Tratamientos por ultrasonidos del carbón para la producción de energía

El tratamiento ultrasónico de lodos de carbón contribuye a diversos procesos durante la producción de energía del carbón. Ultrasonido promueve la hidrogenación catalítica durante la licuefacción del carbón. Además, la sonicación puede mejorar la superficie y la extractabilidad de carbón. Reacciones secundarias químicas indeseables durante el remoción de cenizas y la desulfuración pueden evitarse – cumpliendo el proceso en mucho menos tiempo. Incluso durante el proceso de separación por flotación por espuma, la dispersión de partículas muy finas puede mejorarse significativamente por ultra-sonicación.

Licuefacción de Carbón / Proceso de Carbón-a-Líquidos

Combustibles líquidos pueden producirse industrialmente del carbón por el proceso de “Licuefacción de Carbón”. La licuefacción de carbón puede lograrse por dos rutas – la licuefacción directa (DCL - direct coal liquefaction) y indirecta (ICL - indirect coal liquefaction).
Mientras que la licuefacción indirecta implica generalmente la gasificación del carbón, el proceso de licuefacción directa convierte el carbón directamente en líquido. Por lo tanto, solventes (e.g. tetralin) o catalizadores (e.g. MoS₂) se utilizan en combinación con temperaturas y presiones elevadas para romper la estructura orgánica del carbón. Como hidrocarburos líquidos generalmente tienen un mayor relación molar de hidrógeno-carbono que el carbón, se requiere un proceso de hidrogenación o carbono-rechazo para las ambas tecnologías de ICL y DCL.

Licuefacción Directa del Carbón

Los estudios han demostrado que la licuefacción de carbón directa de carbones, que son pretratados ultrasónicamente, puede mejorarse notablemente. Tres tipos diferentes de inferior rango de hulla bituminosa han sido sonicados en solvente. El ultrasonido inducida la hinchazón y Dispersión resultando en un notable aumento de los rendimientos de licuefacción.

Licuefacción Indirecta del Carbón

Se puede convertir el carbón en combustibles líquidos por procesos de licuefacción indirecta de carbón (ICL) mediante la gasificación seguida por la conversión catalítica de gas de síntesis (syngas) en hidrocarburos limpios y combustibles oxigenados tales como metanol, dimetil éter, Fischer-Tropsch diesel o gasolinas. La síntesis de Fischer-Tropsch requiere el uso de catalizadores como catalizadores basados en hierro. Mediante la fragmentación de partículas ultrasónica se puede mejorar la eficiencia de los catalizadores significativamente.

Activación ultrasónica de catalizadores

Por el tratamiento ultrasónico, las partículas pueden ser dispersado, desagglomerado y fragmentado – lo que resulta en una mayor superficie de las partículas. Para los catalizadores, esto significa una mayor superficie activa, lo que aumenta la reactividad catalítica de las partículas.
Ejemplo: Catalizador nano-Fe
El hierro nanofase preparado sonoquimicamente es un catalizador activo para el Fischer-Tropsch hidrogenación de CO y la hidrogenólisis y deshidrogenación de alcanos, principalmente debido a su alta área superficial (>120mg^-1). Las tasas de conversión de CO y H₂ a alcanos con bajo peso molecular fueron aprox. 20 veces mayores por gramo de Fe que las tasas logradas con el polvo de hierro comercial (5 μm de diámetro de partícula) a 250°C y más de 100 veces más activo a 200°C.

Ejemplos para los catalizadores preparados mediante ultrasonidos:
p. ej. MoS₂, nano-Fe

Recuperación del Catalizador

Aunque catalizadores no se consumen durante las reacciones químicas, su actividad y su eficacia pueden disminuir debido a la aglomeración y la suciedad. Por lo tanto, puede observarse que catalizadores inicialmente muestran una alta actividad catalítica y selectividad oxigenada. Sin embargo, durante la reacción la degradación de los catalizadores puede ocurrir debido a la agregación. Por la irradiación ultrasónica, catalizadores pueden ser regenerados por la fuerza cavitacional fuerzas dispersión las partículas y de remover las deposiciones de la superficie.

