Ултразвукова обработка на въглища за производство на енергия

Ултразвуковата обработка на въглищни суспензии подпомага различни процеси при производството на енергия от въглища. Ултразвукът стимулира каталитичното хидрогениране при втечняването на въглища. Освен това ултразвуковата обработка може да увеличи площта на повърхността на въглищата и да подобри способността им да бъдат екстрахирани. Нежеланите странични химични реакции при обезпепеляването и десулфуризацията могат да бъдат избегнати – като процесът се извършва за много по-кратко време. Дори при разделянето чрез пенна флотация диспергирането на частиците до фини размери може да бъде значително подобрено чрез ултразвукова обработка.

Втечняване на въглища/ Процес за превръщане на въглища в течни горива

Течни горива могат да се произвеждат промишлено от въглища чрез процеса „втечняване на въглища“. Втечняването на въглища може да се осъществи по два начина – директно втечняване (DCL) и индиректно втечняване (ICL).
Докато индиректното втечняване обикновено включва газификация на въглищата, процесът на директно втечняване превръща въглищата направо в течност. За целта се използват разтворители (e.g. тетралин) или катализатори (e.g. MoS₂) в съчетание с повишени налягания и температури, за да се разруши органичната структура на въглищата. Тъй като течните въглеводороди обикновено имат по-високо моларно съотношение водород/въглерод от въглищата, както при технологиите ICL, така и при DCL е необходим процес на хидрогениране или отстраняване на въглерод.

Директно втечняване на въглища

Проучванията показват, че директното втечняване на предварително обработени с ултразвук въглища може да бъде значително подобрено. Три различни вида битуминозни въглища с по-ниска степен на въглефикация са обработени с ултразвук в разтворител. Предизвиканите от ултразвука набъбване и диспергиране доведоха до значително по-високи добиви при втечняването.

Индиректно втечняване на въглища

Въглищата могат да бъдат превърнати в течни горива чрез процеси на индиректно втечняване на въглища (ICL), включващи газификация, последвана от каталитично превръщане на синтез-газа в чисти въглеводороди и кислородсъдържащи транспортни горива като метанол, диметилов етер и горива, подобни на дизел или бензин, получени по метода на Fischer–Tropsch. Синтезът на Fischer–Tropsch изисква използването на катализатори, например катализатори на основата на желязо. Чрез ултразвукова фрагментация на частиците ефективността на катализаторите може да бъде значително подобрена.

Ултразвуково активиране на катализатори

Чрез ултразвукова обработка частиците могат да бъдат диспергирани, деагломерирани и фрагментирани – което води до увеличаване на площта на повърхността на частиците. За катализаторите това означава по-голяма активна повърхност, която увеличава каталитичната реактивност на частиците.
Пример: Наномащабен Fe катализатор
Сонохимично полученото нанофазно желязо е активен катализатор за хидрогенирането на CO по метода на Fischer–Tropsch и за хидрогенолизата и дехидрогенирането на алкани, главно поради голямата площ на повърхността му (>120mg^-1). Скоростите на превръщане на CO и H₂ в алкани с ниска молекулна маса бяха приблизително 20 пъти по-високи на грам Fe в сравнение с търговски железен прах с фини частици (диаметър 5 μm) при 250°C, а при 200°C активността беше повече от 100 пъти по-висока.

Примери за катализатори, получени чрез ултразвукова обработка:
e.g. MoS₂, нано-Fe

Възстановяване на катализатори

Въпреки че катализаторите не се изразходват по време на химичните реакции, тяхната активност и ефективност могат да намалеят поради агломерация и замърсяване. Затова може да се наблюдава, че първоначално катализаторите проявяват висока каталитична активност и селективност към кислородсъдържащи съединения. По време на реакцията обаче може да настъпи влошаване на свойствата на катализаторите поради агрегиране. Чрез ултразвуково облъчване катализаторите могат да бъдат регенерирани, тъй като кавитационните сили диспергират частиците и отстраняват отлаганията от повърхността.

