I ricercatori di SIT Japan hanno dimostrato in un nuovo studio che le reti di gel polimerici reticolate chimicamente possono intrappolare molecole di combustibile liquido altamente volatili, come l'etanolo, attraverso interazioni fisiche, riducendo così notevolmente il loro tasso di evaporazione e i rischi di incendi. Credito:Naoki Hosoya da SIT, Giappone.
I combustibili liquidi con un'elevata densità di energia sono essenziali in molte applicazioni in cui l'energia chimica viene convertita in movimento controllato, come nei razzi, nelle turbine a gas, nelle caldaie e in alcuni motori di veicoli. Oltre alle loro caratteristiche e prestazioni di combustione, è importante anche garantire la sicurezza e la stabilità di questi combustibili sia durante l'uso che durante il trasporto e lo stoccaggio.
Un rischio comune quando si ha a che fare con combustibili liquidi è che possono evaporare rapidamente se viene fornito spazio, producendo nuvole di gas altamente infiammabili. Come ci si potrebbe aspettare, ciò può portare a esplosioni catastrofiche o incendi. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno preso in considerazione l'uso di combustibili gelificati, o combustibili trasformati in sostanze dense simili a gel dalle basse temperature. Tuttavia, ci sono molti aspetti da ottimizzare e ostacoli da superare prima che i combustibili gelificati possano andare oltre la fase di ricerca.
Un team di ricercatori guidato dal Prof. Naoki Hosoya dello Shibaura Institute of Technology (SIT) e dal Prof. Shingo Maeda del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Giappone, ha recentemente studiato una soluzione più convincente al problema della sicurezza dei combustibili liquidi, vale a dire immagazzinandoli all'interno di reti di gel polimerici. Nel loro studio, il team ha analizzato le prestazioni, i vantaggi e i limiti della conservazione dell'etanolo, un comune combustibile liquido, all'interno di un gel di poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPPAm) reticolato chimicamente. Questo articolo è stato pubblicato nel Chemical Engineering Journal .
In primo luogo, hanno verificato se l'intrappolamento delle molecole di etanolo all'interno delle lunghe catene polimeriche PNIPAAm intrecciate chimicamente aiutasse a ridurne il tasso di evaporazione. Per testare questo, i ricercatori hanno creato piccole sfere di gel PNIPAAm caricate con etanolo e le hanno posizionate su una scala elettronica per registrare come la massa cambiava quando l'etanolo veniva vaporizzato. Hanno anche eseguito questo esperimento con una pozza di etanolo equivalente, con all'incirca la stessa superficie e massa della sfera di gel.
Hanno scoperto che la conservazione dell'etanolo all'interno del gel polimerico sopprimeva completamente la tendenza del carburante a vaporizzare rapidamente. Ciò è probabilmente dovuto al modo in cui le molecole di etanolo sono "intrappolate" nel gel, poiché il Prof. Hosoya spiega che "il gel polimerico contiene innumerevoli catene polimeriche tridimensionali che sono chimicamente reticolate in modo forte. Queste catene legano le molecole di etanolo attraverso varie interazioni fisiche, limitandone l'evaporazione nel processo." È interessante notare che il gel caricato non si comporta come un asciugamano bagnato. Mentre un asciugamano bagnato rilascerebbe il suo liquido se strizzato, il gel polimerico non rilasciava facilmente etanolo sotto le forze esterne.
Con il problema dell'evaporazione risolto, il team è passato all'esame delle effettive caratteristiche di combustione dell'etanolo nella rete di gel polimerici per vedere se bruciavano in modo efficiente. Hanno acceso sfere di gel caricate con etanolo di varie dimensioni e osservato i cambiamenti nei loro profili di massa e forma in tempo reale. Sulla base di ciò, hanno determinato che la combustione delle sfere di gel PNIPAAm caricate consisteva in due fasi:una fase dominata dalla combustione di etanolo puro, seguita da una seconda fase dominata dalla combustione del polimero PNIPAAm stesso.
Attraverso una successiva analisi teorica di questi risultati, il team è giunto a un'importante conclusione:la prima e principale fase di combustione delle sfere di gel PNIPAAm caricate segue un modello a temperatura costante delle goccioline, noto anche come "d 2 legge." Ciò significa che la combustione del gel caricato con etanolo può essere descritta dallo stesso modello utilizzato per le goccioline di carburante liquido, suggerendo che le loro prestazioni di combustione dovrebbero essere simili.
Nel complesso, questo studio è un trampolino di lancio verso nuovi modi per trasportare e immagazzinare in sicurezza combustibili liquidi all'interno di gel polimerici, che potrebbero salvare molte vite. "Lo stoccaggio di gel polimerico potrebbe prevenire esplosioni e incendi riducendo drasticamente l'evaporazione dei combustibili e, a sua volta, la formazione di miscele gassose infiammabili, che possono verificarsi facilmente a seguito di una perdita in un impianto di stoccaggio", spiega il Prof. Hosoya. "Rimane ancora molto lavoro da fare su questo fronte, come il controllo della stabilità e delle prestazioni dei gel polimerici a diverse condizioni di temperatura, pressione e umidità, nonché lo sviluppo di procedure di fabbricazione più semplici e modi migliori per utilizzare questi gel carichi di carburante in veri motori". + Esplora ulteriormente
