ઊર્જા ઉત્પાદન માટે કોલસાની અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર

કોલસાની સ્લરીનું સોનિકેશન કોલસામાંથી ઊર્જા ઉત્પાદન દરમિયાન વિવિધ પ્રક્રિયાઓમાં ફાળો આપે છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કોલસાના દ્રવીકરણ દરમિયાન ઉત્પ્રેરકીય હાઇડ્રોજનીકરણને પ્રોત્સાહન આપે છે. વધુમાં, સોનિકેશન કોલસાનું સપાટી ક્ષેત્રફળ અને તેની નિષ્કર્ષણક્ષમતા સુધારી શકે છે. રાખ દૂર કરવાની અને ગંધક દૂર કરવાની પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન અનિચ્છનીય રાસાયણિક આડપ્રતિક્રિયાઓ ટાળી શકાય છે – અને પ્રક્રિયા ઘણા ઓછા સમયમાં પૂર્ણ કરી શકાય છે. ફીણ ઉત્પ્લાવન દ્વારા અલગ કરવાની પ્રક્રિયા દરમિયાન પણ સોનિકેશનથી સૂક્ષ્મ કદના કણોનું વિખેરણ નોંધપાત્ર રીતે સુધારી શકાય છે.

કોલસાનું દ્રવીકરણ/ કોલસામાંથી પ્રવાહી બનાવવાની પ્રક્રિયા

કોલસામાંથી ઔદ્યોગિક સ્તરે પ્રવાહી ઇંધણોનું ઉત્પાદન “કોલસાનું દ્રવીકરણ” પ્રક્રિયા દ્વારા કરી શકાય છે. કોલસાનું દ્રવીકરણ બે માર્ગો દ્વારા કરી શકાય છે – પ્રત્યક્ષ દ્રવીકરણ (DCL) અને પરોક્ષ દ્રવીકરણ (ICL).
પરોક્ષ દ્રવીકરણમાં સામાન્ય રીતે કોલસાનું વાયુકરણ સામેલ હોય છે, જ્યારે પ્રત્યક્ષ દ્રવીકરણ પ્રક્રિયા કોલસાને સીધો પ્રવાહીમાં રૂપાંતરિત કરે છે. તેથી, કોલસાની કાર્બનિક સંરચનાને તોડવા માટે દ્રાવકો (e.g. ટેટ્રાલિન) અથવા ઉત્પ્રેરકો (e.g. MoS₂)નો ઉપયોગ વધારેલા દબાણ અને તાપમાન સાથે કરવામાં આવે છે. પ્રવાહી હાઇડ્રોકાર્બનોમાં સામાન્ય રીતે કોલસા કરતાં હાઇડ્રોજન-કાર્બનનો મોલર ગુણોત્તર વધુ હોવાથી, ICL અને DCL બંને તકનીકોમાં હાઇડ્રોજનીકરણ અથવા કાર્બન દૂર કરવાની પ્રક્રિયા જરૂરી છે.

કોલસાનું પ્રત્યક્ષ દ્રવીકરણ

અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે અલ્ટ્રાસોનિક પૂર્વસારવાર કરેલા કોલસાનું પ્રત્યક્ષ દ્રવીકરણ નોંધપાત્ર રીતે સુધારી શકાય છે. નીચી કક્ષાના બિટ્યુમિનસ કોલસાના ત્રણ જુદા પ્રકારોનું દ્રાવકમાં સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડથી પ્રેરિત ફૂલવાની ક્રિયા અને વિખેરણને પરિણામે દ્રવીકરણની ઉપજ નોંધપાત્ર રીતે વધુ મળી હતી.

