Traitements du charbon par ultrasons pour la production d’énergie

La sonication des suspensions de charbon contribue à divers procédés de production d’énergie à partir du charbon. Les ultrasons favorisent l’hydrogénation catalytique lors de la liquéfaction du charbon. De plus, la sonication peut améliorer la surface spécifique et l’extractibilité du charbon. Les réactions chimiques secondaires indésirables lors de l’élimination des cendres et de la désulfuration peuvent être évitées – tout en réalisant le procédé en beaucoup moins de temps. Même lors du procédé de séparation par flottation à la mousse, la dispersion fine des particules peut être considérablement améliorée par la sonication.

Liquéfaction du charbon / Procédé de conversion du charbon en liquides

Des combustibles liquides peuvent être produits industriellement à partir du charbon par le procédé de « liquéfaction du charbon ». La liquéfaction du charbon peut être réalisée selon deux voies – la liquéfaction directe (DCL) et la liquéfaction indirecte (ICL).
Alors que la liquéfaction indirecte implique généralement la gazéification du charbon, le procédé de liquéfaction directe convertit le charbon directement en liquide. Des solvants (e.g. la tétraline) ou des catalyseurs (e.g. MoS₂) sont donc utilisés en combinaison avec des pressions et des températures élevées pour décomposer la structure organique du charbon. Comme les hydrocarbures liquides présentent généralement un rapport molaire hydrogène/carbone plus élevé que le charbon, un procédé d’hydrogénation ou d’élimination du carbone est nécessaire dans les technologies ICL et DCL.

Liquéfaction directe du charbon

Des études ont montré que la liquéfaction directe de charbons prétraités par ultrasons peut être nettement améliorée. Trois types différents de charbon bitumineux de rang inférieur ont été soumis à une sonication dans un solvant. Le gonflement induit par les ultrasons et la dispersion ont entraîné des rendements de liquéfaction remarquablement plus élevés.

Liquéfaction indirecte du charbon

Le charbon peut être converti en combustibles liquides par des procédés de liquéfaction indirecte du charbon (ICL), au moyen d’une gazéification suivie d’une conversion catalytique du gaz de synthèse en hydrocarbures propres et en carburants oxygénés pour les transports, tels que le méthanol, l’éther diméthylique et les carburants de type diesel ou essence obtenus par le procédé Fischer-Tropsch. La synthèse Fischer-Tropsch nécessite l’utilisation de catalyseurs, notamment de catalyseurs à base de fer. Grâce à la fragmentation des particules par ultrasons, l’efficacité des catalyseurs peut être considérablement améliorée.

Activation des catalyseurs par ultrasons

Le traitement par ultrasons permet aux particules d’être dispersées, désagglomérées et fragmentées – ce qui augmente leur surface. Pour les catalyseurs, cela signifie une surface active plus importante, qui accroît la réactivité catalytique des particules.
Exemple : catalyseur Fe à l’échelle nanométrique
Le fer nanométrique préparé par sonochimie est un catalyseur actif pour l’hydrogénation Fischer–Tropsch du CO ainsi que pour l’hydrogénolyse et la déshydrogénation des alcanes, principalement en raison de sa surface spécifique élevée (>120mg^-1). Les vitesses de conversion du CO et du H₂ en alcanes de faible masse moléculaire étaient environ 20 fois plus élevées par gramme de Fe que celles obtenues avec une poudre de fer commerciale à particules fines (5 μm de diamètre) à 250°C, et l’activité était plus de 100 fois supérieure à 200°C.

Exemples de catalyseurs préparés par ultrasons :
e.g. MoS₂, nano-Fe

Régénération des catalyseurs

Bien que les catalyseurs ne soient pas consommés lors des réactions chimiques, leur activité et leur efficacité peuvent diminuer en raison de l’agglomération et de l’encrassement. On peut ainsi observer que les catalyseurs présentent initialement une activité catalytique élevée et une forte sélectivité envers les composés oxygénés. Cependant, une dégradation des catalyseurs peut survenir pendant la réaction en raison de l’agrégation. L’irradiation ultrasonore permet de régénérer les catalyseurs, car les forces de cavitation permettent de disperser les particules et d’éliminer les dépôts de la surface.

