معالجة الفحم بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الطاقة

تسهم معالجة معلقات الفحم بالموجات فوق الصوتية في عمليات مختلفة أثناء إنتاج الطاقة من الفحم. وتعزز الموجات فوق الصوتية الهدرجة التحفيزية أثناء تسييل الفحم. علاوة على ذلك، يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تحسين مساحة سطح الفحم وقابليته للاستخلاص. ويمكن تجنب التفاعلات الكيميائية الجانبية غير المرغوب فيها أثناء إزالة الرماد والكبريت – مع إنجاز العملية في وقت أقصر بكثير. وحتى أثناء عملية الفصل بالتعويم الرغوي، يمكن تحسين تشتيت الجسيمات الدقيقة بدرجة كبيرة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

تسييل الفحم/ عملية تحويل الفحم إلى سائل

يمكن إنتاج الوقود السائل صناعيًا من الفحم بعملية «تسييل الفحم». ويمكن تحقيق تسييل الفحم بطريقتين – التسييل المباشر (DCL) والتسييل غير المباشر (ICL).
بينما يتضمن التسييل غير المباشر عمومًا تغويز الفحم، تحول عملية التسييل المباشر الفحم مباشرة إلى سائل. ولذلك، تُستخدم المذيبات (e.g. التترالين) أو المحفزات (e.g. MoS₂) بالاقتران مع ضغوط ودرجات حرارة مرتفعة لتفكيك البنية العضوية للفحم. ولأن الهيدروكربونات السائلة تتمتع عمومًا بنسبة مولية للهيدروجين إلى الكربون أعلى من الفحم، فإن تقنيتي ICL وDCL تتطلبان عملية هدرجة أو عملية استبعاد للكربون.

التسييل المباشر للفحم

أظهرت الدراسات إمكانية تحسين التسييل المباشر للفحم المعالج مسبقًا بالموجات فوق الصوتية تحسنًا ملحوظًا. وقد عولجت ثلاثة أنواع مختلفة من الفحم البيتوميني ذي الرتبة المنخفضة بالموجات فوق الصوتية في مذيب. وأدى الانتفاخ الناجم عن الموجات فوق الصوتية و التشتيت إلى مردود تسييل أعلى بدرجة ملحوظة.

التسييل غير المباشر للفحم

يمكن تحويل الفحم إلى وقود سائل بعمليات التسييل غير المباشر للفحم (ICL) من خلال التغويز، يليه التحويل التحفيزي لغاز التخليق إلى هيدروكربونات نظيفة وأنواع وقود للنقل تحتوي على الأكسجين، مثل الميثانول وثنائي ميثيل الإيثر وأنواع الوقود الشبيهة بالديزل أو البنزين الناتجة عن عملية فيشر–تروبش. ويتطلب تخليق فيشر–تروبش استخدام محفزات، مثل المحفزات القائمة على الحديد. ومن خلال تفتيت الجسيمات بالموجات فوق الصوتية، يمكن تحسين كفاءة المحفزات بدرجة كبيرة.

تنشيط المحفزات بالموجات فوق الصوتية

يمكن، باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تشتيت الجسيمات, وتفكيك تكتلاتها و تفتيتها – مما يؤدي إلى زيادة مساحة سطح الجسيمات. وبالنسبة إلى المحفزات، يعني ذلك زيادة مساحة السطح النشط، مما يزيد التفاعلية التحفيزية للجسيمات.
مثال: محفز Fe على المقياس النانوي
يُعد الحديد ذو الطور النانوي المحضر بالكيمياء الصوتية محفزًا نشطًا لهدرجة CO بطريقة فيشر–تروبش وللتحلل الهيدروجيني للألكانات ونزع الهيدروجين منها، ويرجع ذلك أساسًا إلى مساحة سطحه الكبيرة (>120mg^-1). وكانت معدلات تحويل CO وH₂ إلى ألكانات منخفضة الكتلة الجزيئية أعلى بنحو 20 مرة لكل غرام من Fe مقارنة بمسحوق الحديد التجاري ذي الجسيمات الدقيقة (بقطر 5 μm) عند 250°C، وكان النشاط أعلى بأكثر من 100 مرة عند 200°C.

أمثلة على المحفزات المحضرة بالموجات فوق الصوتية:
e.g. MoS₂، nano-Fe

استعادة المحفزات

على الرغم من أن المحفزات لا تُستهلك أثناء التفاعلات الكيميائية، فإن نشاطها وكفاءتها قد ينخفضان بسبب التكتل وتراكم الملوثات. ولذلك، يمكن ملاحظة أن المحفزات تُظهر في البداية نشاطًا تحفيزيًا مرتفعًا وانتقائية عالية للمركبات الأكسجينية. ومع ذلك، قد تتدهور المحفزات أثناء التفاعل بسبب التجمع. ويمكن تجديد المحفزات بالتعريض للموجات فوق الصوتية، إذ إن قوى التجويف تعمل على تشتيت الجسيمات وإزالة الترسبات من السطح.

