22. 航空燃料に含まれる酸化グラフェン

2022年4月29日 10:49

2021年8月6日
mikandersen

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参考

Li, JM; Chang, P.H.; Li, L.; Theo, CJ; Khoo, BC; Duan, H.; Mai, V. C.。(2018). 酸化グラフェンの空気中ジェットA-1への適用による燃焼過程の促進。2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, pp.133-138にて。 https://doi.org/10.2514/6.2018-0133

はじめに

CO2の吸着・吸収能力に関する論文、特にジェット機の不完全燃焼の結果、大気中のエアロゾルに酸化グラフェンが存在することの詳細（Pöschl, U. 2005）から、研究は航空燃料の領域を切り開くものとなっている。これは、大気中のエアロゾル中の酸化グラフェンの存在が、空中ベクトルによるものか、ジェットエンジンが使用する燃料による汚染によるものか、高高度での意図的な燻蒸の影響または直接の実践によるものでしかないためである。. 農地処理のための燻蒸計画によって行われる非常に低い高度での燻蒸は、研究が行われた大気の上層部に影響を及ぼしてはならないことを考慮しなければなりません（Pöschl, U. 2005）。
一方、分析対象である「燃焼プロセス改善のための空気中ジェットA-1における酸化グラフェンの適用」は、明らかにする必要のあるいくつかの概念を伝達するものである。まず、航空燃料の種類、特にジェットA-1燃料の種類です。航空燃料はパラフィンとも呼ばれ、発熱量が高く、潤滑能力があり、ジェットエンジンのタービンに注入しやすく、燃焼点が38℃前後である石油系燃料である。航空用燃料は、民生用と軍用に分類される。民間燃料には、Jet-A、Jet-A1、Jet-Bの3種類がある。Jet-A1燃料はJet-A燃料に比べ、凝固点が若干低く（-47℃）、エネルギー密度にも若干の差がある。Jet-B燃料には、凝固点が-60℃であることから、より低温での運用を可能にする添加剤が含まれている。軍事分野では、エンジン性能の向上、廃棄物の削減、その後のタービンメンテナンスの容易化などのために添加剤が次々と変更されてきたJP1-10燃料がある。

事実

（Li, J.M.; Chang, P.H.; Li, L.; Teo, C.J.; Khoo, B.C.; Duan, H.; Mai, V.C.. 2018）による研究は、Jet-A1航空燃料への添加剤としての酸化グラフェン「GO」の応用を明確に提示しており、「Jet A-1に酸化グラフェン（GO）ナノシートを適用して、消炎着火遅延、火炎速度、衝撃誘発反応フラックスなどの空気中での燃焼性能を改善する可能性の検討」を報告したものです。
GO-Jet-A1燃料の高速燃焼実験図

図1. 燃料GO-Jet-A1の高速での燃焼実験の図。 (Li, J.M.; Chang, P.H.; Li, L.; Teo, C.J.; Khoo, B.C.; Duan, H.; Mai, V.C. 2018)．

著者らは、「この結果は、Jet A-1の気化時間を長くするか、チャンバー温度を高くすると、燃焼反応を促進するマイクロ触媒として高い表面積を保持する、より小さく、より密につぶれたGO粒子が得られることを示しています」と述べています。つまり、ジェットエンジンの燃焼室にJet-A1燃料を噴射する過程で、酸化グラフェンを燃料をよりよく吸着する粒子に変換し、点火反応を起こす速度を高めることができるのです。これは、「GO-Jet-A1混合物の初期消炎試験は、GOナノシートの添加により初期の線形燃焼速度が加速され、着火遅延時間が短縮されることを実証している」と記載されています。実験データによると、「空気中の17.9%ジェットA-1燃料の場合、GOを(2mg/ml)の割合で添加すると、初期の直線燃焼速度が4.52m/sから5.15m/s (13.8%) に、着火遅れ時間が8.195msから3.045ms (62.8%) に短縮されました」とあります。特に、GO-Jet-A1グラフェン酸化物燃料は「光着火性を有し、最小着火エネルギーが低い」ことが特徴である。これは、キセノンフラッシュチャンバーから放出されるパルスエネルギーでも起爆しやすく、固体ロケット燃料の資源として適しているため、非常に関係が深いのです。実際、この研究でも「エタノールに浸したGOフォームが、キセノンフラッシュランプで点火するとエタノール蒸気に引火することが実証された」と、この現象に直接言及しているのである。もう一つ興味深いのは、「GOフォームにGOや金属ナノ粒子が含まれている可能性」である。

