Ultrazvukové úpravy uhlí pro výrobu energie

Sonikace uhelných kalů přispívá k různým procesům při výrobě energie z uhlí. Ultrazvuk podporuje katalytickou hydrogenaci při zkapalňování uhlí. Kromě toho může sonikace zlepšit povrch a těžitelnost uhlí. Lze se vyhnout nežádoucím chemickým vedlejším reakcím během odpopelňování a odsíření – dokončení procesu za mnohem kratší dobu. I během procesu separace pomocí flotace pěnou může být jemná disperze částic výrazně zvýšena sonikací.

Zkapalňování uhlí / proces přeměny uhlí na kapalinu

Kapalná paliva lze průmyslově vyrábět z uhlí procesem “Zkapalňování uhlí”. Zkapalňování uhlí lze dosáhnout dvěma cestami – přímé (DCL) a nepřímé zkapalňování (ICL).
Zatímco nepřímé zkapalňování obecně zahrnuje zplyňování uhlí, proces přímého zkapalňování přeměňuje uhlí přímo na kapalinu. Proto rozpouštědla (např. tetralin) nebo katalyzátory (např. MoS₂) se používají v kombinaci se zvýšenými tlaky a teplotami k rozbití organické struktury uhlí. Vzhledem k tomu, že kapalné uhlovodíky mají obecně vyšší molární poměr vodík-uhlík než uhlí, je v technologiích ICL i DCL vyžadován proces hydrogenace nebo odmítnutí uhlíku.

Přímé zkapalňování uhlí

Studie ukázaly, že přímé zkapalňování uhlí ultrazvukem předupraveného uhlí lze výrazně zlepšit. Tři různé typy bitumenózního uhlí nižší třídy byly sonikovány v rozpouštědle. Ultrazvukem vyvolaný otok a Dispergující Výsledkem byly výrazně vyšší výtěžky zkapalňování.

Nepřímé zkapalňování uhlí

Uhlí může být přeměněno na kapalná paliva procesy nepřímého zkapalňování uhlí (ICL) zplyňováním s následnou katalytickou přeměnou syntézního plynu na čisté uhlovodíky a okysličená paliva pro dopravu, jako je methanol, dimethylether, paliva Fischer-Tropschova naftového nebo benzínového typu. Fischer-Tropschova syntéza vyžaduje použití katalyzátorů, jako jsou katalyzátory na bázi železa. Prostřednictvím ultrazvuku fragmentace částic, účinnost katalyzátorů lze výrazně zlepšit.

Aktivace ultrazvukového katalyzátoru

Ultrazvukovým ošetřením mohou být částice rozptýlený, Deaglomerované a fragmentovaný – což má za následek vyšší povrch částic. U katalyzátorů to znamená vyšší aktivní povrch, což zvyšuje katalytickou reaktivitu částic.
Příklad: Fe katalyzátor v nanoměřítku
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). Míry přepočtu CO a H₂ alkany s nízkou molekulovou hmotností byly přibližně 20krát vyšší na gram Fe než u komerčních železných prášků s jemnými částicemi (průměr 5 μm) při 250 °C a více než 100krát aktivnější při 200 °C.

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

Regenerace katalyzátoru

I když se katalyzátory během chemických reakcí nespotřebovávají, jejich aktivita a účinnost se může snížit v důsledku aglomerace a zanášení. Proto lze pozorovat, že katalyzátory zpočátku vykazují vysokou katalytickou aktivitu a selektivitu oxygenátu. Během reakce však může dojít k degradaci katalyzátorů v důsledku agregace. Ultrazvukovým ozařováním mohou být katalyzátory regenerovány jako kavitační síly rozptýlit částice a odstranit usazeniny z povrchu.

Praní uhlí: Ultrazvukové odpopelnění a odsíření

Ultrazvuková úprava může zvýšit výkon metod flotace uhlí, které se používají k odsíření a odsíření. 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 částice uhlí a leští jejich povrch. Kromě toho ultrazvuk čistí uhelnou matrici a odstraňuje síru a popel.
Úpravou proudu buničiny se aplikuje vysoce výkonný ultrazvuk ke zlepšení odpopelnění a odsíření buničiny. Sonikace ovlivňuje povahu buničiny tím, že snižuje obsah kyslíku a mezifázové napětí a zároveň zvyšuje hodnotu pH a teplotu. Ultrazvukové zpracování uhlí s vysokým obsahem síry tak zlepšuje odsíření.

Ultrazvukem asistované snížení hydrofobnosti pyritu

Ultrazvukem generované kyslíkové radikály nadměrně oxidují pyritový povrch a způsobují, že síra existující v buničině se zdá být ve formě sulfoxidových jednotek. Tím se snížila hydrofobnost pyritu.

Intenzivní podmínky během kolapsu ultrazvukem generovaného kavitace Bubliny v kapalinách jsou schopné vytvářet volné radikály. To znamená, že tj. sonikace vody rozbíjí molekulové vazby produkující volné radikály •OH a •OH.

H₂O → •H + •OH
Generované volné radikály •OH a •H mohou podléhat sekundárním reakcím, a to následovně:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Produkovaný H2O2 je nestabilní a rychle vypouští vznikající kyslík. Po ultrazvukové úpravě se tedy zvyšuje obsah kyslíku ve vodě. Vznikající kyslík, který je vysoce aktivní, může reagovat s minerálními částicemi existujícími v buničině a snižovat obsah kyslíku v buničině.
Oxidace pyritu (FeS₂) nastává v důsledku reakce O₂ s FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂TAKŽE₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂TAKŽE₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Těžba uhlí

Pro extrakci uhlí se používají rozpouštědla, která mohou za zvolených podmínek extrakce uvolňovat vodík pro hydrogenaci uhlí. Tetralin je osvědčené rozpouštědlo, které se během extrakce oxiduje na naftalen. Naftalen lze oddělit a přeměnit hydrogenací opět na tetralin. Proces se provádí pod tlakem při specifických teplotách v závislosti na druhu uhlí a době zdržení asi tři hodiny.

Ultrazvuková reaktivace oxidovaných částic uhlí

Pěnové plováctví je separační proces, který se používá k čištění a zušlechťování uhlí využitím rozdílů v jeho hydrofobnosti.
Oxidované uhlí je obtížné plavat, protože se zvyšuje hydrofilita povrchu uhlí. Připojený kyslík na povrchu uhlí tvoří polární fenolové (-OH), karbonylové (-C=O) a karboxylové (-COOH) skupiny, které zvyšují hydrataci povrchu uhlí a tím zvyšují jeho hydrofilitu a zabraňují adsorpci flotačních činidel.
Ultrazvukový Zpracování částic lze použít k odstranění oxidačních vrstev z částic uhlí tak, aby došlo k opětovné aktivaci povrchu oxidovaných částic uhlí.

Paliva Uhlí-voda-ropa a Uhlí-voda

ultrazvukový Mletí a Dispergující se používá k výrobě jemných suspenzí částic uhlí ve vodě nebo oleji. Ultrazvukem se generuje disperze částic jemné velikosti a tím stabilní suspenze. (Pro dlouhodobou stabilitu může být nutné přidat stabilizátor.) Přítomnost vody v těchto palivech uhlí-voda a uhlí-voda-olej má za následek úplnější spalování a snižuje škodlivé emise. Kromě toho se uhlí rozptýlené ve vodě stává odolným proti výbuchu, což usnadňuje manipulaci.

Reference/ 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.