غسل الفحم: إزالة الرماد والكبريت بالموجات فوق الصوتية

يمكن للتهيئة بالموجات فوق الصوتية تحسين أداء طرق تعويم الفحم المستخدمة لإزالة الكبريت والرماد. وتتمثل أكبر ميزة للطريقة فوق الصوتية في إزالة الرماد والكبريت في الوقت نفسه.[1] وتُعرف الموجات فوق الصوتية وتياراتها الصوتية بتأثيراتها في الجسيمات. وتفكك الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تكتلات جسيمات الفحم وتشتتها وتصقل أسطحها. علاوة على ذلك، تنظف الموجات فوق الصوتية مصفوفة الفحم بإزالة الكبريت والرماد.
تُستخدم الموجات فوق الصوتية عالية القدرة لتهيئة تيار اللب بهدف تحسين إزالة الرماد والكبريت منه. وتؤثر المعالجة بالموجات فوق الصوتية في طبيعة اللب بخفض محتوى الأكسجين والتوتر البيني، مع زيادة قيمة pH ودرجة الحرارة. وبذلك، تحسن معالجة الفحم عالي المحتوى من الكبريت بالموجات فوق الصوتية إزالة الكبريت.

خفض كراهية البيريت للماء بمساعدة الموجات فوق الصوتية

تؤدي جذور الأكسجين المتولدة بالموجات فوق الصوتية إلى أكسدة مفرطة لسطح البيريت، وتجعل الكبريت الموجود في اللب يبدو على هيئة وحدات سلفوكسيد. وقد أدى ذلك إلى خفض كراهية البيريت للماء.

يمكن للظروف الشديدة أثناء انهيار فقاعات التجويف المتولدة بالموجات فوق الصوتية في السوائل أن تولد جذورًا حرة. وهذا يعني، على سبيل المثال، أن معالجة الماء بالموجات فوق الصوتية تكسر الروابط الجزيئية، مولدةً جذورًا حرة من •OH و•OH.

H₂O → •H + •OH
يمكن للجذور الحرة المتولدة •OH و•H أن تخضع لتفاعلات ثانوية على النحو الآتي:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
يكون H2O2 الناتج غير مستقر ويطلق الأكسجين الوليد بسرعة. ولذلك، يزداد محتوى الأكسجين في الماء بعد التهيئة بالموجات فوق الصوتية. ويمكن للأكسجين الوليد، لكونه شديد النشاط، أن يتفاعل مع الجسيمات المعدنية الموجودة في اللب ويخفض محتوى الأكسجين فيه.
تحدث أكسدة البيريت (FeS₂) نتيجة تفاعل O₂ مع FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

استخلاص الفحم

تُستخدم لاستخلاص الفحم مذيبات يمكنها، في ظروف الاستخلاص المختارة، إطلاق الهيدروجين اللازم لهدرجة الفحم. والتترالين مذيب مثبت الفعالية يتأكسد إلى النفثالين أثناء الاستخلاص. ويمكن فصل النفثالين وتحويله بالهدرجة إلى التترالين مرة أخرى. وتُجرى العملية تحت الضغط عند درجات حرارة محددة تعتمد على نوع الفحم، وبأزمنة مكوث تبلغ نحو ثلاث ساعات.

إعادة تنشيط جسيمات الفحم المؤكسدة بالموجات فوق الصوتية

التعويم الرغوي عملية فصل تُستخدم لتنقية الفحم وإثرائه بالاستفادة من الاختلافات في كراهيته للماء.
يصعب تعويم الفحم المؤكسد بسبب زيادة محبة سطح الفحم للماء. ويشكل الأكسجين المرتبط بسطح الفحم مجموعات قطبية من الفينول (-OH) والكربونيل (-C=O) والكربوكسيل (-COOH)، تعزز إماهة سطح الفحم وتزيد بذلك محبته للماء، مما يمنع امتزاز كواشف التعويم.
ويمكن استخدام معالجة الجسيمات بالموجات فوق الصوتية لإزالة طبقات الأكسدة من جسيمات الفحم، بحيث يُعاد تنشيط سطح جسيمات الفحم المؤكسدة.

وقود الفحم والماء والزيت ووقود الفحم والماء

يُستخدم الطحن و التشتيت بالموجات فوق الصوتية لإنتاج معلقات من جسيمات الفحم الدقيقة في الماء أو الزيت. وتؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى تشتيت الجسيمات الدقيقة، ومن ثم تكوين معلق مستقر. (قد تكون إضافة عامل تثبيت ضرورية لتحقيق الاستقرار على المدى الطويل.) ويؤدي وجود الماء في وقود الفحم والماء ووقود الفحم والماء والزيت إلى احتراق أكثر اكتمالًا ويخفض الانبعاثات الضارة. علاوة على ذلك، يصبح الفحم المشتت في الماء مقاومًا للانفجار، مما يسهل التعامل معه.

المراجع / الأدبيات

1. أمبيدكار ، ب. (2012): غسل الفحم بالموجات فوق الصوتية لإزالة الرماد وإزالة الكبريت: التحقيق التجريبي والنمذجة الميكانيكية. سبرينغر ، 2012.
2. كانغ ، دبليو ؛ شون ، ه. كونغ ، العاشر ؛ Li، M. (2009): التأثيرات الناجمة عن التغيرات في طبيعة اللب بعد التكييف بالموجات فوق الصوتية على تعويم الفحم عالي الكبريت. علوم وتكنولوجيا التعدين 19 ، 2009. 498-502.