного органического синтеза.
Сегодня таким углеводородным альтернативным источником может оказаться биомасса, представленная техническими жирами животного происхождения, а также природными маслами, получаемыми на основе переработки маслосодержащих растений и древесины. Все они обладают высокими экологическими свойствами (биоразлагаемость, нетоксичность), являются возобновляемым сырьем, а по химическому составу ближе всего стоят к углеводородам нефти. Все это существенно повышает интерес к масложировому сырью, производство и переработка которого во всем мире, уже приближается к величинам сравнимым с уровнем переработки нефти, а также определяет его значение на перспективу [3].
Основными видами сырья для биодизельного топлива являются рапс, соя, канола, ятрофа; пальмовое, касторовое и кокосовые масла. Также возможно применение отработанного растительного масла, животного и рыбьего жира.
В отличие от зарубежных аналогов, особое внимание уделяется привлечению дешевых отходов отечественной масложировой промышленности (соапстоков растительных масел), а также бросовых (лигносодержащих отходов таллового масла), скопившихся в прудах-накопителях большинства целлюлозно-бумажных комбинатов России.
Применение биодизельных топлив имеет следующий ряд недостатков, таких как необходимость подогрева, короткий срок хранения (около 3 месяцев), высокая себестоимость и необходимость в значительных территориях для выращивания сырья.
Недостатками, сдерживающими использование смесевого биотоплива, являются повышенная вязкость, коксуемость, расслоение на исходные составляющие, а также потеря мощности, повышенный расход топлива дизельным двигателем. Одним из путей повышения эффективности использования биотоплива является обработка его ультразвуком непосредственно в системе питания двигателя. Это позволяет улучшить физико-химические свойства смесевого биотоплива, повысить мощностные и экономические показатели двигателя и улучшить его экологические показатели
В связи с этими недостатками нами предлагается использование ультразвуковой обработки топлив [4].
Ультразвуковая обработка топлива. Рядом исследований установлено, что ультразвуковые колебания способны изменять агрегатное состояние вещества, диспергировать, эмульгировать его, изменять скорость диффузии, кристаллизации и растворение веществ, активизировать химические реакции, интенсифицировать технологические процессы. Воздействие ультразвуковых колебаний на физико-химические процессы дает возможность повысить производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, а также создать новые продукты с новыми свойствами. При достаточной плотности ультразвук влияет на изменение физико-химических свойств продукта, поэтому создание таких устройств актуально для многих отраслей промышленности. Механизм воздействия ультразвуковой волны на каплю хорошо виден из нижеследующих кадров.
Рис. 1. Воздействие ультразвука на каплю воды: 1 — капля сплющенная в тонкий диск; 2, 3 — на периферийной части диска появляются и увеличиваются капиллярные волны, вызванные параметрической неустойчивостью; 4 — амплитуда волн достигают величины, сравниваемой с толщиной диска; 5, 6 — диск распадается на отдельные капли
При этом возникает необходимость в создании такого способа акустического воздействия на поток дизельного или биодизельного топлива, а также их смеси, при котором осуществляется временное, или безвозвратное изменение молекулярного состава продуктов (деструкция продуктов) на более легкие молекулы за счет создания вихревого потока с максимальной энергией акустического резонансного возбуждения потока продуктов в заданном частотном диапазоне, что позволяет [5, 6, 7]:
− создать достаточные для деструкции длительность и мощность резонансного возбуждения продукта за счет оптимального деформационно-сдвигового взаимодействия потока с поверхностью вихревых труб и, как следствие, возбуждением вынужденных виброакустических колебаний;
− создать кавитационный процесс в вихревом потоке приводящий к акустической деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразованию химических связей;
− определить технико-экономические и экологические показатели двигателя при работе на дизельном топливе обработанным ультразвуком.
Перспективы использования. На сегодняшний день зависимость от импорта нефти и других углеводородных источников энергии рассматривается почти всеми странами как проблема финансового, энергетического, экологического, стратегического и, можно сказать мирового масштаба. Данное положение привело к развитию альтернативных видов топлива, которым в настоящее время считается биотопливо на основе растительных масел и животных жиров. Для прогрессивных моторов широкое распространение приобрело биодизельное топливо (биодизель), являющееся смесью метиловых или же этиловых эфиров жирных кислот. Основой процесса его производства считается реакция между триглицеридами и метиловым (этиловым) спиртом в пребывании катализаторов. Смена части дизельного бензина на биотопливо из повторяемых естественных источников приводит к созданию топливных смесей, значительно сокращающих риски образования парникового эффекта. Масштабное применение биотоплива позволяет сократить эмиссию углекислого газа на 0,67 т. При применении этой технологии, выделяемый диоксид углерода ассимилируют растения, которые после этого вновь будут сырьем для получения биотоплива.
