Ultrazvukové úpravy uhlí pro výrobu energie

Sonikace uhelných suspenzí přispívá k různým procesům při výrobě energie z uhlí. Ultrazvuk podporuje katalytickou hydrogenaci při zkapalňování uhlí. Sonikace dále může zvětšit povrch uhlí a zlepšit jeho extrahovatelnost. Nežádoucím chemickým vedlejším reakcím při odpopelování a odsiřování lze zabránit – a proces přitom proběhne za mnohem kratší dobu. Dokonce i při separačním procesu pěnovou flotací lze sonikací výrazně zlepšit jemnou disperzi částic.

Zkapalňování uhlí / proces Coal-to-Liquid

Kapalná paliva lze průmyslově vyrábět z uhlí procesem „zkapalňování uhlí“. Zkapalňování uhlí lze dosáhnout dvěma cestami – přímým (DCL) a nepřímým zkapalňováním (ICL).
Zatímco nepřímé zkapalňování obecně zahrnuje zplyňování uhlí, proces přímého zkapalňování přeměňuje uhlí přímo na kapalinu. K tomu se používají rozpouštědla (např. tetralin) nebo katalyzátory (např. MoS₂) v kombinaci se zvýšeným tlakem a teplotou, aby se rozrušila organická struktura uhlí. Protože kapalné uhlovodíky mají obecně vyšší molární poměr vodíku k uhlíku než uhlí, je v technologiích ICL i DCL nutný proces hydrogenace nebo odstraňování uhlíku.

Přímé zkapalňování uhlí

Studie ukázaly, že přímé zkapalňování ultrazvukem předupraveného uhlí lze výrazně zlepšit. Tři různé typy černého uhlí nižšího stupně prouhelnění byly sonikovány v rozpouštědle. Ultrazvukem vyvolané bobtnání a dispergace vedly k pozoruhodně vyšším výtěžkům zkapalňování.

Nepřímé zkapalňování uhlí

Uhlí lze přeměnit na kapalná paliva procesy nepřímého zkapalňování uhlí (ICL), a to zplyněním s následnou katalytickou konverzí syntézního plynu na čisté uhlovodíky a okysličená paliva pro dopravu, jako je methanol, dimethylether nebo Fischer-Tropschova paliva podobná motorové naftě či benzinu. Fischer-Tropschova syntéza vyžaduje použití katalyzátorů, například katalyzátorů na bázi železa. Účinnost katalyzátorů lze výrazně zlepšit pomocí ultrazvukové fragmentace částic.

Ultrazvuková aktivace katalyzátorů

Ultrazvukovým ošetřením lze částice dispergovat, deaglomerovat a fragmentovat – výsledkem je větší povrch částic. U katalyzátorů to znamená větší aktivní povrch, který zvyšuje katalytickou reaktivitu částic.
Příklad: nanočásticový katalyzátor Fe
Sonochemicky připravené nanofázové železo je aktivním katalyzátorem pro Fischerovu–Tropschovu hydrogenaci CO a pro hydrogenolýzu a dehydrogenaci alkanů, a to především díky svému velkému měrnému povrchu (>120mg^-1). Rychlosti konverze CO a H₂ na alkany s nízkou molekulovou hmotností byly při 250°C přibližně 20krát vyšší na gram Fe než u komerčního jemnozrnného železného prášku (průměr částic 5 μm) a při 200°C byly více než 100krát aktivnější.

Příklady ultrazvukově připravených katalyzátorů:
např. MoS₂, nano-Fe

Regenerace katalyzátorů

Přestože se katalyzátory při chemických reakcích nespotřebovávají, jejich aktivita a účinnost se mohou snižovat v důsledku aglomerace a zanášení. Lze tedy pozorovat, že katalyzátory zpočátku vykazují vysokou katalytickou aktivitu a selektivitu k oxygenátům. Během reakce však může v důsledku agregace docházet k degradaci katalyzátorů. Ultrazvukovým ozařováním lze katalyzátory regenerovat, protože kavitační síly dispergují částice a odstraňují usazeniny z povrchu.