もう一つ興味深いのは、「GOや金属ナノ粒子（例えば、Fe、Au、Pt、Cu...）を航空燃料に含めることで、パルスによるエンジン内の消炎から爆轟への移行を改善する別の方法を開拓する可能性がある」という内容です。この記述は、CO2吸着に関する項目で既に述べた、酸化グラフェンを含むFe3O4ナノ粒子が、航空燃料中の混合物と適合することを意味するため、関連性があります。
著者らは、"GOのエネルギー密度と金属ナノ粒子との高い反応性により、推進剤処方において、著しく高いエネルギー放出と高速化を実現するユニークな燃料添加剤となる。"と結論付けている。実際、これを研究しているのは彼らだけではありません。
他の研究
Askari, S.; Lotfi, R.; Rashidi, AM; Koolivand, H.; Koolivand-Salooki, M. 2016）の研究では、酸化グラフェンをナノ流体の形でケロシンと組み合わせ、レオロジー、熱物理学、エネルギー保存特性を決定する研究も扱われています。不思議なことに、Fe3O4と組み合わせた酸化グラフェンナノ粒子をオレイン酸でコーティングし、ケロシンと組み合わせた実験が行われました。得られたナノ流体は粘度が上昇し、5ヶ月以上沈殿することなく残存した。また、燃料の重量がわずか0.3%増加しただけで、熱伝達の最大改善率は66%に達しました。
ケロシンと酸化グラフェン添加物の研究は、MWCNT（多層カーボンナノチューブ）と組み合わせた燃料の挙動を決定するために、（Askari, S.; Rashidi, A.; Koolivand, H. 2019）の作業で継続されました。)または多層カーボンナノチューブは、本質的に同心円状の酸化グラフェンナノチューブである。その結果、対流による熱伝達が40.26%向上し、この化合物の「超安定性」が確認された。
c)はRafiqueの研究によるMWCNTカーボンナノチューブ

図2. Rafiqueの研究で得られたMWCNTカーボンナノチューブ（c）。(Rafique, I.; Kausar, A.; Anwar, Z.; Muhammad, B. 2016)。

