Ultraheliga kivisöe töötlemine energiatootmiseks

Kivisöesuspensioonide ultraheli töötlus (sonikeerimine) aitab kaasa mitmesugustele protsessidele kivisöest energia tootmisel. Ultraheli soodustab katalüütilist hüdrogeenimist kivisöe veeldamisel. Lisaks saab sonikeerimisega suurendada kivisöe eripinda ja ekstraheeritavust. Soovimatuid keemilisi kõrvalreaktsioone tuhaärastuse ja väävlitustamise ajal on võimalik vältida – protsess saab toimuda palju lühema ajaga. Isegi vahtflotatsiooni teel toimuva eraldamise ajal saab osakeste peendispersiooni sonikeerimisega märkimisväärselt parandada.

Kivisöe veeldamine / kivisöest vedelkütuse tootmise protsess

Vedelkütuseid saab kivisöest tööstuslikult toota kivisöe veeldamise protsessiga (“Coal Liquefaction”). Kivisöe veeldamist saab teostada kahel viisil – otsese (DCL) ja kaudse veeldamisega (ICL).
Kui kaudne veeldamine hõlmab üldjuhul kivisöe gaasistamist, siis otsese veeldamise protsessis muudetakse kivisüsi otse vedelikuks. Seetõttu kasutatakse lahusteid (e.g. tetraliin) või katalüsaatoreid (e.g. MoS₂) koos kõrgendatud rõhu ja temperatuuriga kivisöe orgaanilise struktuuri lõhkumiseks. Kuna vedelatel süsivesinikel on üldjuhul kõrgem vesiniku ja süsiniku moolsuhe kui kivisöel, on nii ICL- kui ka DCL-tehnoloogiates vajalik hüdrogeenimine või süsiniku eemaldamise protsess.

Otsene kivisöe veeldamine

Uuringud on näidanud, et ultraheliga eeltöödeldud kivisöe otsest veeldamist saab märgatavalt parandada. Kolme erinevat madalama järgu bituumenkivisöe tüüpi on lahustis sonikeeritud. Ultraheli esile kutsutud paisumine ja dispergeerimine tõid kaasa märkimisväärselt suuremad veeldamissaagised.

Kaudne kivisöe veeldamine

Kivisütt saab muuta vedelkütusteks kaudse veeldamise (ICL) protsessidega: gaasistamise järel muudetakse sünteesgaas katalüütiliselt puhasteks süsivesinikeks ja hapnikku sisaldavateks transpordikütusteks, nagu metanool, dimetüüleeter ning Fischer-Tropschi diislilaadsed või bensiinilaadsed kütused. Fischer-Tropschi süntees nõuab katalüsaatorite, näiteks rauapõhiste katalüsaatorite kasutamist. Ultraheliga toimuva osakeste killustamise abil saab katalüsaatorite tõhusust oluliselt parandada.

Katalüsaatori ultraheliline aktiveerimine

Ultraheli töötlusega saab osakesi dispergeerida, deaglomereerida ja fragmenteerida – mille tulemusel suureneb osakeste pindala. Katalüsaatorite puhul tähendab see suuremat aktiivpinda, mis suurendab osakeste katalüütilist reaktsioonivõimet.
Näide: nanomõõtmeline Fe katalüsaator
Sonokeemiliselt valmistatud nanofaasiline raud on aktiivne katalüsaator CO Fischer–Tropschi hüdrogeenimiseks ning alkaanide hüdrogenolüüsiks ja dehüdrogeenimiseks, peamiselt tänu oma suurele eripinnale (>120mg^-1). CO ja H₂ muundamise kiirused väikese molekulmassiga alkaanideks olid ühe grammi Fe kohta umbes 20 korda suuremad kui peeneosakeselise (5 μm läbimõõduga) kommertsliku raudpulbri puhul 250°C juures ning rohkem kui 100 korda aktiivsem 200°C juures.

Ultraheliga valmistatud katalüsaatorite näited:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Katalüsaatori regenereerimine

Kuigi katalüsaatoreid keemilistes reaktsioonides ei tarbita, võivad nende aktiivsus ja tõhusus aglomeratsiooni ja määrdumise tõttu väheneda. Seetõttu on täheldatud, et katalüsaatorid näitavad algselt kõrget katalüütilist aktiivsust ja hapnikuühendite selektiivsust. Reaktsiooni käigus võib aga agregatsiooni tõttu toimuda katalüsaatorite lagunemine. Ultraheliga kiiritamisel saab katalüsaatoreid regenereerida, kuna kavitatsioonilised jõud dispergeerivad osakesi ja eemaldavad pinnalt ladestised.