કોલસાનું પરોક્ષ દ્રવીકરણ

કોલસાના પરોક્ષ દ્રવીકરણ (ICL)ની પ્રક્રિયાઓમાં પ્રથમ વાયુકરણ અને ત્યારબાદ સિન્ગેસનું ઉત્પ્રેરકીય રૂપાંતરણ કરીને કોલસાને સ્વચ્છ હાઇડ્રોકાર્બનો અને મિથેનોલ, ડાઇમિથાઇલ ઇથર તથા Fischer-Tropsch ડીઝલ અથવા ગેસોલિન જેવા ઇંધણો સહિતનાં ઑક્સિજનયુક્ત પરિવહન ઇંધણોમાં ફેરવી શકાય છે. Fischer-Tropsch સંશ્લેષણ માટે લોહ આધારિત ઉત્પ્રેરકો જેવા ઉત્પ્રેરકોનો ઉપયોગ જરૂરી છે. અલ્ટ્રાસોનિક કણ વિખંડન દ્વારા ઉત્પ્રેરકોની કાર્યક્ષમતા નોંધપાત્ર રીતે સુધારી શકાય છે.

ઉત્પ્રેરકનું અલ્ટ્રાસોનિક સક્રિયકરણ

અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર દ્વારા કણોનું વિખેરણ, સમૂહવિઘટન અને વિખંડન કરી શકાય છે – જેના પરિણામે કણોનું સપાટી ક્ષેત્રફળ વધે છે. ઉત્પ્રેરકો માટે આનો અર્થ વધુ સક્રિય સપાટી થાય છે, જે કણોની ઉત્પ્રેરકીય પ્રતિક્રિયાશીલતા વધારે છે.
ઉદાહરણ: નેનો સ્તરનો Fe ઉત્પ્રેરક
સોનોરાસાયણિક રીતે તૈયાર કરેલું નેનો અવસ્થાનું લોહ COના Fischer–Tropsch હાઇડ્રોજનીકરણ માટે તથા આલ્કેનોના હાઇડ્રોજનોલિસિસ અને ડિહાઇડ્રોજનીકરણ માટે સક્રિય ઉત્પ્રેરક છે, જેનું મુખ્ય કારણ તેનું ઊંચું સપાટી ક્ષેત્રફળ (>120mg^-1) છે. CO અને H₂ નું ઓછા આણ્વિક વજનવાળા આલ્કેનોમાં રૂપાંતરણ થવાનો દર પ્રતિ ગ્રામ Fe દીઠ 250°C પર સૂક્ષ્મ કણોવાળા (5 μm વ્યાસ) વ્યાવસાયિક લોહ પાઉડર કરતાં આશરે 20 ગણો વધુ હતો, અને 200°C પર તે 100 ગણા કરતાં વધુ સક્રિય હતું.

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે તૈયાર કરેલા ઉત્પ્રેરકોનાં ઉદાહરણો:
e.g. MoS₂, નેનો-Fe

ઉત્પ્રેરકની પુનઃપ્રાપ્તિ

રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ દરમિયાન ઉત્પ્રેરકો વપરાઈ જતા ન હોવા છતાં, સમૂહીકરણ અને સપાટી પર અશુદ્ધિઓ જમા થવાથી તેમની સક્રિયતા અને કાર્યક્ષમતા ઘટી શકે છે. તેથી, એવું જોવા મળે છે કે ઉત્પ્રેરકો શરૂઆતમાં ઊંચી ઉત્પ્રેરકીય સક્રિયતા અને ઑક્સિજનયુક્ત સંયોજનો પ્રત્યે પસંદગીક્ષમતા દર્શાવે છે. જોકે, પ્રતિક્રિયા દરમિયાન એકત્રીકરણને કારણે ઉત્પ્રેરકોનું અવક્રમણ થઈ શકે છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણ દ્વારા ઉત્પ્રેરકોનું પુનર્જનન કરી શકાય છે, કારણ કે કેવિટેશનજન્ય બળો કણોને વિખેરે છે અને સપાટી પરથી જમા થયેલા પદાર્થો દૂર કરે છે.

