Ultrazvučni tretmani uglja za proizvodnju energije
Sonikacija uglja doprinosi različitim procesima tokom proizvodnje energije iz uglja. Ultrazvuk podstiče katalitičku hidrogenaciju tokom ukapljivanja uglja. Nadalje, sonikacija može poboljšati površinu i mogućnost ekstrakcije uglja. Mogu se izbjeći neželjene kemijske nuspojave tokom otpepelljenja i odsumporavanja – izvršavanje procesa u mnogo kraćem vremenu. Čak i tokom procesa separacije putem pjenaste flotacije, disperzija čestica fine veličine može se značajno poboljšati ultrazvukom.
Ukapljivanje uglja/proces od uglja u tečnost
Tečna goriva mogu se industrijski proizvesti iz uglja postupkom “ukapljivanje uglja”. Ukapljivanje uglja može se postići na dva načina – direktna (DCL) i indirektna tečnost (ICL).
Dok indirektno ukapljivanje generalno uključuje gasifikaciju uglja, direktni proces ukapljivanja pretvara ugalj direktno u tečnost. Stoga, rastvarači (npr. tetralin) ili katalizatori (npr. MoS2) se koriste u kombinaciji s povišenim pritiscima i temperaturama za razbijanje organske strukture uglja. Kako tekući ugljovodonici općenito imaju veći molarni omjer vodonik-ugljik od uglja, proces hidrogenacije ili odbacivanja ugljika je neophodan u ICL i DCL tehnologijama.
Direktno ukapljivanje uglja
Studije su pokazale da se direktno ukapljivanje uglja ultrazvučno prethodno obrađenog uglja može značajno poboljšati. Tri različite vrste bitumenskog uglja nižeg ranga su sonicirane u rastvaraču. Ultrazvuk je izazvao otok i Raspršivanje rezultiralo je značajno većim prinosima tečenja.
Indirektno ukapljivanje uglja
Ugalj se može pretvoriti u tečna goriva procesima indirektnog ukapljivanja uglja (ICL) kroz gasifikaciju praćenu katalitičkom konverzijom singasa u čiste ugljovodonike i oksigenovana transportna goriva kao što su metanol, dimetil eter, Fischer-Tropsch dizel ili goriva slična benzinu. Fischer-Tropsch sinteza zahtijeva upotrebu katalizatora kao što su katalizatori na bazi željeza. Preko ultrazvuka fragmentacija čestica, efikasnost katalizatora se može značajno poboljšati.
UIP16000 – Najmoćniji ultrazvučni ultrazvučni uređaj za teške uslove rada UIP16000 (16kW)
Ultrazvučna aktivacija katalizatora
Ultrazvučnim tretmanom čestice mogu biti raspršen, deaglomerirano i fragmentiran – što rezultira višom površinom čestica. Za katalizatore to znači veću aktivnu površinu, što povećava katalitičku reaktivnost čestica.
Primjer: Fe katalizator nano-razmjera
Sonochemically prepared nanophase iron is an active catalyst for the Fischer—Tropsch hydrogenation of CO and for the hydrogenolysis and dehydrogenation of alkanes, mainly due to its high surface area (>120mg-1). Stope konverzije CO i H2 do niske molekularne mase alkani su bili približno 20 puta veći po gramu Fe nego za fine čestice (prečnika 5 μm) komercijalni željezni prah na 250°C i više od 100 puta aktivniji na 200°C.
Primjeri za ultrazvučno pripremljene katalizatore:
npr. MoS2, nano-Fe
Reklamacija katalizatora
Iako se katalizatori ne troše tokom hemijskih reakcija, njihova aktivnost i efikasnost može da se smanji usled aglomeracije i prljanja. Stoga se može primijetiti da katalizatori u početku pokazuju visoku katalitičku aktivnost i selektivnost za oksigenaciju. Međutim, tokom reakcije može doći do degradacije katalizatora zbog agregacije. Ultrazvučnim zračenjem katalizatori se mogu regenerisati kao kavitacijski snage raspršiti se čestice i uklanjaju naslage sa površine.
Ultrazvučni sistem velike snage 2x60kW za teške aplikacije
Ispiranje uglja: ultrazvučno uklanjanje pepela i odsumporavanje
Ultrazvučno kondicioniranje može poboljšati performanse metoda flotacije uglja, koje se koriste za odsumporavanje i odmrzavanje. Najveća prednost ultrazvučne metode je istovremeno uklanjanje pepela i sumpora.[1] Ultrazvuk i njegovo akustično strujanje dobro su poznati po svom djelovanju na čestice. Snažni ultrazvuk deaglomerira i raspršuje čestice uglja i polira njihovu površinu. Nadalje, ultrazvuk čisti ugljeni matriks uklanjajući sumpor i pepeo.
