Ultrazvučni tretmani uglja za proizvodnju energije

Ultrazvučna obrada (sonikacija) suspenzija uglja doprinosi različitim procesima pri proizvodnji energije iz uglja. Ultrazvuk potiče katalitičku hidrogenaciju tokom likvefakcije uglja. Osim toga, sonikacija može poboljšati površinu i ekstrahibilnost uglja. Neželjene hemijske sporedne reakcije tokom odstranjivanja pepela i desulfurizacije mogu se izbjeći – čime se proces izvodi u mnogo kraćem vremenu. Čak i tokom procesa separacije flotacijom pjene, fina disperzija čestica može se znatno poboljšati sonikacijom.

Likvefakcija uglja / proces pretvaranja uglja u tečnost (Coal-to-Liquid)

Tečna goriva mogu se industrijski proizvoditi iz uglja postupkom „likvefakcije uglja“. Likvefakcija uglja može se postići na dva načina – direktnom (DCL) i indirektnom likvefakcijom (ICL).
Dok indirektna likvefakcija općenito uključuje gasifikaciju uglja, proces direktne likvefakcije pretvara ugalj direktno u tečnost. Stoga se otapala (e.g. tetralin) ili katalizatori (e.g. MoS₂) koriste u kombinaciji s povišenim pritiscima i temperaturama kako bi se razgradila organska struktura uglja. Budući da tečni ugljikovodici općenito imaju veći molarni omjer vodika i ugljika nego ugalj, i u ICL i u DCL tehnologijama potreban je proces hidrogenacije ili odbacivanja ugljika.

Direktna likvefakcija uglja

Studije su pokazale da se direktna likvefakcija ultrazvučno prethodno tretiranih ugljeva može znatno poboljšati. Tri različite vrste bitumenskog uglja nižeg ranga sonicirane su u otapalu. Ultrazvukom izazvano bubrenje i dispergiranje doveli su do znatno većih prinosa likvefakcije.

Indirektna likvefakcija uglja

Ugalj se može pretvoriti u tečna goriva procesima indirektne likvefakcije uglja (ICL) putem gasifikacije, nakon koje slijedi katalitička konverzija sintetskog gasa u čiste ugljikovodike i oksigenirana transportna goriva, kao što su metanol, dimetil-eter te Fischer-Tropschova goriva nalik dizelu ili benzinu. Fischer-Tropschova sinteza zahtijeva upotrebu katalizatora kao što su katalizatori na bazi željeza. Putem ultrazvučne fragmentacije čestica, efikasnost katalizatora može se znatno poboljšati.

Ultrazvučna aktivacija katalizatora

Ultrazvučnim tretmanom čestice se mogu dispergirati, deaglomerirati i fragmentirati – što rezultira većom površinom čestica. Kod katalizatora to znači veću aktivnu površinu, što povećava katalitičku reaktivnost čestica.
Primjer: Nanokatalizator Fe
Sonohemijski pripremljeno nanofazno željezo aktivan je katalizator za Fischer–Tropschovu hidrogenaciju CO te za hidrogenolizu i dehidrogenaciju alkana, uglavnom zbog svoje velike površine (>120mg^-1). Brzine konverzije CO i H₂ u alkane male molekulske mase bile su približno 20 puta veće po gramu Fe nego kod komercijalnog željeznog praha finih čestica (prečnik 5 μm) na 250°C, a više od 100 puta aktivnije na 200°C.

Primjeri ultrazvučno pripremljenih katalizatora:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Regeneracija katalizatora

Iako se katalizatori ne troše tokom hemijskih reakcija, njihova aktivnost i efikasnost mogu se smanjiti zbog aglomeracije i prljanja (fouling). Stoga se može uočiti da katalizatori na početku pokazuju visoku katalitičku aktivnost i selektivnost prema oksigenatima. Međutim, tokom reakcije može doći do degradacije katalizatora zbog agregacije. Ultrazvučnim zračenjem katalizatori se mogu regenerisati jer kavitacijske sile dispergiraju čestice i uklanjaju naslage s površine.