કોલસાનું ધોવાણ: અલ્ટ્રાસોનિક રીતે રાખ અને ગંધક દૂર કરવા

અલ્ટ્રાસોનિક કન્ડિશનિંગ કોલસાની ઉત્પ્લાવન પદ્ધતિઓની કામગીરી સુધારી શકે છે, જેનો ઉપયોગ ગંધક અને રાખ દૂર કરવા માટે થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક પદ્ધતિનો સૌથી મોટો ફાયદો રાખ અને ગંધકને એકસાથે દૂર કરવાનો છે.[1] અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અને તેનો ધ્વનિપ્રેરિત પ્રવાહ કણો પરની તેમની અસરો માટે જાણીતા છે. ઉચ્ચ શક્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કોલસાના કણોના સમૂહોનું વિઘટન કરે છે, તેમને વિખેરે છે અને તેમની સપાટીને ચમકાવે છે. વધુમાં, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ગંધક અને રાખ દૂર કરીને કોલસાના મેટ્રિક્સને સાફ કરે છે.
પલ્પના પ્રવાહનું કન્ડિશનિંગ કરીને, પલ્પમાંથી રાખ અને ગંધક દૂર કરવાની પ્રક્રિયા સુધારવા માટે ઉચ્ચ શક્તિનું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ લાગુ કરવામાં આવે છે. સોનિકેશન ઑક્સિજનનું પ્રમાણ અને આંતરપૃષ્ઠીય તાણ ઘટાડીને તથા pH મૂલ્ય અને તાપમાન વધારીને પલ્પના સ્વભાવને પ્રભાવિત કરે છે. આમ, વધુ ગંધકવાળા કોલસાની અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર ગંધક દૂર કરવાની પ્રક્રિયા સુધારે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક સહાયથી પાયરાઇટની જલવિરક્તતામાં ઘટાડો

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્પન્ન થયેલા ઑક્સિજન રેડિકલ્સ પાયરાઇટની સપાટીનું અતિઑક્સિડેશન કરે છે અને પલ્પમાં રહેલા ગંધકને સલ્ફોક્સાઇડ એકમોના સ્વરૂપમાં દેખાતું બનાવે છે. આનાથી પાયરાઇટની જલવિરક્તતા ઘટી હતી.

પ્રવાહીઓમાં અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્પન્ન થયેલા કેવિટેશન પરપોટાના ભંગાણ દરમિયાન સર્જાતી તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ મુક્ત રેડિકલ્સ ઉત્પન્ન કરવામાં સક્ષમ હોય છે. આનો અર્થ એ છે કે, એટલે કે, પાણીનું સોનિકેશન અણુઓના બંધ તોડીને •OH અને •OHના મુક્ત રેડિકલ્સ ઉત્પન્ન કરે છે.

H₂O → •H + •OH
ઉત્પન્ન થયેલા •OH અને •H મુક્ત રેડિકલ્સ નીચે મુજબ ગૌણ પ્રતિક્રિયાઓમાં ભાગ લઈ શકે છે:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
ઉત્પન્ન થયેલું H2O2 અસ્થિર હોય છે અને ઝડપથી નવજાત ઑક્સિજન મુક્ત કરે છે. તેથી અલ્ટ્રાસોનિક કન્ડિશનિંગ પછી પાણીમાં ઑક્સિજનનું પ્રમાણ વધે છે. નવજાત ઑક્સિજન અત્યંત સક્રિય હોવાથી પલ્પમાં રહેલા ખનિજ કણો સાથે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે અને પલ્પમાં ઑક્સિજનનું પ્રમાણ ઘટાડી શકે છે.
પાયરાઇટ (FeS₂)નું ઑક્સિડેશન આ બે પદાર્થો વચ્ચેની પ્રતિક્રિયાને કારણે થાય છે: O₂ અને FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

કોલસાનું નિષ્કર્ષણ

કોલસાના નિષ્કર્ષણ માટે એવા દ્રાવકોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે પસંદ કરેલી નિષ્કર્ષણ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ કોલસાના હાઇડ્રોજનીકરણ માટે હાઇડ્રોજન મુક્ત કરી શકે છે. ટેટ્રાલિન એક પ્રમાણિત દ્રાવક છે, જે નિષ્કર્ષણ દરમિયાન ઑક્સિડાઇઝ થઈને નેપ્થેલીનમાં ફેરવાય છે. નેપ્થેલીનને અલગ કરી શકાય છે અને હાઇડ્રોજનીકરણ દ્વારા ફરીથી ટેટ્રાલિનમાં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે. આ પ્રક્રિયા દબાણ હેઠળ, કોલસાના પ્રકાર પર આધારિત ચોક્કસ તાપમાને અને આશરે ત્રણ કલાકના નિવાસ સમય સાથે કરવામાં આવે છે.

