纳米燃油添加剂的研究与应用

纳米燃油添加剂的研究与应用

环境保护和能源效率利用是可持续发展的主旋律。就燃油来说,寻找提高燃油燃烧效率和降低废气排放的途径便成了当务之急。而一般的化学清洗类添加剂(清净剂)加入燃油中的主要作用是防止化油器或喷嘴附着沉积物(胶质),对除去已沉积在燃烧室和油路中的沉积物也有一定作用,但其作用仅仅是维持了发动机的正常工作点,没有从根本上解决燃烧、排放和积碳的问题。这类添加剂降低尾气排放的效果并不明显。在纳米产业领域,李正孝博士创新地率先将液相纳米组装技术应用于汽、柴油添加剂的开发中,研制生产出了全新概念的具有节能、降低排放污染等综合性能的纳米燃油添加剂,该产品被北京市科学技术委员会和国家环保产业协会鉴定评议为第4代燃油添加剂的标志性产品。1纳米尺度的介观颗粒要提高燃油燃烧的效率,就必须提高燃油的雾化程度,也就是增大其比表面积。生活中我们知道,当沸腾的油锅中有水时,就会发生油滴的爆溅,使油的比表面积变大。纳米燃油添加剂正是通过这样的过程让燃油二次雾化,上万倍地提高了燃油的物理活性。纳米是个长度单位,为十亿分之一米,纳米技术则是在纳米尺度上研究物质的相互作用和运动规律,以及在实际应用中利用这些规律的多学科的科学和技术。研究热点集中表现在纳米强度支撑材料、纳米结构器件、纳米探测技术、纳米组装界面材料等4个方面。其中纳米组装界面材料主要针对表面或界面问题的二元协同纳米界面材料进行研究,从改变纳米材料表面或界面性质入手,实现性质不同材料的界面重组,用纳米尺度的介观颗粒构建出新的材料。李正孝博士的纳米燃油添加剂,就是采用纳米组装技术研发生产的,即由采用辐射化工工艺生产的纳米组装材料和水构成的。当添加剂按1∶10000的比例加入燃油后,纳米组装材料的作用使其中的水迅速分散成纳米级的颗粒(直径仅为6纳米的小球),并形成热力学稳定相存在。当燃油被雾化时,每个雾滴中含有上万个纳米级的水颗粒。由于每个水颗粒均被具有一定强度的界面膜所包围,水的沸点又小于汽油和柴油,这些颗粒在燃油燃烧前会同时发生“微爆”,炸碎燃油雾滴,使之进一步雾化达到纳米尺度,使燃油充分燃烧,并降低污染物的排放。同时,纳米水的亿万次“微爆”过程可以将发动机中的积碳炸碎,而在高温下,水分子可与被炸碎的积碳进行水煤气反应,生成可燃气体参与燃烧,从而清理了发动机燃烧室。燃料燃烧的充分与否主要依赖于其物理活性的大小,也就是燃油是否充分雾化。一般机械雾化的极限是50微米,这样的燃油雾滴还太大,要比汽化燃油(纳米尺度)的物理活性小数百万倍。如果能在燃油雾滴中预置一些“定时炸弹”,并让它们在燃烧前定时爆炸,将数十微米的燃油雾滴炸碎成纳米尺度的燃油分子团,那就同汽化燃油一样了。加水能够促进燃烧,比如乳化油,但是乳化油大概要加30%的水,才有20%左右的节油率,但是由于缺少炸弹的机制,所以威力很有限,并且由于水的汽化所需的热量只能来自燃料自身的燃烧,所以燃料的动力性能反而下降。另外还存在分层、破乳等不稳定现象。为了解决这些问题,李正孝回国后进入中国科学院全身心投入有关细微颗粒的介观物理研究。他设想运用最先进的纳米技术,把普通水处理成纳米水,使水与燃油因高度微乳化而溶为一体,以解决乳化燃油的热力学不稳定问题。由于水的沸点比燃油组分的沸点低,在燃油燃烧前的机械压缩过程会使燃油雾滴迅速加热,从而让预置在其中的纳米水颗粒的温度超过那个压力下的沸点,纳米水颗粒就可在燃油燃烧前定时爆炸,从而炸碎燃油雾滴,充分激活燃油的物理活性,让燃油燃烧充分。这样,自然就会节省燃油,降低尾气污染物排放。有效治理汽车尾气和改善燃料油燃烧将是解决城市环保问题和人类能源问题的有效手段。