Ultralydskulbehandlinger til energiproduktion

Sonikering af kulopslæmninger bidrager til forskellige processer under energiproduktionen fra kul. Ultralyd fremmer den katalytiske hydrogenering under fortætning af kul. Desuden kan sonikering forbedre overfladearealet og ekstraktionsevnen af kul. Uønskede kemiske bivirkninger under afaskning og afsvovling kan undgås – at gennemføre processen på meget kortere tid. Selv under separationsprocessen via skumflotation kan den fine spredning af partikler forbedres betydeligt ved sonikering.

Kul-fortætning/kul-til-væske-proces

Flydende brændstoffer kan fremstilles industrielt af kul ved hjælp af “Kul fortætning”. Kulflydendegørelse kan opnås ad to veje – direkte (DCL) og indirekte likvefaktion (ICL).
Mens den indirekte likvefaktion generelt involverer forgasning af kul, omdanner den direkte likvefaktionsproces kul direkte til væske. Derfor bør opløsningsmidler (f.eks. tetralin) eller katalysatorer (f.eks. MoS₂) anvendes i kombination med forhøjede tryk og temperaturer til at bryde kullets organiske struktur. Da flydende kulbrinter generelt har et højere brint-kulstof-molforhold end kul, kræves en hydrogenerings- eller kulstofafvisningsproces i både ICL- og DCL-teknologier.

Direkte kulfortætning

Undersøgelser har vist, at den direkte kulfortætning af ultralydsforbehandlede kul kan forbedres markant. Tre forskellige typer bituminøst kul af lavere rang er blevet sonikeret i opløsningsmiddel. Ultralydsfremkaldelsen af hævelse og Sprede resulterede i bemærkelsesværdigt højere fortætningsudbytter.

Indirekte kulflydendegørelse

Kul kan omdannes til flydende brændstoffer ved indirekte kulfortætningsprocesser (ICL) gennem forgasning efterfulgt af katalytisk omdannelse af syngas til rene kulbrinter og iltede transportbrændstoffer såsom methanol, dimethylether, Fischer-Tropsch diesel- eller benzinlignende brændstoffer. Fischer-Tropsch-syntesen kræver brug af katalysatorer såsom jernbaserede katalysatorer. Via ultralyd partikelfragmentering, kan katalysatorernes effektivitet forbedres betydeligt.

Aktivering af ultralydskatalysator

Ved ultralydsbehandling kan partikler Spredt, deagglomereret og Fragmenteret – hvilket resulterer i en højere partikeloverflade. For katalysatorer betyder det højere aktiv overflade, hvilket øger partiklernes katalytiske reaktivitet.
Eksempel: Fe-katalysator i nanoskala
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). Omregningssatser for CO og H₂ til lavmolekylære alkaner var ca. 20 gange højere pr. gram Fe end for fint partikelpulver (5 μm diameter) kommercielt jernpulver ved 250 °C og mere end 100 gange mere aktivt ved 200 °C.

Eksempler på ultralydsfremstillede katalysatorer:
f.eks. MoS₂, nano-Fe

Genvinding af katalysatorer

Selvom katalysatorer ikke forbruges under kemiske reaktioner, kan deres aktivitet og effektivitet falde på grund af agglomerering og tilsmudsning. Derfor kan det observeres, at katalysatorer oprindeligt viser en høj katalytisk aktivitet og iltningsselektivitet. Under reaktionen kan der dog forekomme nedbrydning af katalysatorerne på grund af aggregering. Ved ultralydsbestråling kan katalysatorer regenereres som kavitationel Styrker sprede partiklerne og fjerne aflejringer fra overfladen.

