Tratamientos ultrasónicos del carbón para la producción de energía

La sonicación de suspensiones de carbón contribuye a diversos procesos de producción de energía a partir del carbón. Los ultrasonidos favorecen la hidrogenación catalítica durante la licuefacción del carbón. Además, la sonicación puede aumentar la superficie y la extractabilidad del carbón. Las reacciones químicas secundarias no deseadas durante la eliminación de cenizas y la desulfuración pueden evitarse, lo que permite completar el proceso en mucho menos tiempo. Incluso durante el proceso de separación por flotación por espuma, la sonicación puede mejorar significativamente la dispersión de partículas finas.

Licuefacción del carbón / Proceso de conversión de carbón en líquidos

Los combustibles líquidos pueden producirse industrialmente a partir del carbón mediante el proceso de «licuefacción del carbón». La licuefacción del carbón puede realizarse por dos vías: la licuefacción directa (DCL) y la indirecta (ICL).
Mientras que la licuefacción indirecta suele implicar la gasificación del carbón, el proceso de licuefacción directa convierte el carbón directamente en líquido. Para ello, se utilizan disolventes (e.g. tetralina) o catalizadores (e.g. MoS₂) en combinación con presiones y temperaturas elevadas para descomponer la estructura orgánica del carbón. Como los hidrocarburos líquidos suelen tener una relación molar hidrógeno-carbono mayor que la del carbón, tanto la tecnología ICL como la DCL requieren un proceso de hidrogenación o de eliminación de carbono.

Licuefacción directa del carbón

Los estudios han demostrado que la licuefacción directa de carbones pretratados con ultrasonidos puede mejorarse notablemente. Se han sometido a sonicación en un disolvente tres tipos distintos de carbón bituminoso de rango inferior. El hinchamiento inducido por los ultrasonidos y la dispersión dieron lugar a rendimientos de licuefacción considerablemente mayores.

Licuefacción indirecta del carbón

El carbón puede convertirse en combustibles líquidos mediante procesos de licuefacción indirecta del carbón (ICL), a través de la gasificación seguida de la conversión catalítica del gas de síntesis en hidrocarburos limpios y combustibles oxigenados para el transporte, como metanol, éter dimetílico y combustibles Fischer-Tropsch similares al diésel o a la gasolina. La síntesis Fischer-Tropsch requiere el uso de catalizadores, como los basados en hierro. Mediante la fragmentación ultrasónica de partículas, la eficiencia de los catalizadores puede mejorarse significativamente.

Activación ultrasónica de catalizadores

Mediante el tratamiento ultrasónico, las partículas pueden ser dispersadas, desaglomeradas y fragmentadas – lo que aumenta la superficie de las partículas. En el caso de los catalizadores, esto supone una mayor superficie activa, que incrementa la reactividad catalítica de las partículas.
Ejemplo: catalizador de Fe a escala nanométrica
El hierro nanofásico preparado sonoquímicamente es un catalizador activo para la hidrogenación Fischer–Tropsch de CO y para la hidrogenólisis y deshidrogenación de alcanos, principalmente debido a su elevada superficie específica (>120 mg^-1). Las velocidades de conversión de CO y H₂ en alcanos de bajo peso molecular fueron aproximadamente 20 veces mayores por gramo de Fe que las obtenidas con polvo de hierro comercial de partículas finas (5 μm de diámetro) a 250 °C, y la actividad fue más de 100 veces mayor a 200 °C.

Ejemplos de catalizadores preparados mediante ultrasonidos:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Recuperación de catalizadores

Aunque los catalizadores no se consumen durante las reacciones químicas, su actividad y eficiencia pueden disminuir debido a la aglomeración y al ensuciamiento. Por ello, puede observarse que los catalizadores muestran inicialmente una elevada actividad catalítica y selectividad hacia los compuestos oxigenados. Sin embargo, durante la reacción puede producirse una degradación de los catalizadores debido a la agregación. Mediante la irradiación ultrasónica, los catalizadores pueden regenerarse, puesto que, por efecto de la cavitación las fuerzas dispersan las partículas y eliminan los depósitos de la superficie.

Lavado del carbón: eliminación ultrasónica de cenizas y desulfuración

El acondicionamiento ultrasónico puede mejorar el rendimiento de los métodos de flotación del carbón utilizados para la desulfuración y la eliminación de cenizas. La principal ventaja del método ultrasónico es la eliminación simultánea de cenizas y azufre.[1] Los ultrasonidos y las corrientes acústicas que generan son bien conocidos por sus efectos sobre las partículas. Los ultrasonidos de potencia desaglomeran y dispersan las partículas de carbón y pulen su superficie. Además, los ultrasonidos limpian la matriz del carbón al eliminar el azufre y las cenizas.
Para acondicionar la corriente de pulpa, se aplican ultrasonidos de alta potencia que mejoran la eliminación de cenizas y la desulfuración de la pulpa. La sonicación influye en las características de la pulpa al disminuir el contenido de oxígeno y la tensión interfacial, al tiempo que aumenta el valor de pH y la temperatura. De este modo, el tratamiento ultrasónico del carbón con alto contenido de azufre mejora la desulfuración.

Reducción de la hidrofobicidad de la pirita asistida por ultrasonidos

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

Las condiciones intensas durante el colapso de las burbujas de cavitación generadas mediante ultrasonidos en los líquidos pueden crear radicales libres. Esto significa que, por ejemplo, la sonicación del agua rompe los enlaces moleculares y produce radicales libres de •OH y •OH.

H₂O → •H + •OH
Los radicales libres •OH y •H generados pueden experimentar reacciones secundarias, como se indica a continuación:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
El H2O2 producido es inestable y libera rápidamente oxígeno naciente. Por tanto, el contenido de oxígeno del agua aumenta tras el acondicionamiento ultrasónico. El oxígeno naciente, al ser muy activo, puede reaccionar con las partículas minerales presentes en la pulpa y reducir el contenido de oxígeno de esta.
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 del carbón

Para la extracción del carbón se utilizan disolventes que, en las condiciones de extracción elegidas, pueden liberar hidrógeno para la hidrogenación del carbón. La tetralina es un disolvente de eficacia probada que se oxida a naftaleno durante la extracción. El naftaleno puede separarse y convertirse de nuevo en tetralina mediante hidrogenación. El proceso se lleva a cabo a presión, a temperaturas específicas que dependen del 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 utilizado para purificar y beneficiar el carbón aprovechando las diferencias de hidrofobicidad.
Los carbones oxidados son difíciles de separar por flotación, ya que aumenta la hidrofilicidad de la superficie del carbón. El oxígeno unido a la superficie del carbón forma grupos polares de fenol (-OH), carbonilo (-C=O) y carboxilo (-COOH), que favorecen la hidratación de la superficie del carbón y, por tanto, aumentan su hidrofilicidad, impidiendo la adsorción de los reactivos de flotación.
Un tratamiento ultrasónico 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 de carbón-agua-aceite y carbón-agua

Mediante ultrasonidos, la molienda y la dispersión se utilizan para generar suspensiones de partículas finas de carbón en agua o aceite. Mediante la ultrasonicación se genera una dispersión de partículas finas y, con ello, una suspensión estable. (Para lograr estabilidad a largo plazo, puede ser necesario añadir un estabilizante.) La presencia de agua en estos combustibles de 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 vuelve a prueba de explosiones, lo que facilita su manipulación.

Referencias / Bibliografía

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.