Ultraschallbehandlung von Kohle zur Energieerzeugung

Die Beschallung von Kohlesuspensionen unterstützt verschiedene Prozesse bei der Energieerzeugung aus Kohle. Ultraschall fördert die katalytische Hydrierung bei der Kohleverflüssigung. Darüber hinaus kann die Beschallung die Oberfläche und die Extrahierbarkeit von Kohle verbessern. Unerwünschte chemische Nebenreaktionen bei der Entaschung und Entschwefelung können vermieden werden – bei deutlich kürzerer Prozessdauer. Auch beim Trennverfahren der Schaumflotation lässt sich die feinteilige Dispergierung der Partikel durch Beschallung erheblich verbessern.

Kohleverflüssigung / Coal-to-Liquid-Verfahren

Flüssige Brennstoffe können industriell durch das Verfahren der „Kohleverflüssigung“ aus Kohle hergestellt werden. Die Kohleverflüssigung kann auf zwei Wegen erfolgen – durch direkte (DCL) und indirekte Verflüssigung (ICL).
Während die indirekte Verflüssigung im Allgemeinen die Vergasung der Kohle umfasst, wandelt das direkte Verflüssigungsverfahren Kohle unmittelbar in eine Flüssigkeit um. Hierzu werden Lösungsmittel (z.B. Tetralin) oder Katalysatoren (z.B. MoS₂) in Verbindung mit erhöhten Drücken und Temperaturen eingesetzt, um die organische Struktur der Kohle aufzubrechen. Da flüssige Kohlenwasserstoffe im Allgemeinen ein höheres molares Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis als Kohle aufweisen, ist sowohl bei der ICL- als auch bei der DCL-Technologie eine Hydrierung oder ein Verfahren zur Kohlenstoffabtrennung erforderlich.

Direkte Kohleverflüssigung

Studien haben gezeigt, dass sich die direkte Kohleverflüssigung durch eine Ultraschallvorbehandlung der Kohle deutlich verbessern lässt. Drei verschiedene Arten bituminöser Kohle mit geringerem Inkohlungsgrad wurden in einem Lösungsmittel beschallt. Die durch Ultraschall hervorgerufene Quellung und Dispergierung führten zu deutlich höheren Verflüssigungsausbeuten.

Indirekte Kohleverflüssigung

Kohle kann durch Verfahren der indirekten Kohleverflüssigung (ICL) in flüssige Brennstoffe umgewandelt werden. Dabei erfolgt zunächst eine Vergasung, gefolgt von der katalytischen Umwandlung des Synthesegases in saubere Kohlenwasserstoffe und sauerstoffhaltige Verkehrskraftstoffe wie Methanol, Dimethylether sowie diesel- oder benzinähnliche Fischer-Tropsch-Kraftstoffe. Die Fischer-Tropsch-Synthese erfordert den Einsatz von Katalysatoren, beispielsweise auf Eisenbasis. Durch die ultraschallinduzierte Partikelfragmentierung kann die Effizienz der Katalysatoren erheblich verbessert werden.

Katalysatoraktivierung durch Ultraschall

Durch Ultraschallbehandlung können Partikel dispergiert, deagglomeriert und fragmentiert werden – wodurch sich die Partikeloberfläche vergrößert. Bei Katalysatoren bedeutet dies eine größere aktive Oberfläche, wodurch die katalytische Reaktivität der Partikel steigt.
Beispiel: Nanoskaliger Fe-Katalysator
Sonochemisch hergestelltes nanophasiges Eisen ist ein aktiver Katalysator für die Fischer-Tropsch-Hydrierung von CO sowie für die Hydrogenolyse und Dehydrierung von Alkanen, hauptsächlich aufgrund seiner großen Oberfläche (>120mg^-1). Die Raten der Umwandlung von CO und H₂ in niedermolekulare Alkane waren bei 250°C pro Gramm Fe etwa 20-mal höher als bei handelsüblichem feinteiligem Eisenpulver mit einem Partikeldurchmesser von 5 μm; bei 200°C war die Aktivität mehr als 100-mal so hoch.

Beispiele für mit Ultraschall hergestellte Katalysatoren:
z.B. MoS₂, Nano-Fe

Katalysatorregeneration

Obwohl Katalysatoren bei chemischen Reaktionen nicht verbraucht werden, können ihre Aktivität und Effizienz durch Agglomeration und Ablagerungen abnehmen. So lässt sich beobachten, dass Katalysatoren anfangs eine hohe katalytische Aktivität und Selektivität für sauerstoffhaltige Verbindungen aufweisen. Während der Reaktion kann es jedoch durch Aggregation zu einer Verschlechterung der Katalysatoreigenschaften kommen. Durch Beschallung können Katalysatoren regeneriert werden, da die kavitationsbedingten Kräfte die Partikel dispergieren und Ablagerungen von der Oberfläche entfernen.