Lavage du charbon : élimination des cendres et désulfuration par ultrasons

Le conditionnement par ultrasons peut améliorer les performances des méthodes de flottation du charbon, utilisées pour la désulfuration et l’élimination des cendres. Le principal avantage de la méthode ultrasonore est l’élimination simultanée des cendres et du soufre.[1] Les ultrasons et les courants acoustiques qu’ils génèrent sont bien connus pour leurs effets sur les particules. Les ultrasons de puissance désagglomèrent et dispersent les particules de charbon et polissent leur surface. De plus, les ultrasons nettoient la matrice du charbon en éliminant le soufre et les cendres.
Lors du conditionnement du flux de pulpe, des ultrasons de forte puissance sont appliqués pour améliorer l’élimination des cendres et la désulfuration de la pulpe. La sonication modifie les caractéristiques de la pulpe en diminuant sa teneur en oxygène et la tension interfaciale, tout en augmentant le pH et la température. Ainsi, le traitement par ultrasons du charbon à forte teneur en soufre améliore la désulfuration.

Diminution de l’hydrophobicité de la pyrite assistée par ultrasons

Les radicaux oxygénés générés par ultrasons provoquent une suroxydation de la surface de la pyrite et font apparaître le soufre présent dans la pulpe sous forme de groupes sulfoxyde. Cela a diminué l’hydrophobicité de la pyrite.

Les conditions intenses lors de l’effondrement des bulles de cavitation générées par ultrasons dans les liquides peuvent créer des radicaux libres. Cela signifie, par exemple, que la sonication de l’eau rompt les liaisons moléculaires en produisant des radicaux libres •OH et •OH.

H₂O → •H + •OH
Les radicaux libres •OH et •H générés peuvent subir des réactions secondaires, comme suit :
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Le H2O2 produit est instable et libère rapidement de l’oxygène naissant. La teneur en oxygène de l’eau augmente donc après le conditionnement par ultrasons. L’oxygène naissant, très réactif, peut réagir avec les particules minérales présentes dans la pulpe et réduire la teneur en oxygène de celle-ci.
L’oxydation de la pyrite (FeS₂) se produit par réaction de l’O₂ avec le FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Extraction du charbon

Pour l’extraction du charbon, on utilise des solvants capables de libérer, dans les conditions d’extraction choisies, de l’hydrogène destiné à l’hydrogénation du charbon. La tétraline est un solvant éprouvé, qui est oxydé en naphtalène pendant l’extraction. Le naphtalène peut être séparé puis reconverti en tétraline par hydrogénation. Le procédé est réalisé sous pression, à des températures spécifiques dépendant du type de charbon et avec des temps de séjour d’environ trois heures.

Réactivation des particules de charbon oxydées par ultrasons

La flottation à la mousse est un procédé de séparation utilisé pour purifier et enrichir le charbon en exploitant les différences d’hydrophobicité.
Les charbons oxydés sont difficiles à flotter, car l’hydrophilie de leur surface augmente. L’oxygène fixé à la surface du charbon forme des groupes polaires phénol (-OH), carbonyle (-C=O) et carboxyle (-COOH), qui favorisent l’hydratation de la surface du charbon et augmentent ainsi son hydrophilie, empêchant l’adsorption des réactifs de flottation.
Un traitement des particules par ultrasons peut être utilisé pour éliminer les couches d’oxydation des particules de charbon, afin de réactiver la surface des particules de charbon oxydées.

Combustibles charbon-eau-huile et charbon-eau

Le broyage par ultrasons et la dispersion sont utilisés pour produire des suspensions de fines particules de charbon dans l’eau ou l’huile. La sonication permet d’obtenir une dispersion de particules fines et, par conséquent, une suspension stable. (Pour assurer une stabilité à long terme, l’ajout d’un stabilisant peut être nécessaire.) La présence d’eau dans ces combustibles charbon-eau et charbon-eau-huile permet une combustion plus complète et réduit les émissions nocives. De plus, le charbon dispersé dans l’eau devient inexplosible, ce qui facilite sa manipulation.

Références bibliographiques

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) : Effects from changes in pulp nature after ultrasonic conditioning on high-sulfur coal floatation (Effets des changements dans la nature de la pâte après le conditionnement ultrasonique sur le flottage du charbon à haute teneur en soufre). Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.