一项关于通过添加多壁碳纳米管来改善生物柴油与柴油混合燃料的燃烧特性及其环境影响的实验研究

《Fuel》：An experimental investigation on improving combustion characteristics and environmental effects of biodiesel-diesel blend with multi-walled carbon nanotubes

本研究探讨了将10%废油制取的生物柴油与柴油混合（DB10）并添加多壁碳纳米管（MWCNTs）对发动机性能及排放的影响。实验表明，MWCNTs浓度增加使燃油消耗降低19.38%，热效率提升23.24%，同时减少CO和HC排放，但NOx排放增加。该研究为优化生物柴油性能及环保应用提供了数据支持。

　　随着全球工业化的加速、城市化的扩展以及人口的增长，能源需求持续上升。化石燃料仍然是交通、工业和电力生产领域不可或缺的能源来源。然而，这些有限储量的能源形式正面临快速枯竭的风险，这给全球能源安全带来了严峻挑战。尽管化石燃料占据全球能源消耗的大约80%，但其广泛应用对环境造成了严重影响，并显著加剧了气候变化。化石燃料的燃烧会释放温室气体，如二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和氮氧化物（NOx），这些气体加剧全球变暖并加速气候变迁。为了应对日益严格的排放标准，各国已开始从发动机层面着手制定相关政策。由于柴油发动机在高排放水平下对环境的破坏，许多国家计划在未来几十年内限制其使用。为了实现《巴黎协定》中提出的气候目标，逐步减少对化石燃料的依赖变得尤为重要。

在这一背景下，生物柴油作为一种环保且可持续的能源解决方案，正成为替代传统化石燃料的重要途径。生物柴油不仅能够减少碳排放，还具有清洁、无硫、无芳香化合物等优点，可以与现有的柴油发动机兼容，无需进行机械改造。此外，生物柴油的燃烧过程中释放的CO?可以通过植物的光合作用重新吸收，从而减轻温室效应带来的负面影响。生物柴油还因其润滑性能，有助于提高发动机的耐用性，减少磨损。生物柴油与传统柴油具有相似的物理和化学特性，且由可生物降解、毒性较低的生物质原料制成，因此在柴油发动机中使用时能够实现良好的性能表现。

然而，生物柴油在某些物理特性方面也存在不足，如较高的粘度、较低的热值（LHV）以及较差的燃料雾化性能，这些特性可能对发动机性能产生不利影响。直接使用生物柴油可能会导致燃烧效率降低和排放增加。为了解决这些问题，许多研究提出了改进生物柴油性能的方案，其中添加添加剂被认为是一种有效的方法。近年来，将碳纳米管（CNTs）作为添加剂引入生物柴油的研究逐渐增多，成为提升发动机性能和降低排放的关键领域。

碳纳米管因其高比表面积、良好的热化学稳定性、优异的导电性和出色的机械强度，在燃料燃烧过程中表现出显著的提升作用。它们的低成本和易于集成到生物柴油生产过程中的特性，使其成为一种可持续的选择。碳纳米管能够通过改变燃料的分子结构，降低燃料的粘度，从而改善燃料的流动性，促进雾化和蒸发过程。此外，碳纳米管的表面修饰和纳米级分散机制进一步支持了这些改进。碳纳米管表面的含氧官能团和高热导率有助于提高燃料的十六烷值，从而增强燃烧性能。在生物柴油中添加碳纳米管不仅加快了燃烧过程，还引发了一种被称为“微爆炸”的现象。这种现象通过增加燃料液滴的表面积，促进其与氧气的相互作用，从而实现更高效的燃烧。微爆炸还导致燃料液滴表面的核化，使其破碎成更小的颗粒，从而加速燃烧过程。这种扩展的燃料液滴分布有助于释放其中储存的能量，从而提高整体燃料效率。

此外，这一过程还提升了燃烧过程中的热稳定性和氧化抗性，从而增加生物柴油的能量密度，并确保更清洁的燃烧模式。柴油发动机的燃烧模式可以分为两种类型：一种是气缸内混合物在腔体内的扩散燃烧，另一种是液态燃料在壁面形成的壁膜燃烧。前者是主要的燃烧模式，因此气缸内的燃料喷射和雾化对燃烧质量起着关键作用。碳纳米管在燃烧过程中的作用与改善扩散速率（增强质量传递）和辐射热吸收（改善热传递）有关。通过促进微爆炸，碳纳米管能够加速高粘度燃料（特别是生物柴油）的燃烧，同时减少排放。这种机制提高了整体燃烧效率，使较小的燃料液滴能够更有效地燃烧。增加碳纳米管的浓度可以支持更快的燃烧过程，因为它增强了辐射吸收。然而，碳纳米管在发动机表面的积累可能会对燃烧速率产生负面影响，因此保持最佳的平衡是至关重要的。这种平衡对于优化燃烧性能，同时减少不期望的排放具有重要意义。