Kulvask: Ultralydsafaskning og afsvovling

Ultralydskonditionering kan forbedre ydeevnen af kulflotationsmetoder, der bruges til afsvovling og afaskning. Den største fordel ved ultralydsmetoden er samtidig fjernelse af aske og svovl. [1] Ultralyd og dens akustiske streaming er kendt for deres effekt på partikler. Strøm ultralyd deagglomererer og spreder kulpartikler og polerer deres overflade. Desuden renser ultralyd kulmatrixen og fjerner svovl og aske.
Ved at konditionere papirmassestrømmen anvendes ultralyd med høj effekt for at forbedre afaskning og afsvovling af papirmassen. Sonikeringen påvirker papirmassens natur ved at reducere iltindholdet og grænsefladespændingen, samtidig med at pH-værdien og temperaturen øges. Derved forbedrer ultralydsbehandlingen af kul med højt svovlindhold afsvovlingen.

Ultralydassisteret fald i hydrofobicitet af pyrit

Ultralydsgenererede iltradikaler overoxiderer pyritoverfladen og får svovl, der findes i papirmassen, til at se ud til at være i form af sulfoxidenheder. Dette mindskede hydrofobiciteten af pyrit.

De intense forhold under sammenbruddet af det ultralydsgenererede Kavitation bobler i væsker er i stand til at skabe frie radikaler. Dette betyder, at dvs. sonikering af vand bryder molekylebindingerne, der producerer frie radikaler af •OH og •OH.

H₂O → •H + •OH
De genererede •OH- og •H-frie radikaler kan gennemgå sekundære reaktioner som følger:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Den producerede H2O2 er ustabil og udleder hurtigt begyndende ilt. Så iltindholdet i vandet stiger efter ultralydskonditionering. Den spirende ilt, der er meget aktiv, kan reagere med mineralpartikler, der findes i papirmassen og reducere iltindholdet i papirmassen.
Oxidation af pyrit (FeS₂) opstår på grund af reaktionen af O₂ med FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4 timer₂O = 2Fe(OH)₂ + 2 timer₂SÅ₃
FeS + 2O₂ + 2 timer₂O = Fe(OH)₂ + H₂SÅ₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Udvinding af kul

Til kulekstraktion anvendes opløsningsmidler, som under de valgte ekstraktionsbetingelser kan frigive brint til hydrogenering af kul. Tetralin er et gennemprøvet opløsningsmiddel, som oxideres til naphthalen under ekstraktion. Naphthalen kan adskilles og omdannes ved hydrogenering igen i tetralin. Processen udføres under tryk ved specifikke temperaturer afhængigt af typen af kul og opholdstider på ca. tre timer.

Ultralydsreaktivering af oxiderede kulpartikler

Skumflydning er en separationsproces, der bruges til at rense og gavne kul ved at drage fordel af forskelle i deres hydrofobicitet.
Oxiderede kul er vanskelige at flyde, da hydrofiliciteten af kuloverfladen øges. Det vedhæftede ilt på kuloverfladen danner polære phenol (-OH), carbonyl (-C = O) og carboxyl (-COOH) grupper, som forbedrer hydreringen af kuloverfladen og dermed øger dens hydrofilicitet, hvilket forhindrer flotationsreagenser i at blive adsorberet.
En ultralyd partikelbehandling Kan bruges til at fjerne oxidationslag fra kulpartikler, så overfladen af oxiderede kulpartikler genaktiveres.

Kul-vand-olie og kul-vand-brændsel

Ultralyd formaling og Sprede bruges til at generere fine opslæmninger af kulpartikler i vand eller olie. Ved ultralydbehandling genereres en partikeldispersion i fin størrelse og derved en stabil suspension. (For langvarig stabilitet kan det være nødvendigt at tilføje en stabilisator.) Tilstedeværelsen af vand i disse kul-vand- og kul-vand-oliebrændsler resulterer i en mere fuldstændig forbrænding og reducerer skadelige emissioner. Desuden bliver kul, der spredes i vand, det eksplosionssikre, hvilket letter håndteringen.

Reference/ Litteratur

1. Ambedkar, B. (2012): Ultralydskulvask til afaskning og afsvovling: Eksperimentel undersøgelse og mekanistisk modellering. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Effekter fra ændringer i papirmassens natur efter ultralydskonditionering på kulflydning med højt svovlindhold. Minevidenskab og -teknologi 19, 2009. 498-502.