Κατεργασίες άνθρακα με υπερήχους για την παραγωγή ενέργειας

Η κατεργασία πολφών άνθρακα με υπερήχους συμβάλλει σε διάφορες διεργασίες κατά την παραγωγή ενέργειας από άνθρακα. Οι υπέρηχοι προάγουν την καταλυτική υδρογόνωση κατά την υγροποίηση του άνθρακα. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να βελτιώσει την επιφάνεια και την εκχυλισιμότητα του άνθρακα. Οι ανεπιθύμητες χημικές παράπλευρες αντιδράσεις κατά την απομάκρυνση τέφρας και την αποθείωση μπορούν να αποφευχθούν – με ολοκλήρωση της διεργασίας σε πολύ λιγότερο χρόνο. Ακόμη και κατά τη διεργασία διαχωρισμού μέσω αφρώδους επίπλευσης, η λεπτόκοκκη διασπορά των σωματιδίων μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά με κατεργασία με υπερήχους.

Υγροποίηση άνθρακα/ Διεργασία μετατροπής άνθρακα σε υγρά καύσιμα

Υγρά καύσιμα μπορούν να παραχθούν βιομηχανικά από άνθρακα με τη διεργασία της «υγροποίησης άνθρακα». Η υγροποίηση του άνθρακα μπορεί να επιτευχθεί μέσω δύο οδών – της άμεσης (DCL) και της έμμεσης υγροποίησης (ICL).
Ενώ η έμμεση υγροποίηση περιλαμβάνει γενικά την αεριοποίηση του άνθρακα, η διεργασία άμεσης υγροποίησης μετατρέπει τον άνθρακα απευθείας σε υγρό. Για τον σκοπό αυτό, διαλύτες (e.g. τετραλίνη) ή καταλύτες (e.g. MoS₂) χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με αυξημένες πιέσεις και θερμοκρασίες για τη διάσπαση της οργανικής δομής του άνθρακα. Καθώς οι υγροί υδρογονάνθρακες έχουν γενικά υψηλότερη μοριακή αναλογία υδρογόνου προς άνθρακα από ό,τι ο άνθρακας, απαιτείται διεργασία υδρογόνωσης ή απομάκρυνσης άνθρακα τόσο στις τεχνολογίες ICL όσο και στις τεχνολογίες DCL.

Άμεση υγροποίηση άνθρακα

Μελέτες έχουν δείξει ότι η άμεση υγροποίηση άνθρακα που έχει υποστεί προκατεργασία με υπερήχους μπορεί να βελτιωθεί αισθητά. Τρεις διαφορετικοί τύποι λιθάνθρακα χαμηλότερου βαθμού ενανθράκωσης υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους μέσα σε διαλύτη. Η διόγκωση και η διασπορά που προκλήθηκαν από τους υπερήχους οδήγησαν σε αξιοσημείωτα υψηλότερες αποδόσεις υγροποίησης.

Έμμεση υγροποίηση άνθρακα

Ο άνθρακας μπορεί να μετατραπεί σε υγρά καύσιμα με διεργασίες έμμεσης υγροποίησης άνθρακα (ICL), μέσω αεριοποίησης που ακολουθείται από καταλυτική μετατροπή του αερίου σύνθεσης σε καθαρούς υδρογονάνθρακες και οξυγονούχα καύσιμα μεταφορών, όπως μεθανόλη, διμεθυλαιθέρας και καύσιμα Fischer-Tropsch παρόμοια με ντίζελ ή βενζίνη. Η σύνθεση Fischer-Tropsch απαιτεί τη χρήση καταλυτών, όπως καταλυτών με βάση τον σίδηρο. Μέσω του με υπερήχους κατακερματισμού σωματιδίων, η αποτελεσματικότητα των καταλυτών μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά.