ઑક્સિડાઇઝ થયેલા કોલસાના કણોનું અલ્ટ્રાસોનિક પુનઃસક્રિયકરણ

ફીણ ઉત્પ્લાવન એક વિભાજન પ્રક્રિયા છે, જેનો ઉપયોગ જલવિરક્તતાના તફાવતોનો લાભ લઈને કોલસાને શુદ્ધ કરવા અને તેની ગુણવત્તા વધારવા માટે થાય છે.
ઑક્સિડાઇઝ થયેલા કોલસાનું ઉત્પ્લાવન કરવું મુશ્કેલ હોય છે, કારણ કે કોલસાની સપાટીની જલસ્નેહિતા વધે છે. કોલસાની સપાટી સાથે જોડાયેલો ઑક્સિજન ધ્રુવીય ફિનોલ (-OH), કાર્બોનિલ (-C=O) અને કાર્બોક્સિલ (-COOH) સમૂહો બનાવે છે, જે કોલસાની સપાટીનું જલીકરણ વધારે છે અને તેથી તેની જલસ્નેહિતા વધારે છે, જેના કારણે ઉત્પ્લાવન અભિકર્મકોનું અધિશોષણ થતું અટકે છે.
અલ્ટ્રાસોનિક કણ સારવારનો ઉપયોગ કોલસાના કણો પરથી ઑક્સિડેશનના સ્તરો દૂર કરવા માટે કરી શકાય છે, જેથી ઑક્સિડાઇઝ થયેલા કોલસાના કણોની સપાટી ફરીથી સક્રિય થાય છે.

કોલસા-પાણી-તેલ અને કોલસા-પાણી ઇંધણો

અલ્ટ્રાસોનિક દળણ અને વિખેરણનો ઉપયોગ પાણી અથવા તેલમાં કોલસાના સૂક્ષ્મ કણોની સ્લરી બનાવવા માટે થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા સૂક્ષ્મ કણોનું વિખેરણ અને તેથી સ્થિર નિલંબન ઉત્પન્ન થાય છે. (લાંબા સમયની સ્થિરતા માટે સ્થિરક ઉમેરવાની જરૂર પડી શકે છે.) આ કોલસા-પાણી અને કોલસા-પાણી-તેલ ઇંધણોમાં પાણીની હાજરી વધુ સંપૂર્ણ દહન કરાવે છે અને હાનિકારક ઉત્સર્જન ઘટાડે છે. વધુમાં, પાણીમાં વિખેરાયેલો કોલસો વિસ્ફોટરોધક બને છે, જે તેને સંભાળવાનું સરળ બનાવે છે.

સંદર્ભો/સાહિત્ય

1. આંબેડકર, બી. (2012): ડી-એશિંગ અને ડી-સલ્ફ્યુરાઇઝેશન માટે અલ્ટ્રાસોનિક કોલ-વોશ: પ્રાયોગિક તપાસ અને મિકેનિસ્ટિક મોડેલિંગ. સ્પ્રિંગર, 2012.
2. કાંગ, ડબલ્યુ.; Xun, H.; કોંગ, એક્સ.; લી, એમ. (2009): ઉચ્ચ-સલ્ફર કોલસો ફ્લોટેશન પર અલ્ટ્રાસોનિક કન્ડીશનીંગ પછી પલ્પ પ્રકૃતિમાં ફેરફારોની અસરો. માઇનિંગ સાયન્સ એન્ડ ટેકનોલોજી 19, 2009. 498-502.