Ultraschall-gestütze Kohle-Verflüssigung

Hochintensiver Ultraschall unterstützt verschiedene Prozesse bei der Energiegewinnung aus Kohle. Zum einen fördert Ultraschall die katalytische Hydrierung während die Verflüssigung von Kohle. Darüber hinaus kann mittels Beschallung die Oberfläche der Kohlepartikel sowie die Extrahierbarkeit von Kohle verbessert werden. Unerwünschte chemische Nebenreaktionen während der Entaschung und Entschwefelung können vermieden werden – so dass Prozessziele in deutlich kürzerer Zeit erreicht werden. Sogar während des Trennungsverfahrens der Schaumflotation kann durch Ultraschall die Dispersion der Partikel deutlich verbessert werden.

Kohle-Verflüssigung / Coal-to-Liquid-Verfahren

Flüssige Kraft- und Brennstoffe können durch den Prozess der „Kohleverflüssigung“ industriell gewonnen werden. Die Kohleverflüssigung kann über zwei Wege erreicht werden – die direkte (DCL: direct coal liquefaction) und indirekte Kohle-Verflüssigung (ICL: indirect coal liquefaction).
Während bei der indirekten Verflüssigung in der Regel die Vergasung von Kohle notwendig ist, wird bei dem direkten Verflüssigung-Prozess die Kohle direkt in Flüssigkeit umgewandelt. Daher werden Lösemittel (z.B. Tetrahydronaphthalin) oder Katalysatoren (z.B. MoS₂) werden in Kombination mit erhöhten Drücken und Temperaturen angewendet, um die organische Struktur der Kohle aufzubrechen. Da flüssige Kohlenwasserstoffe in der Regel ein höheres molares Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis als Kohle haben, ist sowohl für eine direkte wie auch indirekte Kohle-Verflüssigung ein Hydrierungs- oder Kohlenstoff-Rejection-Prozess erforderlich.

Direkte Kohleverflüssigung

Studien haben gezeigt, dass die direkte Kohleverflüssigung deutlich besser abläuft, wenn die Kohle mit Ultraschall vorbehandelt wurde. Drei verschiedene Sorten geringwertiger bituminöser Steinkohle wurden dafür in Lösungsmittel beschallt. Der Ultraschall verbessert das Aufquellen und Dispergieren , was zu deutliche höheren Verflüssigungserträgen führte.

Indirekte Kohleverflüssigung

Kohle kann mittels indirekten Kohle-Verflüssigung-Prozesses (ICL) durch Vergasung und anschließender katalytischer Umwandlung des Synthesegases in saubere Kohlenwasserstoffe und oxygenierte Treibstoffe wie z.B. Methanol, Dimethylether, Fischer-Tropsch-Diesel oder benzinartige Kraftstoff umgewandelt werden. Die Fischer-Tropsch-Synthese erfordert die Verwendung von Katalysatoren wie bspw. Eisen-basierte Katalysatoren. Durch die ultraschall-gestützte Partikel-Fragmentierung kann die Effizienz der Katalysatoren kann erheblich verbessert werden.

Katalysator-Aktivierung mit Ultraschall

Durch Ultraschall können Partikel dispergiert, desagglomeriert und fragmentiert werden – was in einer größeren Partikel-Oberfläche resultiert. Für Katalysatoren bedeutet dies eine höhere aktive Oberfläche, wodurch die katalytische Reaktionsfähigkeit der Partikel deutlich verbessert wird.
Beispiel: Nano-saliger Fe-Katalysator
Sonochemisch hergestelltes nano-skaliges Eisen ist ein aktiver Katalysator für die Fischer-Tropsch-Hydrierung von CO und für die Hydrogenolyse und Dehydrierung von Alkanen, vor allem aufgrund seiner großen Oberfläche (>120 mg^-1). Die Umwandlung von CO und H₂ in leichte Alkane ist bei 250°C pro Gramm Fe ca. 20-mal höher als für kommerzielles Eisenpulver (5 μm Durchmesser) und bei 200°C sogar über 100-mal höher.

Beispiele für sonochemisch hergestellte Katalysatoren:
z.B. MoS₂, nano-Fe

Katalysatoren-Aufbereitung/ Recycling

Auch wenn Katalysatoren bei chemischen Reaktionen nicht verbraucht werden, kann sich die Aktivität und Effizienz eines Katalysators durch Ablagerungen und Verschmutzung verringern. Deshalb kann häufig beobachten, dass Katalysatoren zunächst eine hohe katalytische Aktivität und Sauerstoff-Selektivität aufweisen. Während des Reaktionsablaufes kann es jedoch eine Verschlechterung des Katalysators durch Aggregation der Partikel auftreten. Durch Beschallung können Katalysatoren regeneriert werden, da die ultraschall-generierte Kavitations- Ultraschalleffekte dispergieren und Ablagerungen von der Oberfläche entfernen.