Ενεργοποίηση καταλυτών με υπερήχους

Με κατεργασία με υπερήχους, τα σωματίδια μπορούν να διασπαρούν, αποσυσσωματωθούν και κατακερματιστούν – με αποτέλεσμα μεγαλύτερη επιφάνεια των σωματιδίων. Για τους καταλύτες, αυτό σημαίνει μεγαλύτερη ενεργή επιφάνεια, η οποία αυξάνει την καταλυτική δραστικότητα των σωματιδίων.
Παράδειγμα: Καταλύτης Fe νανοκλίμακας
Ο σίδηρος νανοφάσης που παρασκευάζεται ηχοχημικά είναι ενεργός καταλύτης για την υδρογόνωση του CO κατά Fischer–Tropsch και για την υδρογονόλυση και την αφυδρογόνωση αλκανίων, κυρίως λόγω της μεγάλης επιφάνειάς του (>120mg^-1). Οι ρυθμοί μετατροπής του CO και του H₂ σε αλκάνια χαμηλού μοριακού βάρους ήταν περίπου 20 φορές υψηλότεροι ανά γραμμάριο Fe από ό,τι για εμπορική σκόνη σιδήρου με λεπτά σωματίδια (διαμέτρου 5 μm) στους 250°C, ενώ η δραστικότητα ήταν περισσότερο από 100 φορές υψηλότερη στους 200°C.

Παραδείγματα καταλυτών που παρασκευάζονται με υπερήχους:
e.g. MoS₂, νανο-Fe

Ανάκτηση καταλυτών

Παρόλο που οι καταλύτες δεν καταναλώνονται κατά τις χημικές αντιδράσεις, η δραστικότητα και η αποτελεσματικότητά τους μπορούν να μειωθούν λόγω συσσωμάτωσης και επικαθίσεων. Επομένως, μπορεί να παρατηρηθεί ότι οι καταλύτες παρουσιάζουν αρχικά υψηλή καταλυτική δραστικότητα και εκλεκτικότητα προς οξυγονούχες ενώσεις. Ωστόσο, κατά την αντίδραση μπορεί να επέλθει υποβάθμιση των καταλυτών λόγω συσσωμάτωσης. Με ακτινοβόληση υπερήχων οι καταλύτες μπορούν να αναγεννηθούν, καθώς οι σπηλαιωτικές δυνάμεις διασπείρουν τα σωματίδια και απομακρύνουν τις επικαθίσεις από την επιφάνεια.

Πλύση άνθρακα: Απομάκρυνση τέφρας και αποθείωση με υπερήχους

Η προετοιμασία με υπερήχους μπορεί να ενισχύσει την απόδοση των μεθόδων επίπλευσης άνθρακα, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την αποθείωση και την απομάκρυνση τέφρας. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της μεθόδου υπερήχων είναι η ταυτόχρονη απομάκρυνση τέφρας και θείου.[1] Οι υπέρηχοι και η ακουστική ροή που προκαλούν είναι γνωστοί για τις επιδράσεις τους στα σωματίδια. Οι υπέρηχοι ισχύος αποσυσσωματώνουν και διασπείρουν τα σωματίδια άνθρακα και στιλβώνουν την επιφάνειά τους. Επιπλέον, οι υπέρηχοι καθαρίζουν τη μήτρα του άνθρακα, απομακρύνοντας θείο και τέφρα.
Κατά την προετοιμασία του ρεύματος πολφού, εφαρμόζονται υπέρηχοι υψηλής ισχύος για τη βελτίωση της απομάκρυνσης τέφρας και της αποθείωσης του πολφού. Η κατεργασία με υπερήχους επηρεάζει τις ιδιότητες του πολφού μειώνοντας την περιεκτικότητα σε οξυγόνο και τη διεπιφανειακή τάση, ενώ αυξάνει την τιμή του pH και τη θερμοκρασία. Με αυτόν τον τρόπο, η κατεργασία άνθρακα υψηλής περιεκτικότητας σε θείο με υπερήχους βελτιώνει την αποθείωση.

Μείωση της υδροφοβικότητας του πυρίτη με τη βοήθεια υπερήχων

Οι ρίζες οξυγόνου που παράγονται με υπερήχους υπεροξειδώνουν την επιφάνεια του πυρίτη και κάνουν το θείο που υπάρχει στον πολφό να εμφανίζεται με τη μορφή σουλφοξειδικών μονάδων. Αυτό μείωσε την υδροφοβικότητα του πυρίτη.

Οι έντονες συνθήκες κατά την κατάρρευση των παραγόμενων με υπερήχους φυσαλίδων σπηλαίωσης στα υγρά μπορούν να δημιουργήσουν ελεύθερες ρίζες. Αυτό σημαίνει ότι, δηλαδή, η κατεργασία του νερού με υπερήχους διασπά τους μοριακούς δεσμούς, παράγοντας ελεύθερες ρίζες •OH και •OH.