Kivisöe pesu: ultraheliline tuhaärastus ja väävlitustamine

Ultraheli konditsioneerimine võib parandada kivisöe flotatsioonimeetodite tulemuslikkust, mida kasutatakse väävlitustamiseks ja tuhaärastuseks. Ultraheli meetodi suurim eelis on tuha ja väävli samaaegne eemaldamine.[1] Ultraheli ja selle akustiline voolamine on hästi tuntud oma mõju poolest osakestele. Võimsusultraheli deaglomereerib ja dispergeerib kivisöeosakesi ning poleerib nende pinda. Lisaks puhastab ultraheli kivisöe maatriksi, eemaldades väävli ja tuha.
Pulbivoo konditsioneerimisel rakendatakse suure võimsusega ultraheli pulbi tuhaärastuse ja väävlitustamise parandamiseks. Sonikeerimine mõjutab pulbi omadusi, vähendades hapnikusisaldust ja faasidevahelist pindpinevust, samal ajal kui pH väärtus ja temperatuur tõusevad. Seega parandab kõrge väävlisisaldusega kivisöe ultraheli töötlus väävlitustamist.

Püriidi hüdrofoobsuse ultraheliga abistatud vähendamine

Ultraheliga tekitatud hapnikuradikaalid oksüdeerivad püriidi pinna üle ning põhjustavad pulbis oleva väävli ilmumise sulfoksiidrühmade kujul. See vähendas püriidi hüdrofoobsust.

Ultraheliga tekitatud kavitatsioonimullide kollapsi ajal vedelikes valitsevad intensiivsed tingimused suudavad tekitada vabu radikaale. See tähendab, et i.e. vee sonikeerimine katkestab molekulisidemeid, tekitades vabu radikaale •OH ja •OH.

H₂O → •H + •OH
Tekkinud •OH ja •H vabad radikaalid võivad läbida sekundaarseid reaktsioone, nagu järgnevalt:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Tekkinud H2O2 on ebastabiilne ja vabastab kiiresti aatomhapnikku. Seega vee hapnikusisaldus suureneb pärast ultraheli konditsioneerimist. Aatomhapnik, olles väga aktiivne, võib reageerida pulbis olevate mineraalosakestega ja vähendada pulbi hapnikusisaldust.
Püriidi (FeS₂) oksüdeerumine toimub O₂ reageerimisel ühendiga FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Kivisöe ekstraheerimine

Kivisöe ekstraheerimiseks kasutatakse lahusteid, mis võivad valitud ekstraheerimistingimustes vabastada vesinikku kivisöe hüdrogeenimiseks. Tetraliin on end tõestanud lahusti, mis ekstraheerimise käigus oksüdeerub naftaleeniks. Naftaleeni saab eraldada ja hüdrogeenimise teel uuesti tetraliiniks muuta. Protsess viiakse läbi rõhu all kindlatel temperatuuridel sõltuvalt kivisöe tüübist ning viibeaegadega umbes kolm tundi.

Oksüdeerunud kivisöeosakeste ultraheliline reaktiveerimine

Vahtflotatsioon on eraldusprotsess, mida kasutatakse kivisöe puhastamiseks ja rikastamiseks, kasutades ära nende hüdrofoobsuse erinevusi.
Oksüdeerunud kivisütt on raske flotatsiooniga eraldada, kuna kivisöe pinna hüdrofiilsus suureneb. Kivisöe pinnale seondunud hapnik moodustab polaarseid fenool- (-OH), karbonüül- (-C=O) ja karboksüülrühmi (-COOH), mis tugevdavad kivisöe pinna hüdratatsiooni ja suurendavad seega selle hüdrofiilsust, takistades flotatsioonireagentide adsorbeerumist.
Ultraheliline osakeste töötlus sobib kasutamiseks kivisöeosakeste oksüdatsioonikihtide eemaldamiseks, nii et oksüdeerunud kivisöeosakeste pind reaktiveeritakse.

Kivisüsi-vesi-õli ja kivisüsi-vesi kütused

Ultraheliline jahvatamine ja dispergeerimine kasutatakse kivisöeosakeste peente suspensioonide valmistamiseks vees või õlis. Ultraheli töötlusega tekitatakse peenosakeste dispersioon ja seeläbi stabiilne suspensioon. (Pikaajalise stabiilsuse tagamiseks võib osutuda vajalikuks stabilisaatori lisamine.) Vee olemasolu nendes kivisüsi-vesi- ja kivisüsi-vesi-õli kütustes põhjustab täielikumat põlemist ja vähendab kahjulikke heitmeid. Lisaks muutub vees dispergeeritud kivisüsi plahvatuskindlaks, mis hõlbustab käsitsemist.

Viited ja kirjandus

1. Ambedkar, B. (2012): Ultraheli söepesu tuhastamiseks ja väävlistamiseks: eksperimentaalne uurimine ja mehhanistlik modelleerimine. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Tselluloosi olemuse muutuste mõju pärast ultraheli konditsioneerimist kõrge väävlisisaldusega söe ujukil. Kaevandamise teadus ja tehnoloogia 19, 2009. 498-502.