MWCNTカーボンナノチューブに関連する別の研究は、ディーゼル燃料中のチオフェンおよびジベンゾチオフェン除去の触媒機能への応用を案内する（Khaled, M. 2015）ものである。彼らの最も関連性の高い結果の中で、これらの化合物の68.8%の除去が得られています。
Agarwal, DK; Vaidyanathan, A.; Kumar, SS 2016）による研究でも、ケロシン-グラフェンのナノ流体利用が取り上げられています。この場合、燃料の用途はロケットモーターにハメ込まれることになる。燃焼性能の向上を裏付けるとともに、これらの用途に理想的な特性として、" セミクライオジェニック・ロケットエンジンの再生冷却 "が見出された。
また、硫黄酸化物の排出を削減するための産業用燃料の酸化グラフェン添加剤に関する研究も行われており、その説明は以下のとおりです（Betiha, MA; Rabie, AM; Ahmed, HS; Abdelrahman, AA; El-Shahat, M-F 2018）。彼らが示すように、「酸化グラフェンを用いた酸化的脱硫プロセスは、燃料からの硫黄の除去において大きな関心を集めている」。さらに、研究者は、"硫黄化合物を含む化石燃料の燃焼は、人間の健康や周囲の環境、そして経済に有害な影響を与えると考えられている硫黄酸化物の一部を排出する。"と付け加えています。この記述は、酸化グラフェンの悪質な影響を考えると、非常に驚くべきことであるが、著者らは知らないようである。研究の結論として、彼らは酸化グラフェンについて、「GOは、その適格な物理化学的特性から、近い将来、純粋な燃料を得るための理想的な触媒の一種であることに変わりはない」と指摘しています。
ジェット燃料に酸化グラフェンを使用した別の事例として、低凝固点、高密度、高発熱量、燃焼の熱安定性が求められる（Dai, Y.; Nie, G.; Gong, S.; Wang, L.; Pan, L.; Fang, Y.; Zou, JJ 2020）ことがある。そのために、バイオマス（セルロース由来）をベースとしたバイオ燃料に酸化グラフェンを組み合わせ、添加した試薬（シクロペンタノール、メチルシクロペンタン、硫酸）の乳化性を向上させるような方法をとっています。これにより、1つのタンクで炭素収率83.2%、航空燃料に対する性能97.3%のブレンドを実現しました。
航空燃料における酸化グラフェンの別の例として、（Feng, M.; Jiang, XZ; Mao, Q.; Luo, KH; Hellier, P. 2019）が提案した、シート官能化グラフェンによるJP-10推進剤の酸化を改善する例がある。JP-10は、ミサイル、軍用ジェットエンジン、ラムジェット、スクラムジェットで使用される燃料で、その特性は高いエネルギーと熱密度、熱安定性、低い凝固点です。研究者らは、「グラフェンナノプレートレットは、わずか0.1%の粒子充填で燃焼速度を7%以上向上させるという優れた性能を有している」ことを裏付けている。また、研究成果の考察では、「FGS（機能化グラフェンシート）の存在下では、JP-10の熱分解と酸化の両方が促進・強化され、JP-10の低温での早期分解と高速な反応速度につながる」と述べられています。彼らは、"この研究は、JP-10燃料システムのための有望な触媒としてFGSを使用する可能性のための科学的基礎を築く。"と述べて締めくくっています。これらの主張は、（Yadav, AK; Nandakumar, K.; Srivastava, A.; Chowdhury, A. 2019）による研究でも認められている。
また、粉末グラフェンは、メソスケールの航空燃料と組み合わされています（Huang, X.; Li, S. 2016）。メソスケールとは、点火および燃焼試験が大気中の条件を模擬したものであることを意味する。発見と結論のうち、燃料中のナノメートルサイズのグラフェンは、マイクロメートルサイズの場合よりも長い時間安定した状態を保ち、したがって、サイズが小さいほど混合物を改善する傾向があることを強調している。一方、「グラフェン粉末を含む液体ジェット燃料膜は、短い遅延時間で誘導着火が可能である」。また、「グラフェンの燃焼は、反応器内で気化した燃料の着火に先行する」ことが示されており、重要な点として、「グラフェンは、CO2取り込みと氷結晶核生成で既に述べたように、その吸着能力からジェット燃料気化促進の核生成点として機能する」ことが挙げられている .

意見

航空機用燃料に酸化グラフェンを使用すると、航空機のジェットエンジンで不完全な熱分解が行われた結果、煤煙とともに大気中に酸化グラフェンが存在することが観察されている（Pöschl, U. 2005 ）。実際に、酸化グラフェン添加剤および誘導体を添加した場合、航空燃料の性能と品質が向上することは、参照したすべての科学的調査で一致している。したがって、航空燃料の燃焼または熱分解の結果、氷点下の対流圏のある高度からジェット機のタービンからの排ガスが凝縮して得られる水蒸気とともに、化学的痕跡の形で酸化グラフェンの痕跡（すすに加えて）を生成することができる、と言うことができる。酸化グラフェンナノ粒子における氷晶の核生成の項目で説明したように、民間航空機の飛行高度に見られるような温度・湿度条件下で酸化グラフェンが雲の発生を引き起こすと考えることは、無意味ではないだろう。また、水滴の中に酸化グラフェンが存在することも説明できる。これらのことは、航空用ジェットエンジン（民間/軍用）のケロシンと酸化グラフェンの燃焼による残留物としてケムトレイルの存在を確認し、空気中の汚染の証拠となるであろう。
一方、Fe3O4と結合した酸化グラフェンGOの出現頻度が高いことが確認された。すでに知られている用途（CO2吸着、抗がんDNAワクチン、農業用殺生物肥料、5G電磁波の吸収...）に加えて、航空燃料への応用が加わったのである。つまり、GO/Fe3O4あるいはFe3O4/GOは、c0r0n@v｜rusに関するすべての問題を派生させる普遍的な化合物となり得るのである。
抗がん剤DNAワクチン（Shah, MAA; He, N.; Li, Z.; Ali, Z.; Zhang, L. 2014)
殺生物剤と肥料（Zhang, M.; Gao, B.; Chen, J.; Li, Y.; Creamer, AE; Chen, H. 2014)
5G電磁波の吸収（Ma, E.; Li, J.; Zhao, N.; Liu, E.; He, C.; Shi, C. 2013)
CRISPRによる遺伝子組み換えワクチン（bbott, TR; Dhamdhere, G.; Liu, Y.; Lin, X.; Goudy, L.; Zeng, L.; Qi, LS 2020)
最後に、CO2削減や気候変動対策に協力するために、酸化グラフェンを直接燻蒸することがどの程度可能なのかを見極める必要があるであろう。この点については、次回の記事で紹介する予定である。