Kohle-Wäsche: Ultraschall-gestützte Entaschung und Entschwefelung

Durch die ultraschall-gestützte Aufbereitung kann das Verfahren der Kohle-Flotation deutlich verbessert werden, welches für die Entschwefelung und Entaschung der Kohle eingesetzt wird. Der größte Vorteil der Ultraschall-Methode besteht in der gleichzeitigen Entfernung von Asche und Schwefel.[1] Ultraschall und die dadurch erzeugten Scherkräfte haben bekanntermaßen starke Effekte auf Partikel: Hochleistungs-Ultraschall desagglomeriert und dispergiert Kohlepartikel und poliert deren Oberfläche. Des Weiteren reinigt Ultraschall die Matrix der Kohlepartikel, indem er Schwefel und Asche entfernt.
Bei der Aufbereitung des Kohleschlamms (coal conditioning) wird Hochleistungs-Ultraschall eingesetzt, um die Entaschung und Entschwefelung der Kohle-Slurry zu verbessern. Der Eintrag von intensiven Ultraschallwellen bewirkt eine Absenkung des Sauerstoffgehaltes sowie der Grenzflächenspannung und erhöht gleichzeitig den pH-Wert und die Temperatur der Kohleschlämme. Dadurch wird durch den Ultraschalleintrag die Entschwefelung von stark schwefelhaltiger Kohle verbessert.

Ultraschall-gestützte Absenkung der Hydrophobie von Pyrit

Ultraschall-erzeugte Sauerstoff-Radikale oxidieren auf der Pyrit-Oberfläche und verbinden sich mit den vorhandenen Schwefelmolekülen zu Sulfoxid. Dies verringert die Hydrophobie des Pyrits.

Die intensiven Bedingungen während der Implosion ultraschall-generierter Kavitation sblasen in Flüssigkeiten erzeugen freie Radikale. Das bedeutet, dass bei einer intensiven Beschallung von Wasser die Molekülbindungen aufgebrochen werden und dabei die freien Radikalen •OH und •OH entstehen.

H₂O → •H •OH
Die freien Radikale •OH und •H können in sekundäre Reaktionen eingehen:
•H O₂ → •HO₂
•OH •OH → H₂O₂
•HO₂ •HO₂ → H2O₂ O₂
Das erzeugte H2O2 ist instabil und entlädt den entstehenden Sauerstoff schnell, so dass durch die ultraschall-gestützte Kohleaufbereitung der Sauerstoffgehalt im Wasser steigt. Da der entstehende Sauerstoff sehr aktiv ist, kann er mit den mineralischen Partikeln, die in den Kohleschlämmen vorhanden sind, reagieren und so dass der Sauerstoffgehalt in der Slurry dadurch letztendlich reduziert wird.
Die Oxidation von Pyrit (FeS₂) läuft über folgende Reaktionen 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

Kohle-Extraktion

Für die Kohle-Extraktion werden Lösemittel eingesetzt, welche unter bestimmten Extraktionsbedingungen Wasserstoff für eine Hydrierung der Kohle freigeben können. Tetrahydronaphthalin ist ein bewährtes Lösemittel, das während der Extraktion zu Naphthalin oxidiert wird. Das Naphthalin kann anschließend abgetrennt werden, um dann durch Hydrierung wieder in Tetrahydronaphthalin umgewandelt zu werden. Der Prozess läuft unter erhöhtem Drücken und spezifischen Temperaturen ab, welche von der Kohle abhängig sind, wobei die Prozessdauer ca. drei Stunden beträgt.

Ultraschall-Reaktivierung von oxidierten Kohle-Partikel

Die Schaumflotation ist ein Separationsverfahren, welches zur Reinigung und Aufbereitung von Kohle genutzt wird, indem die unterschiedliche Hydrophobie der Partikel ausgenutzt wird.
Oxidierte Kohlepartikel schweben nur sehr schlecht, wenn die Hydrophobie der Oberfläche der Kohlepertikel zunimmt. Der angelagerte Sauerstoff auf der Kohle-Oberfläche bildet polare Phenol- (-OH), Carbonyl- (-C=O), und Carboxyl- (-COOH) Gruppen, welche die Hydrierung der Kohleoberfläche verbessert und durch die erhöhte Hydrophilie verhindern, dass die Flotations-Reagenzien adsorbiert werden.
Eine ultraschall-gestützte Partikel-Behandlung kann helfen, die Oxydationsschichten von den Kohlepartikeln zu entfernen, so dass die Oberfläche der oxidierten Kohlepartikel wieder aktiviert wird.

Kohle-Wasser-Öl- und Kohle-Wasser-Treibstoff-Gemische

Das ultraschall-gestützte Feinmahlen und Dispergieren werden eingesetzt, um Slurries mit fein-skaligen Kohle-Partikeln in Wasser oder Öl herzustellen. Durch die Beschallung wird eine feine Partikeldispersion und damit eine stabile Suspension erzielt. (Für eine Langzeitstabilität kann die Zugabe eines Stabilisators erforderlich sein.) Das vorhandene Wasser in den Kohle-Wasser- und Kohle-Wasser-Öl-Kraftstoffen bewirkt eine vollständigere Verbrennung und reduziert die Schadstoffemissionen. Darüber hinaus wird die in Wasser dispergierte Kohle explosionssicher, wodurch sich die Handhabung vereinfacht.

Referenz / 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.