Промиване на въглища: Ултразвуково обезпепеляване и десулфуризация

Ултразвуковото кондициониране може да подобри ефективността на методите за флотация на въглища, които се използват за десулфуризация и обезпепеляване. Най-голямото предимство на ултразвуковия метод е едновременното отстраняване на пепел и сяра.[1] Ултразвукът и предизвиканите от него акустични течения са добре известни с въздействието си върху частиците. Мощният ултразвук деагломерира и диспергира въглищните частици и полира повърхността им. Освен това ултразвукът почиства въглищната матрица, като отстранява сярата и пепелта.
При кондиционирането на потока от пулпа се прилага ултразвук с висока мощност, за да се подобрят обезпепеляването и десулфуризацията на пулпата. Ултразвуковата обработка влияе върху свойствата на пулпата, като намалява съдържанието на кислород и междуфазното напрежение, същевременно повишавайки стойността на pH и температурата. Така ултразвуковата обработка на въглища с високо съдържание на сяра подобрява десулфуризацията.

Намаляване на хидрофобността на пирита с помощта на ултразвук

Кислородните радикали, генерирани чрез ултразвук, окисляват прекомерно повърхността на пирита и водят до това сярата, съдържаща се в пулпата, да изглежда като намираща се под формата на сулфоксидни групи. Това намали хидрофобността на пирита.

Екстремните условия при колапса на генерираните чрез ултразвук кавитационни мехурчета в течности могат да създават свободни радикали. Това означава, че например ултразвуковата обработка на вода разкъсва молекулните връзки, като образува свободни радикали •OH и •OH.

H₂O → •H + •OH
Получените свободни радикали •OH и •H могат да участват във вторични реакции, както следва:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Полученият H2O2 е нестабилен и бързо отделя кислород в момента на образуването му. Така съдържанието на кислород във водата се увеличава след ултразвуковото кондициониране. Този новообразуван кислород, който е силно активен, може да реагира с минералните частици в пулпата и да намали съдържанието на кислород в нея.
Окисляването на пирита (FeS₂) настъпва в резултат на реакцията на O₂ с FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Екстракция на въглища

За екстракция на въглища се използват разтворители, които при избраните условия на екстракция могат да отделят водород за хидрогенирането на въглищата. Тетралинът е доказан разтворител, който се окислява до нафтален по време на екстракцията. Нафталенът може да бъде отделен и чрез хидрогениране отново да бъде превърнат в тетралин. Процесът се извършва под налягане при определени температури, зависещи от вида на въглищата, и с времена на престой от около три часа.

Ултразвуково реактивиране на окислени въглищни частици

Пенната флотация е процес на разделяне, който се използва за пречистване и обогатяване на въглища чрез използване на разликите в тяхната хидрофобност.
Окислените въглища трудно се поддават на флотация, тъй като хидрофилността на въглищната повърхност се увеличава. Свързаният с въглищната повърхност кислород образува полярни фенолни (-OH), карбонилни (-C=O) и карбоксилни (-COOH) групи, които засилват хидратацията на въглищната повърхност и по този начин увеличават нейната хидрофилност, като възпрепятстват адсорбцията на флотационните реагенти.
Ултразвуковата обработка на частици може да се използва за отстраняване на окислените слоеве от въглищните частици, така че повърхността на окислените въглищни частици да се активира отново.

Въглищно-водно-маслени и въглищно-водни горива

Ултразвуковото смилане и диспергиране се използват за получаване на суспензии от фини въглищни частици във вода или масло. Чрез ултразвукова обработка се получава дисперсия от фини частици и съответно стабилна суспензия. (За дълготрайна стабилност може да е необходимо добавянето на стабилизатор.) Наличието на вода в тези въглищно-водни и въглищно-водно-маслени горива води до по-пълно изгаряне и намалява вредните емисии. Освен това въглищата, диспергирани във вода, стават взривобезопасни, което улеснява работата с тях.

Източници и литература

1. Амбедкар, Б. (2012): Ултразвуково измиване на въглища за обезпепеляване и десулфуризация: експериментално изследване и механистично моделиране. Springer, 2012.
2. Канг, У.; Xun, H.; Конг, Х.; Ли, М. (2009): Ефекти от промените в природата на целулозата след ултразвуково кондициониране при плаване на въглища с високо съдържание на сяра. Минна наука и технологии 19, 2009. 498-502.