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.
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.
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.