2纳米表面材料的应用纳米燃油添加剂研究的核心是如何实现燃油的微乳化,从极限破乳到化学成分稳定,再到机械稳定,把水稳定地加到油里去。纳米尺度的物质由于电子波函数的交叠所带来的原子、分子之间的自组织性为纳米态物质存在不稳定的问题提供了解决思路,并发展成为纳米组装技术,从而使问题一个个得到解决。在实验中发现,如果纳米水是炸药的话,那么爆炸要有威力,还要给炸药包上一个弹壳,弹壳的强度越高,爆炸的威力才会越大。经过大量实验,李正孝先生终于在核技术支持的条件下,在充满γ射线的核辐照场中合成了这种弹壳材料。它既不溶于油,也不溶于水,但它一端亲油,一端亲水,是一种典型的二元协同纳米界面材料。人们已知,任何相分离结构都会形成界面。相分离结构尺度越小,比界面积就越大。任何界面的出现,都是物质完整性的缺损,从而造成了为修补缺损而出现的界面张力。张力与界面积的乘积就是界面能。只要这种张力不为零,就存在界面能。如何降低界面能,特别是能否把界面能真正降为零是纳米态物质能否稳定存在的关键。二元协同纳米界面材料就是针对纳米材料本征问题——界面问题,从改变纳米材料界面性质入手,实现不同性质材料之间的界面重组,在介观尺度上构建出新的材料。对于多数介观体系,电子之间量子力学的相干性带来表面原子之间的自组织性,但所导致的界面形态的调整不足以使界面张力降为零,所以要想让介观颗粒体系稳定存在需要外加一膜状组装结构,通过它把界面修复起来,使张力降为零,从而消除界面能,这就是纳米组装技术。能够形成这种膜状组装结构的材料即为纳米组装材料。这种界面材料采取某种特殊的表面加工,在介观尺度形成两种性质不同的二维表面相区。而每个相区的结构以及两相构建的“界面”是纳米尺寸的。研究表明,这样具有不同的、甚至完全相反的理化性质的纳米相区,在某种条件下具有协同的相互作用,甚至可让材料的宏观表面上呈现出超常规的界面物性,即二元协同性。李正孝博士推出的纳米燃油添加剂正是纳米组装材料的具体应用。他利用核辐射及纳米组装技术形成的膜状组装结构做弹壳包装纳米水,改变了油和水这两类不管在宏观和微观尺度上都属完全不相容材料的界面性质,使其变为相容状态,既降低了油水之间的界面张力,让它热力学稳定,又有极高的断裂强度,使微爆威力巨大。将纳米水赋予了弹壳,就把它变成了无数(1018)炸弹,不仅把水变成了纳米材料,还造出了纳米尺度上的结构,从而控制了其中亲水功能团数量和结构的有机大分子材料的组装功能,实现了纳米尺度的水在油中的稳定存在。第一代纳米燃油添加剂应运而生!最新的权威检测和各种车辆、各种路况的实验结果证明,李正孝设计的物理图像和所涉及的“微爆理论”不仅理论上具有前瞻价值,实际操作也切实可行,具有提高燃烧效率和降低排放污染的双重功效。3纳米燃油添加剂有些人对此不理解,用普通水的观念理解纳米水,认为纳米水就是普通的水。普通的水是自由水,它会腐蚀油路和发动机的缸体;而纳米水不是这样的,它被一强度很高的膜包着,自身的稳定性非常好,尺度也非常均匀,根本不会接触到油路和汽缸的表面,只在燃烧之前爆炸。因此必须强调一个概念:这时的水已经不是水,它是水分子团,从状态上来讲它既非固态,也非液态,更非气态,它是纳米态。若在高分辨电子显微镜下观察,6纳米的材料比细胞还小很多,是球形的。纳米燃油添加剂利用了物理和化学方法在油品中形成的纳米尺寸球形水颗粒,可在室温所提供的热运动能量下获得每秒十几米的热运动,长久放置绝不分层,颜色也丝毫不发生变化。该产品具备了纳米材料的两个基本条件:(1)尺度介于1~100纳米;(2)性质不同于常规材料。这一添加剂加入燃油后,迅速分散成6纳米的球形水颗粒,并形成热力学稳定的分散相。