H₂O → •H + •OH
Οι ελεύθερες ρίζες •OH και •H που παράγονται μπορούν να υποστούν δευτερογενείς αντιδράσεις, ως εξής:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Το H2O2 που παράγεται είναι ασταθές και απελευθερώνει γρήγορα εν τω γεννάσθαι οξυγόνο. Έτσι, η περιεκτικότητα του νερού σε οξυγόνο αυξάνεται μετά την προετοιμασία με υπερήχους. Το εν τω γεννάσθαι οξυγόνο, όντας ιδιαίτερα δραστικό, μπορεί να αντιδράσει με ορυκτά σωματίδια που υπάρχουν στον πολφό και να μειώσει την περιεκτικότητα του πολφού σε οξυγόνο.
Η οξείδωση του πυρίτη (FeS₂) συμβαίνει λόγω της αντίδρασης του O₂ με το FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Εκχύλιση άνθρακα

Για την εκχύλιση άνθρακα χρησιμοποιούνται διαλύτες οι οποίοι μπορούν, υπό τις επιλεγμένες συνθήκες εκχύλισης, να απελευθερώσουν υδρογόνο για την υδρογόνωση του άνθρακα. Η τετραλίνη είναι ένας δοκιμασμένος διαλύτης, ο οποίος οξειδώνεται σε ναφθαλίνιο κατά την εκχύλιση. Το ναφθαλίνιο μπορεί να διαχωριστεί και να μετατραπεί ξανά σε τετραλίνη μέσω υδρογόνωσης. Η διεργασία πραγματοποιείται υπό πίεση, σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες ανάλογα με τον τύπο του άνθρακα και με χρόνους παραμονής περίπου τριών ωρών.

Επανενεργοποίηση οξειδωμένων σωματιδίων άνθρακα με υπερήχους

Η αφρώδης επίπλευση είναι μια διεργασία διαχωρισμού που χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό και τον εμπλουτισμό του άνθρακα, αξιοποιώντας διαφορές στην υδροφοβικότητα των συστατικών του.
Οι οξειδωμένοι άνθρακες επιπλέουν δύσκολα, καθώς η υδροφιλικότητα της επιφάνειας του άνθρακα αυξάνεται. Το οξυγόνο που είναι συνδεδεμένο στην επιφάνεια του άνθρακα σχηματίζει πολικές φαινολικές (-OH), καρβονυλικές (-C=O) και καρβοξυλικές (-COOH) ομάδες, οι οποίες ενισχύουν την ενυδάτωση της επιφάνειας του άνθρακα και, κατά συνέπεια, αυξάνουν την υδροφιλικότητά της, εμποδίζοντας την προσρόφηση των αντιδραστηρίων επίπλευσης.
Μια κατεργασία σωματιδίων με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση των στρωμάτων οξείδωσης από τα σωματίδια άνθρακα, ώστε η επιφάνεια των οξειδωμένων σωματιδίων άνθρακα να επανενεργοποιηθεί.

Καύσιμα άνθρακα-νερού-ελαίου και άνθρακα-νερού

Η με υπερήχους άλεση και διασπορά χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία πολφών λεπτόκοκκων σωματιδίων άνθρακα σε νερό ή έλαιο. Με την κατεργασία με υπερήχους δημιουργείται διασπορά λεπτόκοκκων σωματιδίων και, κατά συνέπεια, ένα σταθερό εναιώρημα. (Για μακροχρόνια σταθερότητα, ενδέχεται να απαιτείται η προσθήκη σταθεροποιητή.) Η παρουσία νερού σε αυτά τα καύσιμα άνθρακα-νερού και άνθρακα-νερού-ελαίου έχει ως αποτέλεσμα πληρέστερη καύση και μειώνει τις επιβλαβείς εκπομπές. Επιπλέον, ο άνθρακας που είναι διεσπαρμένος σε νερό καθίσταται αντιεκρηκτικός, γεγονός που διευκολύνει τον χειρισμό του.

Αναφορές / Βιβλιογραφία

1. Ambedkar, Β. (2012): Υπερηχητική έκπλυση άνθρακα για αποτέφρωση και αποθείωση: Πειραματική έρευνα και μηχανιστική μοντελοποίηση. Άλτης, 2012.
2. Kang, W.; Xun, Η.; Κονγκ, Χ.; Li, Μ. (2009): Επιδράσεις από αλλαγές στη φύση του πολτού μετά από υπερήχων προετοιμασία σε πλωτήρα άνθρακα υψηλής περιεκτικότητας σε θείο. Μεταλλευτική Επιστήμη και Τεχνολογία 19, 2009. 498-502.