同时，碳纳米管在生物柴油燃烧过程中的作用还体现在其作为催化剂的潜力上。它们能够提高燃烧效率，减少对环境的影响。当前的研究越来越关注碳纳米管对生物柴油液滴燃烧动力学的影响，有助于更深入地理解这一创新方法在提升生物柴油性能方面的潜力。此外，虽然碳纳米管对燃烧效率有积极影响，但其对人类健康的影响也不容忽视。例如，碳纳米管可能在呼吸道中积累，从而带来健康风险。它们对空气质量的影响，尤其是在封闭环境中，必须进行仔细评估。一些研究表明，碳纳米管在燃烧过程中会在低于600°C的温度下分解，这表明在适当条件下，碳纳米管可以安全地用于燃料中，提供更可持续的解决方案。此外，在从柴油发动机排气中收集的颗粒物样品中未发现碳纳米管的痕迹，这表明在发动机运行过程中，碳纳米管的释放风险较低。

本研究的目的是通过实验方法，系统地探讨将多壁碳纳米管（MWCNTs）添加到生物柴油和柴油燃料混合物（DB10）中对发动机性能和排放的影响。在这一背景下，研究详细分析了MWCNT添加剂对发动机性能的影响，通过基本参数如特定燃料消耗（BSFC）、制动热效率（BTE）、气缸内压力（CP）、热释放速率（HRR）、点火延迟（ID）和燃烧持续时间（CD）进行评估。同时，研究还评估了对有害排放（CO、HC、NOx和烟雾）的影响，并分析了环境性能。研究获得的数据旨在为开发新的添加剂提供指导，这些添加剂能够提高生物柴油燃料的性能，同时支持清洁能源战略，以减少对化石燃料的依赖，并为促进环境可持续性提供实际解决方案。通过添加MWCNT的生物柴油混合物，不仅提高了能源效率，还提供了一种环境友好的替代燃料选择。

本研究通过将MWCNT添加到DB10燃料中，发现随着碳纳米管浓度的增加，特定燃料消耗减少了19.38%，制动热效率提高了23.24%。此外，碳纳米管的加入提高了气缸压力和热释放速率，同时减少了点火延迟和燃烧持续时间。这些改进对整体发动机性能和燃烧效率产生了积极影响。排放分析显示，碳纳米管显著降低了碳一氧化物和碳氢化合物的排放。然而，氮氧化物的排放却有所增加，这突显了碳纳米管在燃烧过程中的复杂作用及其在高温下促进氮氧化物生成的倾向。

在生物柴油的生产过程中，废食用油（WCO）提供了重要的原料优势。重复使用的植物油因含有较高的游离脂肪酸（FFA）含量，不再适合人类食用。WCO可能导致水体和土壤污染，但将其用于生物柴油生产不仅能够防止环境破坏，还使整个过程更加经济，因为其成本较低。WCO比粗植物油便宜，因此在生物柴油生产中具有显著的经济优势。通过将WCO转化为生物柴油，不仅可以减少对化石燃料的依赖，还能够实现资源的循环利用，促进可持续发展。

在实验过程中，为了确保混合物的均匀性，采用了机械搅拌和超声波搅拌两种方法。实验在恒定的发动机转速1800 rpm下进行，并在五种不同的发动机负载条件下测试。实验结果表明，随着碳纳米管浓度的增加，DB10燃料的性能得到了显著改善。特定燃料消耗的减少和制动热效率的提高，表明燃料的利用效率得到了优化。此外，气缸压力和热释放速率的增加，以及点火延迟和燃烧持续时间的减少，进一步支持了燃烧效率的提升。这些性能的改善不仅提高了发动机的整体运行效率，还优化了燃烧过程。

在排放方面，碳纳米管的加入显著降低了碳一氧化物和碳氢化合物的排放。然而，氮氧化物的排放却有所增加，这表明碳纳米管在燃烧过程中对不同污染物的影响具有双重性。在某些情况下，碳纳米管有助于减少排放，但在高温条件下可能会促进氮氧化物的生成。因此，在实际应用中，需要根据具体条件调整碳纳米管的添加量，以达到最佳的性能和排放平衡。

此外，研究还探讨了碳纳米管对生物柴油燃烧过程的促进作用。通过优化燃料的物理和化学特性，如粘度、密度、热值和十六烷值，碳纳米管能够改善燃料的雾化性能，从而提高燃烧效率。微爆炸现象的出现进一步促进了燃料的燃烧，使燃料液滴的表面积增加，提高了与氧气的相互作用。这种机制不仅提高了燃料的燃烧效率，还减少了排放，使燃烧过程更加清洁。

研究还发现，碳纳米管在燃烧过程中具有作为催化剂的潜力。它们能够加速燃料的反应过程，提高燃烧效率，减少对环境的影响。当前的研究趋势表明，碳纳米管对生物柴油液滴燃烧动力学的影响越来越受到关注，这有助于更深入地理解这一创新方法在提升生物柴油性能方面的潜力。同时，尽管碳纳米管对燃烧效率有积极影响，但其对人类健康的影响也不容忽视。例如，碳纳米管可能在呼吸道中积累，带来健康风险。因此，在实际应用中，需要对碳纳米管的使用进行严格的评估，以确保其安全性和可持续性。

综上所述，碳纳米管的加入对生物柴油和柴油混合物的性能和排放具有显著的影响。通过优化燃料的物理和化学特性，碳纳米管能够提高燃烧效率，减少排放，同时保持对环境的友好性。这些发现不仅为生物柴油的改进提供了新的思路，还为实现清洁和可持续的能源解决方案提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨碳纳米管在不同燃料混合物中的应用，以及其对燃烧过程的长期影响，以期为能源行业提供更高效的解决方案。