Основная практическая польза использования альтернативного биологического топлива это то, что в рамках определенных ограничений по объему, они могут быть объединены с традиционным «ископаемым» топливом и использованы в существующих энергетических системах, таких, как двигатели легковых машин и грузовиков.
В использовании биотоплива вместо ископаемого топлива существуют два основных природосберегательных фактора.
− Во-первых, биотопливо — возобновляемый ресурс, поэтому оно является долгосрочным, относительно дешевым и надежным источником энергии.
− Во-вторых, биотопливо в своем производственном цикле и использовании выделяет гораздо меньше парниковых газов.
Так называемое «второе поколение биотоплива», синтетическое топливо, хотя и получается из биомассы, имитирует химические характеристики ископаемого топлива. Это позволяет более глубоко интегрировать его в существующие топливные системы.
Эффективность биотоплива. Источник биотоплива кардинально влияет на его целесообразность. Качественные виды биотоплива могут выделять в 10 раз больше энергии, задействованной в их производстве, и при использовании выделяют лишь четверть того количества отработавших газов, которые бы выделились при использовании его ископаемого эквивалента. Этанол, получаемый из сахарного тростника, в Бразилии часто приводится как пример качественного биотоплива.Вотличие от него, некачественные образцы требуют гораздо больше затрат энергии при производстве, и выделяют больший объём отработавших газов. При этом, возможно увеличение выбросов парниковых газов, происходящее во время лесных пожаров, как природного, так и антропогенного характера [8-10].
При производстве биотоплива в Российской Федерации получит возможность производить большой объём биодизеля, в том числе и из-за территориальных ресурсов для его производства, и увеличить производительность дизельных двигателей. Тем самым улучшится состояние окружающей среды и здоровье граждан, а также сократятся расходы на топливо.
Литература:
1. Хомич В. А. Экология городской среды: учебное пособие для вузов. — Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. — 267 с.
2. Литвинов П. В., Чиркова А. И. Использование микроорганизмов при биологической очистке загрязнений, вызванных вредными выбросами поршневых двигателей // Молодой ученый. — 2017. — № 4. — С. 200–203.
3. Грабова Т. Л. Альтернативный восстанавливаемый источник энергии — биодизельное топливо из рапса // Рынок инсталляций. – 2001. № 10, – С. 30–31.
4. Фадеев С. А. Улучшение биодизельного топлива путем обработки ультразвуком / С. А. Фадеев, Б. П. Загородских // Материалы Междун. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения Д. Г. Вадивасова — Саратов, 2009. — С. 58–60. (0,135/0,0675 п. л.)
5. Плисс А. А., Золотов В. П., Якимов А. В. Влияние ультразвука на физико-химические свойства нефти // Интервал. — 2007. — № 3. — С. 36.
6. Анисимов А. С., Карасёв Ю. В., Ивашкин А. А. Способы улучшения эксплуатационных свойств дизельного топлива // Молодой ученый. — 2016. — № 26. — С. 1–3.
7. Сляднев Г. Е., Овчаренко С. М. Применение ультразвуковой обработки топлива для снижения удельного расхода дизельного топлива [Электронный ресурс] / Архитектурно-строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы, перспективы, новации: материалы международной научно-практической конференции. — Омск: СибАДИ, 2016. — С. 708–712.
8. Булатников В. В. Биодизель и проблемы экологии // Стандарты и качество. — 2009. — № 10. — С. 36–39.
9. Jank M.S. 2009. A Competitividade do Etanol Brasileiro, Powerpoint presentation, Brasília, 31 August 2009 (available at: http://www.senado.gov.br/comissoes/ci/ap/AP20090831_Comissao_Infraestrutura_Marcos %20_Jank_(res).pdf).
10. Novaes Z. & Togeiro de Almeida, L. 2007. Étanol: impactos sócio-ambientais de uma commodity em ascensão. VII Encontro da Sociedade Brasileira de Economia Ecológica, Fortaleza.