参考文献

1. Askari, S.; Lotfi, R.; Rashidi, AM; Koolivand, H.; Koolivand-Salooki, M. (2016). 省エネルギーのための超安定ケロシンベースFe3O4/グラフェンナノ流体のレオロジーおよび熱物理学的特性. Energy Conversion and Management, 128, p. 134-144。https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.09.037。

2. Askari, S.; Rashidi, A.; Koolivand, H. (2019). 超安定なケロシンベースのMWCNTsおよびグラフェンナノ流体の熱性能に関する実験的検討。International Communications in Heat and Mass Transfer, 108, 104334。https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.104334。

3. Agarwal, DK; Vaidyanathan, A.; Kumar, SS (2016). ケロシン-グラフェンナノ流体の熱性能に関する実験的検討。Experimental Thermal and Fluid Science, 71, p. 126-137。https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2015.10.028。

4. Betiha, MA; Rabie, AM; Ahmed, H.S.; Abdelrahman, AA; El-Shahat, M.F. (2018).。チオフェンおよびその誘導体を含む燃料のためのグラフェンおよびそのコンポジットを用いた酸化的脱硫。アップデートレビュー。Egyptian journal of petroleum, 27(4), 715-730。https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2017.10.006。

5. Dai, Y.; Nie, G.; Gong, S.; Wang, L.; Pan, L.; Fang, Y.; Zou, J.J. (2020). 高密度ジェット燃料のワンポット合成のための還元型グラフェン酸化物による乳化促進。Fuel, 275, 117962. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117962

6. Feng, M.; Jiang, XZ; Mao, Q.; Luo, KH; Hellier, P. (2019). 官能基化グラフェンシートにおけるJP-10（exo-tetrahydrodicyclopentadiene）の熱分解および酸化の促進開始メカニズム： ReaxFF分子動力学シミュレーションからの知見。Fuel, 254, 115643. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.115643

7. Huang, X.; Li, S. (2016). グラフェン粉末を含むジェット燃料液膜のメゾスケールでの着火・燃焼特性. Fuel, 177, pp.113-122。https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.03.004。

8. カレド、M. (2015). モデルディーゼル燃料からのチオフェンおよびジベンゾチオフェン除去のための多層カーボンナノチューブおよび酸化グラフェンの吸着性能。Research on Chemical Intermediates, 41(12), p. 9817-9833。http://dx.doi.org/10.1007%2Fs11164-015-1986-5。

9. Li, JM; Chang, P.H.; Li, L.; Theo, CJ; Khoo, BC; Duan, H.; Mai, V. C. (2018). 空気中のジェット A-1 における酸化グラフェンの適用による燃焼プロセスの強化．2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting, pp.133-138にて。 https://doi.org/10.2514/6.2018-0133

10. Poschl, U. (2005). Atmospheric aerosols: composition, transformation, climate and health effects. Angewandte Chemie International Edition, 44(46), p. 7520-7540。https://doi.org/10.1002/anie.200501122。

11. ラフィーク、I.；カウサー、A.；アンワル、Z.；ムハンマド、B.（2016）。高性能材料のために設計されたエポキシ樹脂、硬化システム、およびエポキシ/カーボンナノチューブ複合体の探求。レビュー。Polymer-Plastics Technology and Engineering, 55(3), p. 312-333。https://doi.org/10.1080/03602559.2015.1070874。

12. Yadav, AK; Nandakumar, K.; Srivastava, A.; Chowdhury, A. (2019). グラフェンナノプレートレットを装填したロケット級ケロシン液滴の燃焼-最適な質量装填の背後にある理由の探索。Combustion and Flame, 203, pp.1-13。https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2019.01.030。