Kondicioniranjem toka pulpe, ultrazvuk velike snage se primjenjuje kako bi se poboljšalo uklanjanje pepela i odsumporavanje pulpe. Sonikacija utječe na prirodu pulpe smanjujući sadržaj kisika i međufaznu napetost, dok povećava pH vrijednost i temperaturu. Na taj način, ultrazvučna obrada uglja s visokim sadržajem sumpora poboljšava odsumporavanje.
Ultrazvučno potpomognuto smanjenje hidrofobnosti pirita
Ultrazvučno generirani kisikovi radikali prekomjerno oksidiraju površinu pirita i čini da sumpor koji postoji u pulpi izgleda u obliku sulfoksidnih jedinica. Ovo je smanjilo hidrofobnost pirita.
Intenzivni uslovi tokom kolapsa ultrazvučno generisani kavitacija mjehurići u tekućinama su sposobni stvoriti slobodne radikale. To znači da, tj. sonikacija vode razbija veze molekula stvarajući slobodne radikale •OH i •OH.
Nastali slobodni radikali •OH i •H mogu se podvrgnuti sekundarnim reakcijama, kako slijedi:
•OH + •OH → H2O2
•HO2 + •HO2 → H2O2 + O2
Proizvedeni H2O2 je nestabilan i brzo ispušta nastali kisik. Dakle, sadržaj kiseonika u vodi se povećava nakon ultrazvučnog kondicioniranja. Kiseonik u nastajanju, koji je veoma aktivan, može reagovati sa mineralnim česticama koje postoje u pulpi i smanjiti sadržaj kiseonika u pulpi.
Oksidacija pirita (FeS2) nastaje zbog reakcije O2 sa FeS-om2.
FeS + 2O2 + 2H2O = Fe(OH)2 + H2SO4
2FeS + 2O2 + 2H+ = 2Fe2+ + S2O2- + H2O
vađenje uglja
Za ekstrakciju uglja koriste se rastvarači koji pod odabranim uslovima ekstrakcije mogu osloboditi vodonik za hidrogenaciju uglja. Tetralin je dokazano rastvarač, koji se tokom ekstrakcije oksidira u naftalen. Naftalen se može odvojiti i pretvoriti ponovo hidrogenacijom u tetralin. Proces se izvodi pod pritiskom na određenim temperaturama u zavisnosti od vrste uglja i vremena zadržavanja od oko tri sata.
Ultrazvučna reaktivacija oksidiranih čestica uglja
Floatacija pjene je proces separacije koji se koristi za pročišćavanje i poboljšanje uglja korištenjem prednosti razlike u njihovoj hidrofobnosti.
Oksidirani ugalj je teško plutati, jer se hidrofilnost površine uglja povećava. Vezani kiseonik na površini uglja formira polarne fenolne (-OH), karbonilne (-C=O) i karboksilne (-COOH) grupe, koje pojačavaju hidrataciju površine uglja i na taj način povećavaju njegovu hidrofilnost, sprečavajući flotacijske reagense da se adsorbuje.
Ultrazvučni tretman česticama može se koristiti za uklanjanje oksidacijskih slojeva s čestica uglja tako da se površina oksidiranih čestica uglja ponovo aktivira.
Ugalj-voda-nafta i ugljen-voda goriva
Ultrasonic brušenje i Raspršivanje koristi se za stvaranje kaše sitne veličine čestica uglja u vodi ili ulju. Ultrazvukom se stvara disperzija čestica fine veličine i time stabilna suspenzija. (Za dugotrajnu stabilnost može biti potreban dodatak stabilizatora.) Prisustvo vode u ovim gorivima ugljen-voda i ugljen-voda-ulje rezultira potpunijim sagorijevanjem i smanjuje štetne emisije. Nadalje, ugalj raspršen u vodi postaje otporan na eksploziju što olakšava rukovanje.
Reference/Literatura
- Ambedkar, B. (2012): Ultrazvučno pranje uglja za uklanjanje pepela i sumporizaciju: Eksperimentalno istraživanje i mehaničko modeliranje. Springer, 2012.
- Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Efekti promjena u prirodi pulpe nakon ultrazvučnog kondicioniranja na floataciju uglja s visokim sadržajem sumpora. Rudarska nauka i tehnologija 19, 2009. 498-502.
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvučni homogenizatori tkiva se često nazivaju sonikator sonde, zvučni lizer, ultrazvučni disruptor, ultrazvučni mlin, sono-ruptor, sonifier, zvučni dismembrator, ćelijski disruptor, ultrazvučni disperzer ili rastvarač. Različiti pojmovi proizlaze iz različitih primjena koje se mogu ispuniti sonikacijom.