Ученые показали, как хранить жидкое топливо в полимерных гелях, чтобы предотвратить взрывы и пожары

Жидкое с высокой плотностью энергии необходимо во многих приложениях, где химическая энергия преобразуется в управляемое движение, например, в ракетах, газовых турбинах, котлах и некоторых двигателях транспортных средств. Помимо характеристик горения и производительности, также важно гарантировать безопасность и стабильность этих видов топлива при использовании, а также при транспортировке и хранении.


Одна из распространенных опасностей при работе с жидким топливом заключается в том, что оно может быстро испаряться в ограниченном пространстве, образуя облака легковоспламеняющихся газов. Как и следовало ожидать, это может привести к катастрофическим ам или ам. Чтобы решить эту проблему, исследователи рассмотрели возможность использования загущенного топлива или топлива, превращающегося в густые гелеобразные вещества при низких температурах. К сожалению, есть много аспектов, которые необходимо оптимизировать, и препятствий, которые необходимо преодолеть, прежде чем загущенное топливо сможет выйти за рамки этапа исследований.

К счастью, группа исследователей под руководством профессора Наоки Хосоя из Технологического института Сибаура (SIT) и профессора Шинго Маэда из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, недавно исследовала более убедительное решение проблемы безопасности жидкого топлива. , а именно хранение их внутри полимерных гелевых сетей. В своем исследовании команда проанализировала производительность, преимущества и ограничения хранения этанола, обычного жидкого топлива, в геле химически сшитого поли(N-изопропилакриламида) (PNIPPAm). Этот документ был размещен в Интернете 21 апреля 2022 г. и опубликован в томе 444 Журнал химической инженерии 15 сентября 2022 г.

Во-первых, они проверили, помогло ли улавливание молекул этанола в длинных и химически переплетенных полимерных цепях PNIPAAm снизить скорость его испарения. Чтобы проверить это, исследователи создали небольшие сферы из геля PNIPAAm, наполненного этанолом, и поместили их на электронные весы, чтобы записать, как изменилась масса при испарении этанола. Они также провели этот эксперимент с эквивалентной лужицей этанола примерно с такой же площадью поверхности и массой, что и гелевая сфера.

Они обнаружили, что хранение этанола в полимерном геле полностью подавляет склонность топлива к быстрому испарению. Вероятно, это связано с тем, что молекулы этанола «захвачены» гелем, как объясняет профессор Хосоя: «Полимерный гель содержит бесчисленное количество трехмерных полимерных цепей, которые химически сильно сшиты. Эти цепи связывают молекулы этанола. посредством различных физических взаимодействий, ограничивая его испарение в процессе». Интересно, что загруженный гель не ведет себя как мокрое полотенце. В то время как влажное полотенце выделяло жидкость при сжатии, полимерный гель не выделял легко этанол под действием внешних сил.

Решив проблему испарения, команда перешла к изучению фактических характеристик горения этанола в сети полимерного геля, чтобы увидеть, эффективно ли они горят. Они поджигали наполненные этанолом гелевые сферы различных размеров и наблюдали за изменением их массы и профилей формы в режиме реального времени. На основании этого они определили, что горение загруженных гелевых сфер PNIPAAm состоит из двух фаз: фаза, в которой преобладает горение чистого этанола, за которой следует вторая фаза, в которой преобладает горение самого полимера PNIPAAm.

Посредством последующего теоретического анализа этих результатов команда пришла к важному выводу: первая и основная фаза горения загруженных гелевых сфер PNIPAAm следует модели с постоянной температурой капель, также известной как «d».2 Это означает, что горение геля, наполненного этанолом, может быть описано той же моделью, которая используется для капель жидкого топлива, намекая на то, что характеристики их горения должны быть схожими.

В целом, это исследование является ступенькой к новым способам безопасной транспортировки и хранения жидкого топлива внутри полимерных гелей, что может спасти множество жизней. «Хранение полимерного геля может предотвратить взрывы и пожары за счет резкого сокращения испарения топлива и, в свою очередь, образования горючих газообразных смесей, которые легко могут произойти после утечки в хранилище», — объясняет профессор Хосоя. «На этом фронте еще предстоит проделать большую работу, например, проверить стабильность и эффективность полимерных гелей при различных условиях температуры, давления и влажности, а также разработать более простые процедуры изготовления и лучшие способы использования этих наполненных топливом гелей в настоящие двигатели».