Ultraäänihiilikäsittelyt energiantuotantoon

Kivihiilen lietteen sonikaatio edistää erilaisia prosesseja hiilen energiantuotannon aikana. Ultraääni edistää katalyyttistä hydrausta hiilen nesteytyksen aikana. Lisäksi sonikaatio voi parantaa hiilen pinta-alaa ja uutettavuutta. Ei-toivotut kemialliset sivureaktiot tuhkanpoiston ja rikinpoiston aikana voidaan välttää – prosessin suorittaminen paljon lyhyemmässä ajassa. Jopa erotusprosessin aikana vaahdotuksen kautta hiukkasten hienojakoista dispersiota voidaan merkittävästi parantaa sonikaatiolla.

Hiilen nesteytys / hiilen nesteeksi -prosessi

Nestemäisiä polttoaineita voidaan valmistaa teollisesti kivihiilestä “hiilen nesteytys”. Hiilen nesteytys voidaan saavuttaa kahdella tavalla – suora (DCL) ja epäsuora nesteytys (ICL).
Vaikka epäsuora nesteytys käsittää yleensä hiilen kaasuttamisen, suora nesteytysprosessi muuntaa hiilen suoraan nesteeksi. Siksi liuottimet (esim. tetraliini) tai katalyytit (esim.₂) käytetään yhdessä korkeiden paineiden ja lämpötilojen kanssa hiilen orgaanisen rakenteen hajottamiseksi. Koska nestemäisillä hiilivedyillä on yleensä korkeampi vedyn ja hiilen moolisuhde kuin hiilellä, hydraus- tai hiilen hylkäysprosessi vaaditaan sekä ICL- että DCL-tekniikoissa.

Suora hiilen nesteytys

Tutkimukset ovat osoittaneet, että ultraäänellä esikäsiteltyjen hiilien suoraa hiilen nesteytystä voidaan parantaa huomattavasti. Kolme erilaista alemman tason bitumihiiltä on sonikoitu liuottimessa. Ultraääni aiheutti turvotusta ja Purkamalla johti huomattavasti suurempiin nesteytyssaantoihin.

Epäsuora hiilen nesteytys

Hiili voidaan muuntaa nestemäisiksi polttoaineiksi epäsuorilla hiilen nesteytysprosesseilla (ICL) kaasutuksella, jota seuraa synteesikaasun katalyyttinen muuntaminen puhtaiksi hiilivedyiksi ja hapetetuiksi kuljetuspolttoaineiksi, kuten metanoliksi, dimetyylieetteriksi, Fischer-Tropsch-diesel- tai bensiinimäisiksi polttoaineiksi. Fischer-Tropsch-synteesi edellyttää katalyyttien, kuten rautapohjaisten katalyyttien, käyttöä. Ultraäänen kautta hiukkasten pirstoutuminen, katalyyttien tehokkuutta voidaan parantaa merkittävästi.

Ultraäänikatalyytin aktivointi

Ultraäänikäsittelyllä hiukkaset voivat olla Hajallaan, deagglomeroitu ja Hajanainen – jolloin hiukkaspinta on korkeampi. Katalyyttien osalta tämä tarkoittaa korkeampaa aktiivista pintaa, mikä lisää hiukkasten katalyyttistä reaktiivisuutta.
Esimerkki: Nanomittakaavan Fe-katalyytti
Sonochemically prepared nanophase iron is an active catalyst for the Fischer—Tropsch hydrogenation of CO and for the hydrogenolysis and dehydrogenation of alkanes, mainly due to its high surface area (>120mg^-1). CO: n ja H: n muuntokurssit₂ pienimolekyylipainoisiin alkaaneihin oli noin 20 kertaa enemmän grammaa Fe:tä kohti kuin pienhiukkasilla (halkaisija 5 μm) kaupallisella rautajauheella 250 °C:ssa ja yli 100 kertaa aktiivisempia 200 °C:ssa.

Esimerkkejä ultraäänellä valmistetuista katalyyteistä:
esim.₂, nano-Fe

Katalyyttien talteenotto

Vaikka katalyyttejä ei kuluteta kemiallisten reaktioiden aikana, niiden aktiivisuus ja tehokkuus voivat heikentyä kasautumisen ja likaantumisen vuoksi. Siksi voidaan havaita, että katalyytit osoittavat aluksi suurta katalyyttistä aktiivisuutta ja hapetusselektiivisyyttä. Reaktion aikana katalyyttien hajoaminen voi kuitenkin tapahtua aggregaation vuoksi. Ultraäänisäteilytyksellä katalyytit voidaan regeneroida kavitaatio Voimat hajottaa hiukkaset ja poista kerrostumat pinnalta.