Praní uhlí: ultrazvukové odpopelování a odsiřování

Ultrazvukové kondicionování může zlepšit účinnost metod flotace uhlí, které se používají k odsiřování a odpopelování. Největší výhodou ultrazvukové metody je současné odstranění popela a síry.[1] Ultrazvuk a jeho akustické proudění jsou dobře známé svými účinky na částice. Výkonový ultrazvuk deaglomeruje a disperguje uhelné částice a leští jejich povrch. Ultrazvuk dále čistí uhelnou matrici, z níž odstraňuje síru a popel.
Při kondicionování proudu rmutu se vysoce výkonný ultrazvuk používá ke zlepšení odpopelování a odsiřování rmutu. Sonikace ovlivňuje vlastnosti rmutu tím, že snižuje obsah kyslíku a mezifázové napětí a zároveň zvyšuje hodnotu pH a teplotu. Ultrazvukové ošetření uhlí s vysokým obsahem síry tak zlepšuje odsiřování.

Ultrazvukem podpořené snížení hydrofobicity pyritu

Ultrazvukem generované kyslíkové radikály nadměrně oxidují povrch pyritu a způsobují, že síra přítomná v rmutu se jeví ve formě sulfoxidových jednotek. To snížilo hydrofobicitu pyritu.

Intenzivní podmínky při kolapsu ultrazvukem generovaných kavitačních bublin v kapalinách jsou schopny vytvářet volné radikály. To znamená, že např. sonikace vody štěpí molekulové vazby, čímž vznikají volné radikály •OH a •OH.

H₂O → •H + •OH
Vzniklé volné radikály •OH a •H mohou podléhat sekundárním reakcím, a to následovně:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Vznikající H2O2 je nestabilní a rychle uvolňuje nascentní kyslík. Obsah kyslíku ve vodě se tak po ultrazvukovém kondicionování zvyšuje. Nascentní kyslík, který je vysoce aktivní, může reagovat s minerálními částicemi přítomnými v rmutu a snižovat obsah kyslíku v rmutu.
K oxidaci pyritu (FeS₂) dochází v důsledku reakce O₂ s FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Extrakce uhlí

K extrakci uhlí se používají rozpouštědla, která mohou za zvolených podmínek extrakce uvolňovat vodík pro hydrogenaci uhlí. Osvědčeným rozpouštědlem je tetralin, který se během extrakce oxiduje na naftalen. Naftalen lze oddělit a hydrogenací opět přeměnit na tetralin. Proces probíhá pod tlakem při specifických teplotách v závislosti na typu uhlí a s dobou zdržení přibližně tři hodiny.

Ultrazvuková reaktivace oxidovaných uhelných částic

Pěnová flotace je separační proces, který se používá k čištění a úpravě uhlí s využitím rozdílů v jejich hydrofobicitě.
Oxidované uhlí se obtížně flotuje, protože se zvyšuje hydrofilita povrchu uhlí. Kyslík navázaný na povrchu uhlí tvoří polární fenolové (-OH), karbonylové (-C=O) a karboxylové (-COOH) skupiny, které zvyšují hydrataci povrchu uhlí, a tím i jeho hydrofilitu, což brání adsorpci flotačních činidel.
Ultrazvukové ošetření částic lze použít k odstranění oxidačních vrstev z uhelných částic, takže se povrch oxidovaných uhelných částic znovu aktivuje.

Paliva uhlí-voda-olej a uhlí-voda

Ultrazvukové mletí a dispergace se používají k výrobě jemných suspenzí uhelných částic ve vodě nebo oleji. Ultrazvukem se vytváří jemná disperze částic, a tím stabilní suspenze. (Pro dlouhodobou stabilitu může být nutné přidat stabilizátor.) Přítomnost vody v těchto palivech uhlí-voda a uhlí-voda-olej vede k úplnějšímu spalování a snižuje škodlivé emise. Uhlí dispergované ve vodě se navíc stává nevýbušným, což usnadňuje manipulaci.

Odkazy a literatura

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrazvukové mytí uhlím pro odpopelnění a odsíření: Experimentální vyšetřování a mechanistické modelování. Praha: Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Účinky změn v povaze buničiny po ultrazvukovém kondicionování na plovoucím uhlí s vysokým obsahem síry. Hornická věda a technologie 19, 2009. 498-502.