Ultralydsbehandling af kul til energiproduktion

Sonikering af kulsuspensioner bidrager til forskellige processer under energiproduktion fra kul. Ultralyd fremmer den katalytiske hydrogenering under likvefaktion af kul. Desuden kan sonikering forbedre kuls overfladeareal og ekstraherbarhed. Uønskede kemiske sidereaktioner under askefjernelse og afsvovling kan undgås – og processen gennemføres på meget kortere tid. Selv under separationsprocessen ved skumflotation kan dispersionen af fine partikler forbedres betydeligt ved sonikering.

Kullikvefaktion/ omdannelse af kul til væske

Flydende brændstoffer kan fremstilles industrielt af kul ved processen “kullikvefaktion”. Kullikvefaktion kan opnås ad to veje – direkte (DCL) og indirekte likvefaktion (ICL).
Mens indirekte likvefaktion generelt indebærer forgasning af kul, omdanner den direkte likvefaktionsproces kul direkte til væske. Derfor anvendes opløsningsmidler (e.g. tetralin) eller katalysatorer (e.g. MoS₂) i kombination med forhøjede tryk og temperaturer til at nedbryde kullets organiske struktur. Da flydende kulbrinter generelt har et højere molforhold mellem hydrogen og kulstof end kul, kræves der en hydrogeneringsproces eller en proces til fjernelse af kulstof i både ICL- og DCL-teknologier.

Direkte kullikvefaktion

Undersøgelser har vist, at direkte likvefaktion af ultralydsforbehandlede kul kan forbedres markant. Tre forskellige typer bituminøst kul med lavere kulrang er blevet sonikeret i et opløsningsmiddel. Den ultralydsinducerede kvældning og dispergering resulterede i bemærkelsesværdigt højere likvefaktionsudbytter.

Indirekte kullikvefaktion

Kul kan omdannes til flydende brændstoffer ved indirekte kullikvefaktion (ICL) gennem forgasning efterfulgt af katalytisk omdannelse af syntesegas til rene kulbrinter og oxygenholdige transportbrændstoffer såsom methanol, dimethylether og Fischer-Tropsch-brændstoffer, der ligner diesel eller benzin. Fischer-Tropsch-syntesen kræver brug af katalysatorer såsom jernbaserede katalysatorer. Ved ultralydsbaseret partikelfragmentering kan katalysatorernes effektivitet forbedres betydeligt.

Aktivering af katalysatorer med ultralyd

Ved ultralydsbehandling kan partikler dispergeres, deagglomereres og fragmenteres – hvilket resulterer i et større partikeloverfladeareal. For katalysatorer betyder dette et større aktivt overfladeareal, hvilket øger partiklernes katalytiske reaktivitet.
Eksempel: Fe-katalysator i nanoskala
Sonokemisk fremstillet nanofasejern er en aktiv katalysator til Fischer–Tropsch-hydrogenering af CO og til hydrogenolyse og dehydrogenering af alkaner, hovedsageligt på grund af dets store overfladeareal (>120mg^-1). Omdannelseshastighederne for CO og H₂ til alkaner med lav molekylvægt var cirka 20 gange højere pr. gram Fe end for kommercielt jernpulver med fine partikler (5 μm i diameter) ved 250°C, og aktiviteten var mere end 100 gange højere ved 200°C.

Eksempler på katalysatorer fremstillet med ultralyd:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Regenerering 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 i begyndelsen udviser høj katalytisk aktivitet og selektivitet over for oxygenholdige forbindelser. Under reaktionen kan katalysatorerne imidlertid nedbrydes på grund af aggregering. Ved ultralydsbestråling kan katalysatorer regenereres, da kavitationens kræfter dispergerer partiklerne og fjerner aflejringer fra overfladen.

Kulvask: Askefjernelse og afsvovling med ultralyd

Konditionering med ultralyd kan forbedre ydeevnen af kulflotationsmetoder, der anvendes til afsvovling og askefjernelse. Den største fordel ved ultralydsmetoden er den samtidige fjernelse af aske og svovl.[1] Ultralyd og den tilhørende akustiske strømning er velkendte for deres virkninger på partikler. Effektultralyd deagglomererer og dispergerer kulpartikler og polerer deres overflade. Desuden renser ultralyd kulmatricen ved at fjerne svovl og aske.
Ved konditionering af pulpstrømmen anvendes ultralyd med høj effekt til at forbedre askefjernelsen og afsvovlingen af pulpen. Sonikeringen påvirker pulpens egenskaber ved at sænke oxygenindholdet og grænsefladespændingen, samtidig med at pH-værdien og temperaturen øges. Dermed forbedrer ultralydsbehandling af kul med højt svovlindhold afsvovlingen.

Ultralydsassisteret reduktion af pyrits hydrofobicitet

Ultralydsgenererede oxygenradikaler overoxiderer pyritoverfladen og får svovl i pulpen til at fremstå i form af sulfoxidenheder. Dette reducerede pyrittens hydrofobicitet.

De intense forhold under kollapset af de ultralydsgenererede kavitationsbobler i væsker kan danne frie radikaler. Det betyder, at sonikering af vand eksempelvis bryder molekylbindingerne og danner frie radikaler i form af •OH og •OH.

H₂O → •H + •OH
De dannede frie radikaler •OH og •H kan indgå i sekundære reaktioner som følger:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Det dannede H2O2 er ustabilt og frigiver hurtigt nascent oxygen. Derfor øges oxygenindholdet i vandet efter konditionering med ultralyd. Det nascente oxygen, som er meget aktivt, kan reagere med mineralpartikler i pulpen og reducere pulpens oxygenindhold.
Oxidationen af pyrit (FeS₂) sker som følge af reaktionen mellem O₂ og FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Kulekstraktion

Til kulekstraktion anvendes opløsningsmidler, som under de valgte ekstraktionsbetingelser kan frigive hydrogen til hydrogenering af kul. Tetralin er et gennemprøvet opløsningsmiddel, som oxideres til naphthalen under ekstraktionen. Naphthalen kan separeres fra og ved hydrogenering omdannes til tetralin igen. Processen udføres under tryk ved bestemte temperaturer afhængigt af kultypen og med opholdstider på omkring tre timer.

Reaktivering af oxiderede kulpartikler med ultralyd

Skumflotation er en separationsproces, som anvendes til at rense og opkoncentrere kul ved at udnytte forskelle i hydrofobicitet.
Oxiderede kul er vanskelige at flotere, da kuloverfladens hydrofilicitet øges. Det oxygen, der er bundet til kuloverfladen, danner polære phenolgrupper (-OH), carbonylgrupper (-C=O) og carboxylgrupper (-COOH), som fremmer hydratiseringen af kuloverfladen og dermed øger dens hydrofilicitet, hvilket forhindrer adsorption af flotationsreagenser.
En ultralydsbaseret partikelbehandling kan anvendes til at fjerne oxidationslag fra kulpartikler, så overfladen af oxiderede kulpartikler reaktiveres.

Kul-vand-olie- og kul-vand-brændstoffer

Ultralydsbaseret formaling og dispergering anvendes til at fremstille finkornede suspensioner af kulpartikler i vand eller olie. Ved sonikering dannes en dispersion af fine partikler og dermed en stabil suspension. (For at opnå langvarig stabilitet kan det være nødvendigt at tilsætte en stabilisator.) Tilstedeværelsen af vand i disse kul-vand- og kul-vand-olie-brændstoffer resulterer i en mere fuldstændig forbrænding og reducerer skadelige emissioner. Desuden bliver kul dispergeret i vand eksplosionssikkert, hvilket letter håndteringen.

Referencer/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.