Hiilipesu: ultraääni tuhkanpoisto ja rikinpoisto

Ultraäänikäsittely voi parantaa hiilen vaahdotusmenetelmien suorituskykyä, joita käytetään rikinpoistoon ja kalkinpoistoon. Ultraäänimenetelmän suurin etu on tuhkan ja rikin samanaikainen poistaminen. [1] Ultraääni ja sen akustinen virtaus ovat tunnettuja hiukkasvaikutuksistaan. Teho ultraääni deagglomeroituu ja hajottaa hiilihiukkaset ja kiillottaa niiden pinnan. Lisäksi ultraääni puhdistaa hiilimatriisin poistamalla rikin ja tuhkan.
Käsittelemällä selluvirtaa käytetään suuritehoista ultraääntä massan tuhkanpoiston ja rikinpoiston parantamiseksi. Sonikaatio vaikuttaa massan luonteeseen vähentämällä happipitoisuutta ja rajapintajännitystä samalla kun lisätään pH-arvoa ja lämpötilaa. Näin ollen korkean rikkihiilen ultraäänikäsittely parantaa rikinpoistoa.

Ultraäänellä avustettu pyriittien hydrofobisuuden väheneminen

Ultraäänellä tuotetut happiradikaalit hapettavat pyriittipinnan ja tekevät massassa olevasta rikistä sulfoksidiyksiköiden muodossa. Tämä vähensi pyriittien hydrofobisuutta.

Voimakkaat olosuhteet ultraäänellä tuotetun romahtamisen aikana kavitaatio Nesteiden kuplat kykenevät luomaan vapaita radikaaleja. Tämä tarkoittaa, että eli veden sonikaatio rikkoo molekyylisidokset, jotka tuottavat vapaita radikaaleja •OH ja •OH.

H₂O → •K + •OH
•OH- ja •H-vapaat radikaalit voivat käydä läpi sekundaarisia reaktioita seuraavasti:
•K + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Tuotettu H2O2 on epävakaa ja purkaa syntyvää happea nopeasti. Niinpä veden happipitoisuus kasvaa ultraäänikäsittelyn jälkeen. Syntyvä happi, joka on erittäin aktiivinen, voi reagoida massassa olevien mineraalihiukkasten kanssa ja vähentää massan happipitoisuutta.
Pyriittien hapettuminen (FeS₂) johtuu O:n reaktiosta₂ FeS: n kanssa₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(VAI NIIN)₂ + 2H₂NIIN₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(VAI NIIN)₂ + H₂NIIN₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

hiilen louhinta

Hiilen uuttamiseen käytetään liuottimia, jotka voivat vapauttaa valituissa uutto-olosuhteissa vetyä hiilen hydraukseen. Tetraliini on todistettu liuotin, joka hapetetaan naftaleeniksi uuttamisen aikana. Naftaleeni voidaan erottaa ja muuntaa hydraamalla uudelleen tetraliinissa. Prosessi suoritetaan paineessa tietyissä lämpötiloissa hiilen tyypistä ja noin kolmen tunnin viipymäajasta riippuen.

Hapettuneiden hiilihiukkasten ultraääni uudelleenaktivointi

Vaahdon kelluminen on erotusprosessi, jota käytetään hiilen puhdistamiseen ja rikastamiseen hyödyntämällä niiden hydrofobisuuden eroja.
Hapettuneita hiiltä on vaikea kellua, koska hiilen pinnan hydrofiilisyys kasvaa. Hiilen pinnalle kiinnittynyt happi muodostaa polaarisia fenoli- (-OH), karbonyyli- (-C = O) ja karboksyyliryhmiä (-COOH), jotka tehostavat hiilen pinnan hydratoitumista ja lisäävät siten sen hydrofiilisyyttä estäen vaahdotusreagenssien adsorboitumisen.
Ultraääni Hiukkasten käsittely voidaan käyttää hapetuskerrosten poistamiseen hiilihiukkasista siten, että hapettuneiden hiilihiukkasten pinta aktivoituu uudelleen.

Hiili-vesi-öljy ja hiili-vesipolttoaineet

Ultraääni jauhaminen ja Purkamalla käytetään hienokokoisten hiilihiukkasten lietteen tuottamiseen vedessä tai öljyssä. Ultraäänellä syntyy hienokokoinen hiukkasdispersio ja siten stabiili suspensio. (Pitkäaikaisen vakauden saavuttamiseksi stabilointiaineen lisääminen saattaa olla tarpeen.) Veden läsnäolo näissä hiili-vesi- ja hiili-vesi-öljypolttoaineissa johtaa täydellisempään palamiseen ja vähentää haitallisia päästöjä. Lisäksi veteen dispergoituneesta hiilestä tulee räjähdyssuojattu, mikä helpottaa käsittelyä.

Viite/ Kirjallisuus

1. Ambedkar, B. (2012): Ultraäänihiilen pesu tuhkanpoistoon ja rikinpoistoon: kokeellinen tutkimus ja mekanistinen mallinnus. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Sellun luonteen muutosten vaikutukset ultraäänikäsittelyn jälkeen korkean rikin hiilen kellumiseen. Kaivostiede ja -teknologia 19, 2009. 498-502.