تیمارهای فراصوتی زغال‌سنگ برای تولید انرژی

فراصوت‌دهی دوغاب‌های زغال‌سنگ به فرایندهای مختلف در تولید انرژی از زغال‌سنگ کمک می‌کند. فراصوت، هیدروژناسیون کاتالیستی را هنگام مایع‌سازی زغال‌سنگ تقویت می‌کند. افزون بر این، فراصوت‌دهی می‌تواند مساحت سطح و قابلیت استخراج زغال‌سنگ را بهبود دهد. می‌توان از واکنش‌های جانبی شیمیایی نامطلوب هنگام خاکسترزدایی و گوگردزدایی جلوگیری کرد و فرایند را در زمانی بسیار کوتاه‌تر به انجام رساند. حتی در فرایند جداسازی با فلوتاسیون کف نیز می‌توان پراکنش ذرات ریز را با فراصوت‌دهی به‌طور چشمگیری بهبود داد.

مایع‌سازی زغال‌سنگ/ فرایند تبدیل زغال‌سنگ به مایع

با فرایند «مایع‌سازی زغال‌سنگ» می‌توان سوخت‌های مایع را در مقیاس صنعتی از زغال‌سنگ تولید کرد. مایع‌سازی زغال‌سنگ از دو مسیر امکان‌پذیر است – مایع‌سازی مستقیم (DCL) و غیرمستقیم (ICL).
درحالی‌که مایع‌سازی غیرمستقیم عموماً شامل گازی‌سازی زغال‌سنگ است، فرایند مایع‌سازی مستقیم، زغال‌سنگ را مستقیماً به مایع تبدیل می‌کند. ازاین‌رو، حلال‌ها (e.g. تترالین) یا کاتالیست‌ها (e.g. MoS₂) همراه با فشار و دمای بالا برای شکستن ساختار آلی زغال‌سنگ به کار می‌روند. ازآنجاکه هیدروکربن‌های مایع عموماً نسبت مولی هیدروژن به کربن بالاتری از زغال‌سنگ دارند، در هر دو فناوری ICL و DCL به فرایند هیدروژناسیون یا حذف کربن نیاز است.

مایع‌سازی مستقیم زغال‌سنگ

مطالعات نشان داده‌اند که مایع‌سازی مستقیم زغال‌سنگ‌هایی که با فراصوت پیش‌تیمار شده‌اند، می‌تواند به‌طور چشمگیری بهبود یابد. سه نوع مختلف زغال‌سنگ بیتومینه با رتبه پایین‌تر در حلال تحت فراصوت‌دهی قرار گرفته‌اند. تورم ناشی از فراصوت و پراکنش به بازده‌های به‌مراتب بالاتر مایع‌سازی منجر شدند.

مایع‌سازی غیرمستقیم زغال‌سنگ

زغال‌سنگ را می‌توان با فرایندهای مایع‌سازی غیرمستقیم زغال‌سنگ (ICL)، از طریق گازی‌سازی و سپس تبدیل کاتالیستی گاز سنتز به هیدروکربن‌های پاک و سوخت‌های اکسیژن‌دار حمل‌ونقل مانند متانول، دی‌متیل اتر و سوخت‌های شبیه گازوئیل یا بنزینِ Fischer-Tropsch، به سوخت‌های مایع تبدیل کرد. سنتز Fischer-Tropsch مستلزم استفاده از کاتالیست‌هایی مانند کاتالیست‌های پایه‌آهن است. از طریق فرایند فراصوتیِ خردایش ذرات، می‌توان کارایی کاتالیست‌ها را به‌طور چشمگیری بهبود داد.