当燃油被雾化时,每个雾滴中含有上万个纳米尺度的水颗粒。由于每个水颗粒均被具有一定强度的界面膜所包围,水的沸点又小于汽、柴油的主要成分,这些颗粒在燃油燃烧前会同时发生“微爆”,炸碎燃油雾滴,使之进一步雾化达到纳米尺度,使油滴体积减少9个数量级,物理活性提高6个数量级,使其在低空气量下可以完全燃烧,并降低污染物的排放。同时,纳米水的亿万次“微爆”过程可将发动机中的积炭炸碎,在高温下,水分子与被炸碎的炽热炭粒发生水煤气反应,生成可燃气体进一步燃烧生成CO2和H2O排出,从而清理了发动机燃烧室。对新的发动机,这种作用起到细微的表面维护作用,使燃烧室内表面无沉积物生成;对旧的发动机,这种过程使原有的沉积物分解,特别是使已沉积在活塞上部、喷油嘴和气门处的沉积物分解,并随废气排出,使发动机的设计工作点得以恢复。同时,彻底消除了活塞做功的周期性差异,大幅度消除发动机爆震,降低了车辆抖动和噪音,降低发动机对辛烷值的需求2~4个,使加了添加剂的低标号汽油具有高标号汽油相同或更好的表现。纳米燃油添加剂问世后,凭借新颖独特的技术路线、显著的产品效果、低廉的使用成本、强劲的“纳米”品牌号召力以及以建立品牌加油站为特点的前所未有的营销模式,这种纳米燃油添加剂已经完全走进了百姓的生活中。2001年3月,中国环境科学研究院(国家环境保护总局机动车排污监控中心)受中国石油天然气集团的委托对国外三种和国内三种著名清净剂同NANO牌纳米燃油添加剂进行了完全同等条件的15工况台架(HJ/T26.1-1999)对比检测,结果显示,NANO牌纳米燃油添加剂在7个添加剂品种对比中,对降低污染物排放综合效果最好,既可以全面降低三个污染物的排放,其效果又远远超出其他产品。纳米燃油添加剂经国家交通部汽车运输行业能源利用检测中心检测节油率8.2%,中石油天然气集团油田节能检测中心台架检测节油率10.92%。中国环境科学研究院、北京市环保局环境保护监测中心等机构的检测表明,该产品能大幅度节能和降低尾气有害物质排放,特别是对已成为环保焦点的氮氧化物的尾气排放,有独到的净化作用。2002年12月,李正孝经过技术改进推出纳米燃油添加剂的升级产品,英文商标为“BONUS”,意思为“额外增加的利润或红利”。此次共推出汽油添加剂、柴油添加剂、重油添加剂、汽油品质提升剂、柴油品质提升剂等7个品种。2003年4月李正孝又推出了博纳士纳米润滑油添加剂,它是利用纳米组装技术进行的又一重大发明。该添加剂是纳米尺度的金刚石颗粒和纳米组装材料的组合体,在润滑油中的添加比例为1∶1000。它的抗磨减磨机理主要通过以下3条途径实现:(1)类似“微轴承”作用,减少磨擦阻力,降低磨擦系数;(2)在磨擦条件下,纳米微粒在磨擦副表面形成一个光滑保护层;(3)填充磨擦副表面的微坑和损伤部位,起修复作用。在中国人民解放军军事交通运输学院的台架检测和中国人民解放军油料及油料装备检测试验中心的检测表明:该产品超级减磨、增加缸压、提高动力、节能环保。中央电视台《科技之光》栏目组织的北京——哈尔滨高速公路车辆路用实验表明:相同品牌标准润滑油中添加博纳士纳米润滑油添加剂比未添加该产品平均节省燃油9.74%。中国人民解放军军事交通学院汽车试验中心台架检测表明:尾气排放CO下降36%,HC下降38%。4博纳士公司的汽车健康养护策略博纳士集团公司是在李正孝推出纳米燃油添加剂后掀起的纳米风暴中迅速崛起的,它具备年产1万t纳米燃油添加剂,5000t纳米润滑油添加剂和20万t纳米特种润滑油的生产能力,产品销售以每年上升40%的水平远销国内外。李正孝自创办纳米产业以来,由于产品技术的新颖性和独创性,以及其中蕴含的巨大的