Lavado de Carbón: Retirada de Cenizas y Desulfuración Ultrasónica

La beneficiación ultrasónica puede mejorar el rendimiento de los métodos de flotación del carbón, que se utilizan para la desulfurización y la retriada de cenizas. La mayor ventaja del método ultrasónico es la eliminación simultánea de ceniza y azufre.[1] El ultrasonido y su transmisión acústica son conocidos por sus efectos sobre las partículas. La energía de las ondas de ultrasonidos desaglomeran y dispersan las partículas de carbón y pule sus superficies. Además, ultrasonido limpia la matriz de carbón eliminando azufre y cenizas.
Condicionando el flujo de lodo carbono, ultrasonido de alta potencia se aplica para mejorar la eliminación de ceniza y la desulfuración de la pulpa de carbón. La sonicación influye la naturaleza de pulpa disminuyendo el contenido en oxígeno y la tensión interfacial, aumentado el valor pH y la temperatura. De este modo, el tratamiento ultrasónico de carbón con alto contenido de azufre mejora la desulfurización.

Disminución de la hidrofobicidad de la pirita asistida por ultrasonidos

Los radicales de oxígeno generados por ultrasonidos sobreoxidan la superficie de la pirita y hacen que el azufre existente en la pulpa aparezca en forma de unidades de sulfóxido. Esto disminuye la hidrofobicidad de la pirita.

Las intensas condiciones durante el colapso de los ultrasonidos generados cavitación Las burbujas en los líquidos son capaces de crear radicales libres. Esto significa que, por ejemplo, la sonicación del agua rompe los enlaces moleculares produciendo radicales libres de -OH y -OH.

H₂O → -H + -OH
Los radicales libres -OH y -H generados pueden sufrir reacciones secundarias, como se indica a continuación:
-H + O₂ → -HO₂
-OH + -OH → H₂O₂
-HO₂ + -HO₂ → H2O₂ + O₂
El H2O2 producido es inestable y descarga rápidamente el oxígeno naciente. Por ello, el contenido de oxígeno en el agua aumenta tras el acondicionamiento por ultrasonidos. El oxígeno naciente, al ser muy activo, puede reaccionar con las partículas minerales existentes en la pulpa y reducir el contenido de oxígeno de la pulpa.
La oxidación de la pirita (FeS₂) se produce debido a la reacción del O₂ con el FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

extracción de carbón

Para la extracción del carbón se utilizan disolventes que puedan liberar, en las condiciones de extracción elegidas, hidrógeno para la hidrogenación del carbón. La tetralina es un disolvente probado que se oxida a naftaleno durante la extracción. El naftaleno puede separarse y convertirse mediante hidrogenación de nuevo en tetralina. El proceso se lleva a cabo a presión, a temperaturas específicas según el tipo de carbón y con tiempos de residencia de unas tres horas.

Reactivación ultrasónica de partículas de carbón oxidadas

La flotación por espuma es un proceso de separación que se utiliza para purificar y beneficiar el carbón aprovechando las diferencias en su hidrofobicidad.
Los carbones oxidados son difíciles de flotar, ya que aumenta la hidrofilia de la superficie del carbón. El oxígeno unido a la superficie del carbón forma grupos polares fenólicos (-OH), carbonílicos (-C=O) y carboxílicos (-COOH), que mejoran la hidratación de la superficie del carbón y, por tanto, aumentan su hidrofilia, impidiendo la adsorción de los reactivos de flotación.
Un ultrasonido tratamiento de partículas puede utilizarse para eliminar las capas de oxidación de las partículas de carbón, de modo que se reactive la superficie de las partículas de carbón oxidadas.

Combustibles carbón-agua-aceite y carbón-agua

A los Pulverizar y Dispersión se utiliza para generar suspensiones de tamaño fino de partículas de carbón en agua o aceite. Mediante ultrasonidos, se genera una dispersión de partículas de tamaño fino y, por tanto, una suspensión estable. (La presencia de agua en estos combustibles carbón-agua y carbón-agua-aceite da lugar a una combustión más completa y reduce las emisiones nocivas. Además, el carbón disperso en agua se convierte en antideflagrante, lo que facilita su manipulación.

Referencia/Literatura

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): Efectos de los cambios en la naturaleza de la pulpa tras el acondicionamiento ultrasónico en la flotación de carbón con alto contenido en azufre. Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.