فعال‌سازی فراصوتی کاتالیست

با تیمار فراصوتی، ذرات می‌توانند پراکنده شوند, کلوخه‌زدایی شوند و خرد شوند – که به افزایش مساحت سطح ذرات منجر می‌شود. برای کاتالیست‌ها، این امر به معنای افزایش سطح فعال است که واکنش‌پذیری کاتالیستی ذرات را افزایش می‌دهد.
مثال: کاتالیست Fe در مقیاس نانو
آهن نانوفاز تهیه‌شده به روش سونوشیمیایی، عمدتاً به‌دلیل مساحت سطح بالای خود (>120mg^-1)، کاتالیستی فعال برای هیدروژناسیون Fischer–Tropschِ CO و نیز برای هیدروژن‌کافت و هیدروژن‌زدایی آلکان‌هاست. نرخ‌های تبدیل CO و H₂ به آلکان‌های با جرم مولکولی پایین، به‌ازای هر گرم Fe، در دمای 250°C تقریباً 20 برابر بیشتر از پودر آهن تجاری با ذرات ریز (به قطر 5 μm) بود و در دمای 200°C فعالیت بیش از 100 برابر بالاتر بود.

نمونه‌هایی از کاتالیست‌های تهیه‌شده با فراصوت:
e.g. MoS₂، nano-Fe

بازیابی کاتالیست

اگرچه کاتالیست‌ها در واکنش‌های شیمیایی مصرف نمی‌شوند، فعالیت و کارایی آن‌ها ممکن است به‌دلیل کلوخه‌شدن و رسوب‌گرفتگی کاهش یابد. ازاین‌رو، می‌توان مشاهده کرد که کاتالیست‌ها در ابتدا فعالیت کاتالیستی و گزینش‌پذیری بالایی نسبت به ترکیبات اکسیژن‌دار دارند. بااین‌حال، در طول واکنش ممکن است کاتالیست‌ها به‌دلیل تجمع ذرات دچار افت عملکرد شوند. با تابش فراصوت می‌توان کاتالیست‌ها را بازفعال کرد، زیرا پدیدهٔ کاویتاسیون نیروهایی ایجاد می‌کند که موجب پراکنش ذرات و زدودن رسوبات از سطح می‌شوند.

شست‌وشوی زغال‌سنگ: خاکسترزدایی و گوگردزدایی فراصوتی

آماده‌سازی فراصوتی می‌تواند عملکرد روش‌های فلوتاسیون زغال‌سنگ را که برای گوگردزدایی و خاکسترزدایی به کار می‌روند، بهبود دهد. بزرگ‌ترین مزیت روش فراصوتی، حذف هم‌زمان خاکستر و گوگرد است.[1] فراصوت و جریان آکوستیکی ناشی از آن به‌دلیل اثراتشان بر ذرات شناخته‌شده‌اند. فراصوت پرتوان، ذرات زغال‌سنگ را کلوخه‌زدایی و پراکنده می‌کند و سطح آن‌ها را صیقل می‌دهد. افزون بر این، فراصوت با حذف گوگرد و خاکستر، ماتریس زغال‌سنگ را پاک‌سازی می‌کند.
فراصوت پرتوان با آماده‌سازی جریان پالپ، برای بهبود خاکسترزدایی و گوگردزدایی پالپ به کار می‌رود. فراصوت‌دهی با کاهش محتوای اکسیژن و کشش بین‌سطحی و درعین‌حال افزایش مقدار pH و دما، بر ویژگی‌های پالپ تأثیر می‌گذارد. بدین‌ترتیب، تیمار فراصوتی زغال‌سنگ پرگوگرد، گوگردزدایی را بهبود می‌دهد.

کاهش آب‌گریزی پیریت با کمک فراصوت

رادیکال‌های اکسیژن تولیدشده با فراصوت، سطح پیریت را بیش‌ازحد اکسید می‌کنند و باعث می‌شوند گوگرد موجود در پالپ به‌صورت واحدهای سولفوکسید ظاهر شود. این امر آب‌گریزی پیریت را کاهش داد.

شرایط شدید هنگام فروپاشی حباب‌های حاصل از کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت در مایعات، می‌تواند رادیکال‌های آزاد تولید کند. به این معنا که، برای مثال، فراصوت‌دهی آب پیوندهای مولکولی را می‌شکند و رادیکال‌های آزاد •OH و •OH تولید می‌کند.