Pranje uglja: ultrazvučno odstranjivanje pepela i desulfurizacija

Ultrazvučno kondicioniranje može poboljšati performanse metoda flotacije uglja, koje se koriste za desulfurizaciju i odstranjivanje pepela. Najveća prednost ultrazvučne metode jeste istovremeno uklanjanje pepela i sumpora.[1] Ultrazvuk i njegovo akustično strujanje poznati su po svojim učincima na čestice. Ultrazvuk velike snage deaglomerira i dispergira čestice uglja te glača njihovu površinu. Osim toga, ultrazvuk čisti matricu uglja uklanjajući sumpor i pepeo.
Prilikom kondicioniranja struje pulpe primjenjuje se ultrazvuk velike snage radi poboljšanja odstranjivanja pepela i desulfurizacije pulpe. Sonikacija utječe na svojstva pulpe smanjenjem sadržaja kisika i međufazne napetosti, uz istovremeno povećanje pH vrijednosti i temperature. Time ultrazvučni tretman uglja s visokim sadržajem sumpora poboljšava desulfurizaciju.

Ultrazvukom potpomognuto smanjenje hidrofobnosti pirita

Ultrazvučno generisani kisikovi radikali pretjerano oksidiraju površinu pirita, pa se čini da je sumpor prisutan u pulpi u obliku sulfoksidnih jedinica. Time je smanjena hidrofobnost pirita.

Intenzivni uslovi tokom kolapsa ultrazvučno generisanih kavitacijskih mjehurića u tečnostima mogu stvarati slobodne radikale. To znači da, tj. sonikacija vode razbija veze molekula i proizvodi slobodne radikale •OH i •OH.

H₂O → •H + •OH
Nastali slobodni radikali •OH i •H mogu podlijegati sekundarnim reakcijama, kako slijedi:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Nastali H2O2 je nestabilan i brzo oslobađa nascentni kisik. Stoga se sadržaj kisika u vodi povećava nakon ultrazvučnog kondicioniranja. Nascentni kisik, budući da je visoko aktivan, može reagovati s mineralnim česticama prisutnim u pulpi i smanjiti sadržaj kisika u pulpi.
Oksidacija pirita (FeS₂) nastaje usljed reakcije O₂ s FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Ekstrakcija uglja

Za ekstrakciju uglja koriste se otapala koja pod odabranim uslovima ekstrakcije mogu osloboditi vodik za hidrogenaciju uglja. Tetralin je provjereno otapalo, koje se tokom ekstrakcije oksidira u naftalen. Naftalen se može odvojiti i hidrogenacijom ponovo pretvoriti u tetralin. Proces se provodi pod pritiskom na određenim temperaturama, ovisno o vrsti uglja, i uz vrijeme zadržavanja od oko tri sata.

Ultrazvučna reaktivacija oksidiranih čestica uglja

Flotacija pjene je proces separacije koji se koristi za pročišćavanje i oplemenjivanje uglja iskorištavanjem razlika u njihovoj hidrofobnosti.
Oksidirani ugljevi se teško flotiraju jer se hidrofilnost površine uglja povećava. Kisik vezan na površini uglja stvara polarne fenolne (-OH), karbonilne (-C=O) i karboksilne (-COOH) grupe, koje pojačavaju hidrataciju površine uglja i time povećavaju njenu hidrofilnost, sprečavajući adsorpciju flotacijskih reagensa.
Ultrazvučni tretman čestica može se koristiti za uklanjanje oksidacijskih slojeva s čestica uglja kako bi se površina oksidiranih čestica uglja ponovo aktivirala.

Ugalj-voda-ulje i goriva ugalj-voda

Ultrazvučno mljevenje i dispergiranje koristi se za dobijanje finih suspenzija čestica uglja u vodi ili ulju. Ultrazvučnom obradom nastaje fina disperzija čestica i time stabilna suspenzija. (Za dugotrajnu stabilnost može biti potrebno dodavanje stabilizatora.) Prisustvo vode u ovim gorivima ugalj-voda i ugalj-voda-ulje dovodi do potpunijeg sagorijevanja i smanjuje štetne emisije. Osim toga, ugalj dispergiran u vodi postaje otporan na eksploziju, što olakšava rukovanje.

Reference i literatura

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrazvučno pranje uglja za uklanjanje pepela i sumporizaciju: Eksperimentalno istraživanje i mehaničko modeliranje. Springer, 2012.
2. 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.