Kohlewäsche: Entaschung und Entschwefelung mit Ultraschall

Die Ultraschallkonditionierung kann die Leistungsfähigkeit von Kohleflotationsverfahren verbessern, die zur Entschwefelung und Entaschung eingesetzt werden. Der größte Vorteil des Ultraschallverfahrens ist die gleichzeitige Entfernung von Asche und Schwefel.[1] Ultraschall und die dadurch erzeugte akustische Strömung sind für ihre Wirkungen auf Partikel bekannt. Leistungsultraschall deagglomeriert und dispergiert Kohlepartikel und poliert deren Oberfläche. Darüber hinaus reinigt Ultraschall die Kohlematrix, indem er Schwefel und Asche entfernt.
Zur Konditionierung des Trübestroms wird Hochleistungsultraschall eingesetzt, um die Entaschung und Entschwefelung der Trübe zu verbessern. Die Beschallung beeinflusst die Eigenschaften der Trübe, indem sie den Sauerstoffgehalt und die Grenzflächenspannung senkt und zugleich den pH-Wert und die Temperatur erhöht. Dadurch verbessert die Ultraschallbehandlung schwefelreicher Kohle die Entschwefelung.

Ultraschallunterstützte Verringerung der Hydrophobie von Pyrit

Durch Ultraschall erzeugte Sauerstoffradikale überoxidieren die Pyritoberfläche und lassen den in der Trübe vorhandenen Schwefel in Form von Sulfoxideinheiten erscheinen. Dadurch verringerte sich die Hydrophobie des Pyrits.

Die extremen Bedingungen beim Kollaps der durch Ultraschall erzeugten Kavitationsblasen in Flüssigkeiten können freie Radikale erzeugen. Das bedeutet, dass beispielsweise bei der Beschallung von Wasser molekulare Bindungen aufgebrochen werden, wobei freie Radikale in Form von •OH und •OH entstehen.

H₂O → •H + •OH
Die erzeugten freien Radikale •OH und •H können folgende Sekundärreaktionen eingehen:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Das erzeugte H2O2 ist instabil und setzt rasch naszierenden Sauerstoff frei. Daher steigt der Sauerstoffgehalt im Wasser nach der Ultraschallkonditionierung. Der hochreaktive naszierende Sauerstoff kann mit den in der Trübe vorhandenen Mineralpartikeln reagieren und den Sauerstoffgehalt der Trübe verringern.
Die Oxidation von Pyrit (FeS₂) erfolgt durch die Reaktion von O₂ mit FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Kohleextraktion

Für die Kohleextraktion werden Lösungsmittel eingesetzt, die unter den gewählten Extraktionsbedingungen Wasserstoff zur Hydrierung der Kohle freisetzen können. Tetralin ist ein bewährtes Lösungsmittel, das während der Extraktion zu Naphthalin oxidiert wird. Naphthalin kann abgetrennt und durch Hydrierung wieder in Tetralin umgewandelt werden. Das Verfahren wird unter Druck bei spezifischen, von der Kohleart abhängigen Temperaturen und mit Verweilzeiten von etwa drei Stunden durchgeführt.

Reaktivierung oxidierter Kohlepartikel durch Ultraschall

Die Schaumflotation ist ein Trennverfahren zur Reinigung und Aufbereitung von Kohle, das Unterschiede in der Hydrophobie der Partikel nutzt.
Oxidierte Kohle lässt sich nur schwer flotieren, da die Hydrophilie der Kohleoberfläche zunimmt. Der an der Kohleoberfläche gebundene Sauerstoff bildet polare Phenol- (-OH), Carbonyl- (-C=O) und Carboxylgruppen (-COOH), die die Hydratation der Kohleoberfläche verstärken und damit deren Hydrophilie erhöhen, wodurch die Adsorption von Flotationsreagenzien verhindert wird.
Eine ultraschallgestützte Partikelbehandlung kann eingesetzt werden, um Oxidationsschichten von Kohlepartikeln zu entfernen und dadurch die Oberfläche oxidierter Kohlepartikel zu reaktivieren.

Kohle-Wasser-Öl- und Kohle-Wasser-Brennstoffe

Ultraschallgestütztes Mahlen und Dispergieren werden eingesetzt, um feinteilige Suspensionen von Kohlepartikeln in Wasser oder Öl herzustellen. Durch Ultraschallbehandlung wird eine feinteilige Partikeldispersion und damit eine stabile Suspension erzeugt. (Für eine langfristige Stabilität kann die Zugabe eines Stabilisators erforderlich sein.) Das in diesen Kohle-Wasser- und Kohle-Wasser-Öl-Brennstoffen enthaltene Wasser führt zu einer vollständigeren Verbrennung und verringert schädliche Emissionen. Darüber hinaus wird in Wasser dispergierte Kohle explosionssicher, was die Handhabung erleichtert.

Quellen / Literatur

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Effects from changes in pulp nature after ultrasonic conditioning on high-sulfur coal floatation. Mining Science and Technology 19, 2009. 498–502.