H₂O → •H + •OH
رادیکال‌های آزاد •OH و •H تولیدشده می‌توانند در واکنش‌های ثانویه زیر شرکت کنند:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
H2O2 تولیدشده ناپایدار است و به‌سرعت اکسیژن نوزاد آزاد می‌کند. بنابراین، محتوای اکسیژن آب پس از آماده‌سازی فراصوتی افزایش می‌یابد. اکسیژن نوزاد به‌دلیل فعالیت بسیار زیاد خود می‌تواند با ذرات معدنی موجود در پالپ واکنش دهد و محتوای اکسیژن پالپ را کاهش دهد.
اکسیداسیون پیریت (FeS₂) در اثر واکنش O₂ با ترکیب زیر رخ می‌دهد: FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

استخراج زغال‌سنگ

برای استخراج زغال‌سنگ از حلال‌هایی استفاده می‌شود که می‌توانند در شرایط انتخاب‌شده برای استخراج، هیدروژن لازم برای هیدروژناسیون زغال‌سنگ را آزاد کنند. تترالین حلالی اثبات‌شده است که هنگام استخراج به نفتالین اکسید می‌شود. نفتالین را می‌توان جدا کرد و با هیدروژناسیون دوباره به تترالین تبدیل کرد. این فرایند تحت فشار، در دماهای مشخص متناسب با نوع زغال‌سنگ و با زمان‌های ماند حدود سه ساعت انجام می‌شود.

بازفعال‌سازی فراصوتی ذرات اکسیدشده زغال‌سنگ

فلوتاسیون کف، فرایند جداسازی‌ای است که با بهره‌گیری از تفاوت‌های آب‌گریزی، برای خالص‌سازی و پرعیارسازی زغال‌سنگ به کار می‌رود.
شناورسازی زغال‌سنگ‌های اکسیدشده دشوار است، زیرا آب‌دوستی سطح زغال‌سنگ افزایش می‌یابد. اکسیژن متصل به سطح زغال‌سنگ، گروه‌های قطبی فنول (-OH)، کربونیل (-C=O) و کربوکسیل (-COOH) تشکیل می‌دهد که آب‌پوشی سطح زغال‌سنگ را تقویت می‌کنند و در نتیجه آب‌دوستی آن را افزایش می‌دهند و مانع جذب سطحی معرف‌های فلوتاسیون می‌شوند.
فرایند فراصوتیِ تیمار ذرات را می‌توان برای زدودن لایه‌های اکسیداسیون از ذرات زغال‌سنگ به کار برد تا سطح ذرات اکسیدشده زغال‌سنگ دوباره فعال شود.

سوخت‌های زغال‌سنگ–آب–روغن و زغال‌سنگ–آب

فرایندهای فراصوتیِ آسیاب‌کاری و پراکنش برای تولید دوغاب‌هایی از ذرات ریز زغال‌سنگ در آب یا روغن به کار می‌روند. با فراصوت‌دهی، پراکنشی از ذرات ریز و در نتیجه سوسپانسیونی پایدار ایجاد می‌شود. (برای پایداری بلندمدت، ممکن است افزودن پایدارکننده لازم باشد.) وجود آب در این سوخت‌های زغال‌سنگ–آب و زغال‌سنگ–آب–روغن موجب احتراق کامل‌تر می‌شود و انتشار آلاینده‌های مضر را کاهش می‌دهد. افزون بر این، زغال‌سنگ پراکنده‌شده در آب ضدانفجار می‌شود که جابه‌جایی و کار با آن را آسان‌تر می‌کند.

منابع / مراجع

1. Ambedkar، B. (2012): شستشوی زغال سنگ التراسونیک برای خاکستر زدایی و گوگردزدایی: بررسی تجربی و مدل سازی مکانیکی. اسپرینگر ، 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): تأثیر تغییرات ماهیت پالپ پس از آماده‌سازی فراصوتی بر فلوتاسیون زغال‌سنگ با گوگرد بالا. Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.