Patlamaları ve Yangınları Önlemek Üzere Sıvı Yakıtların Polimerik Jellerde Depolanması
Fotoğraf : SIT Japan’den araştırmacılar, yeni bir çalışmalarında, kimyasal olarak çapraz bağlı polimerik jel ağlarının, etanol gibi oldukça uçucu sıvı yakıt moleküllerini fiziksel etkileşimler yoluyla yakalayabildiğini ve bu sayede buharlaşma oranlarını ve yangın kaza risklerini büyük ölçüde azaltabildiğini gösterdiler.
Roketler, gaz türbinleri, kazanlar ve belirli araç motorları gibi kimyasal enerjinin kontrollü harekete dönüştürüldüğü birçok uygulamada yüksek enerji yoğunluğuna sahip sıvı yakıtlar gereklidir. Yanma özellikleri ve performanslarının yanı sıra, bu yakıtların hem kullanım sırasında hem de nakliye ve depolama sırasında güvenlik ve stabilitelerini güvence altına almak önemlidir.
Sıvı yakıtlarla çalışırken yaygın olarak karşılaşılan tehlikelerden biri, alan verildiğinde hızla buharlaşabilmeleri ve son derece yanıcı gaz bulutları oluşturabilmeleridir. Tahmin edilebileceği gibi, bu durum felaket patlamalara ve yangın kazalarına yol açabilir. Araştırmacılar, bu sorunu çözmek üzere jelleşmiş yakıtların veya soğuk havalarda jel benzeri maddelere dönüşen yakıtların kullanımını göz önünde bulundurdular. Ancak, jelleşmiş yakıtlar araştırma aşamasının ötesine geçmeden önce, optimize edilmesi gereken birçok tarafları ve üstesinden gelinmesi gereken birtakım engeller bulunuyor.
Shibaura Teknoloji Enstitüsü’nden (SIT) Prof. Naoki Hosoya ve Japonya’daki Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nden (Tokyo Tech) Prof. Shingo Maeda liderliğindeki bir araştırma ekibi, yakın zamanda sıvı yakıtların güvenlik sorununa, yani onları polimerik jel ağlarında depolamak için, merak uyandıran bir çözüm üzerinde çalıştılar. Ekip, çalışmalarında, yaygın bir sıvı yakıt olan etanolün kimyasal olarak çapraz bağlı bir poli(N-izopropilakrilamid) (PNIPPAm) jel içinde depolanmasının performansını, avantajlarını ve sınırlamalarını analiz etti. Bu makale Chemical Engineering Journal’da yayımlandı.
İlk olarak, kimyasal olarak iç içe geçmiş uzun PNIPAAm polimer zincirleri içinde etanol moleküllerini yakalamanın buharlaşma oranını düşürmeye yardımcı olup olmadığını kontrol ettiler. Araştırmacılar, bunu test etmek için, etanol yüklü küçük PNIPAAm jel küreleri oluşturdular ve etanol buharlaştıkça kütlenin nasıl değiştiğini kaydetmek için bunları elektronik bir ölçeğe yerleştirdiler. Ayrıca bu deneyi, jel küre ile kabaca aynı yüzey alanına ve kütleye sahip eşdeğer bir etanol birikintisi ile gerçekleştirdiler.
Ekip, polimer jel içinde etanol depolamanın, yakıtın hızla buharlaşma eğilimini tamamen bastırdığını keşfetti. Prof. Hosoya’nın açıkladığı gibi, bu muhtemelen etanol moleküllerinin jel içinde “nasıl tutulduğuna” bağlıdır, “Polimerik jel, kimyasal olarak güçlü bir şekilde çapraz bağlanmış sayısız üç boyutlu polimer zincirleri içermekte. Bu zincirler, etanol moleküllerini çeşitli fiziksel etkileşimler yoluyla bağlar ve proseste buharlaşmasını sınırlar.” İlginç şekilde, yüklü jel, ıslak bir havlu gibi davranmıyor. Islak bir havlu, sıkıldığında içindeki sıvıyı serbest bırakırken, polimerik jel, dış kuvvetler altında etanolün kolayca dışarı çıkmasına izin vermemekteydi.
Ekip, buharlaşma sorunu çözüldüğünde, polimerik jel ağındaki etanolün verimli şekilde yanıp yanmadıklarını gözlemlemek için gerçek yanma özelliklerini incelemeye başladı. Çeşitli boyutlarda etanol yüklü jel küreleri ateşlediler ve kütle ve şekil profillerindeki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak gözlemlediler. Buna dayanarak, yüklü PNIPAAm jel kürelerinde yanmanın iki fazdan oluştuğunu belirlediler: saf etanol yanmasının hâkim olduğu bir faz ve ardından gelen PNIPAAm polimerinin kendisinin yandığı ikinci bir faz.
Bu sonuçların, hemen sonrasında yapılan teorik analiziyle ekip önemli bir sonuca vardı: yüklü PNIPAAm jel kürelerinin ilk ve ana yanma aşaması, “d2 yasası” olarak da bilinen sabit bir damlacık sıcaklık modelini takip etmekte. Bunun anlamı, etanol yüklü jelin yanması, sıvı yakıt damlacıkları için kullanılan aynı model tarafından tanımlanabilir, yani yanma performanslarının benzer olması gerektiğini söyler.
Genel olarak, bu çalışma, birçok hayat kurtarabilecek sıvı yakıtları polimer jeller içinde güvenli bir şekilde taşıma ve depolamanın yeni yollarına doğru bir basamak taşıdır. Prof. Hoşoya, “Polimerik jel depolama, yakıtların buharlaşmasını ve dolayısıyla bir depolama tesisindeki bir sızıntının ardından kolaylıkla meydana gelebilecek yanıcı gazlı karışımların oluşumunu büyük ölçüde azaltarak patlamaları ve yangın kazalarını önleyebilir.” diyor. “Polimerik jellerin farklı sıcaklık, basınç ve nem koşullarındaki stabilitelerini ve performanslarını kontrol etmenin yanı sıra daha basit üretim prosedürleri ve bu yakıt yüklü jelleri gerçek motorlarda kullanmanın daha iyi yollarını geliştirmek gibi bu cephede daha yapılacak çok iş var.”
Kaynak: phys.org
