טיפולים אולטרסוניים בפחם להפקת אנרגיה

סוניקציה של תרחיפי פחם תורמת לתהליכים שונים במהלך הפקת אנרגיה מפחם. אולטרסאונד מקדם הידרוגנציה קטליטית במהלך הנזלת פחם. יתר על כן, סוניקציה יכולה לשפר את שטח הפנים של הפחם ואת יכולת המיצוי שלו. ניתן למנוע תגובות לוואי כימיות בלתי רצויות במהלך סילוק האפר והגופרית – ולהשלים את התהליך בזמן קצר בהרבה. גם במהלך תהליך ההפרדה באמצעות הצפת קצף, ניתן לשפר במידה ניכרת את פיזור החלקיקים העדינים באמצעות סוניקציה.

הנזלת פחם/ תהליך הפיכת פחם לנוזל

ניתן לייצר דלקים נוזליים מפחם בקנה מידה תעשייתי באמצעות תהליך של "הנזלת פחם". ניתן להנזיל פחם בשתי דרכים – הנזלה ישירה (DCL) והנזלה עקיפה (ICL).
בעוד שהנזלה עקיפה כוללת בדרך כלל גיזוז של פחם, תהליך ההנזלה הישירה ממיר פחם ישירות לנוזל. לשם כך משתמשים בממסים (e.g. טטרלין) או בזרזים (e.g. MoS₂) בשילוב לחצים וטמפרטורות מוגברים, כדי לפרק את המבנה האורגני של הפחם. מאחר שבפחמימנים נוזליים היחס המולרי בין מימן לפחמן גבוה בדרך כלל מזה שבפחם, נדרש תהליך של הידרוגנציה או סילוק פחמן הן בטכנולוגיות ICL והן בטכנולוגיות DCL.

הנזלה ישירה של פחם

מחקרים הראו שניתן לשפר במידה ניכרת את ההנזלה הישירה של פחמים שעברו טיפול מקדים באולטרסאונד. שלושה סוגים שונים של פחם ביטומני בדרגת התפחמות נמוכה יחסית עברו סוניקציה בממס. בעקבות האולטרסאונד, ההתנפחות וכן הפיזור הביאו לתפוקות הנזלה גבוהות במידה ניכרת.

הנזלה עקיפה של פחם

ניתן להמיר פחם לדלקים נוזליים באמצעות תהליכי הנזלה עקיפה של פחם (ICL), הכוללים גיזוז ולאחריו המרה קטליטית של גז סינתזה לפחמימנים נקיים ולדלקי תחבורה המכילים חמצן, כגון מתנול, דימתיל אתר ודלקים דמויי סולר או בנזין המיוצרים בתהליך פישר–טרופש. סינתזת פישר–טרופש מחייבת שימוש בזרזים, כגון זרזים על בסיס ברזל. באמצעות שבירת חלקיקים באולטרסאונד, ניתן לשפר במידה ניכרת את יעילות הזרזים.

שפעול זרזים באמצעות אולטרסאונד

טיפול אולטרסוני מאפשר לפזר חלקיקים, לפרק את הצברים שלהם וכן לשבר אותם – וכך להגדיל את שטח הפנים של החלקיקים. עבור זרזים, משמעות הדבר היא שטח פנים פעיל גדול יותר, המגביר את התגובתיות הקטליטית של החלקיקים.
דוגמה: זרז Fe בקנה מידה ננומטרי
ברזל בפאזה ננומטרית שהוכן בשיטה סונוכימית הוא זרז פעיל להידרוגנציה של CO בתהליך פישר–טרופש ולהידרוגנוליזה ולדהידרוגנציה של אלקאנים, בעיקר הודות לשטח הפנים הגדול שלו (>120mg^-1). קצבי ההמרה של CO ו-H₂ לאלקאנים בעלי משקל מולקולרי נמוך היו גבוהים בקירוב פי 20 לגרם Fe בהשוואה לאבקת ברזל מסחרית בעלת חלקיקים עדינים (בקוטר 5 μm) ב-250°C, והפעילות הייתה גבוהה ביותר מפי 100 ב-200°C.

דוגמאות לזרזים שהוכנו באמצעות אולטרסאונד:
e.g. MoS₂, nano-Fe

השבת זרזים לשימוש

אף שזרזים אינם נצרכים במהלך תגובות כימיות, פעילותם ויעילותם עלולות לרדת עקב הצטברות לצברים והתלכלכות. לכן ניתן לראות שבתחילה זרזים מפגינים פעילות קטליטית גבוהה ובררנות גבוהה לתרכובות המכילות חמצן. עם זאת, במהלך התגובה עלולה לחול ירידה בביצועי הזרזים עקב התקבצות. ניתן לחדש זרזים באמצעות הקרנה אולטרסונית, שכן כוחות הקוויטציה מפזרים את החלקיקים ומסירים משקעים מפני השטח.

שטיפת פחם: סילוק אפר וגופרית באמצעות אולטרסאונד

טיפול התניה אולטרסוני יכול לשפר את ביצועיהן של שיטות הצפת פחם, המשמשות לסילוק גופרית ואפר. היתרון הגדול ביותר של השיטה האולטרסונית הוא סילוק בו-זמני של אפר וגופרית.[1] אולטרסאונד והזרימה האקוסטית שהוא יוצר מוכרים היטב בזכות השפעותיהם על חלקיקים. אולטרסאונד בהספק גבוה מפרק צברים של חלקיקי פחם, מפזר אותם ומלטש את פניהם. יתר על כן, אולטרסאונד מנקה את מטריצת הפחם תוך סילוק גופרית ואפר.
באמצעות טיפול התניה בזרם העיסה, אולטרסאונד בהספק גבוה משמש לשיפור סילוק האפר והגופרית מהעיסה. הסוניקציה משפיעה על תכונות העיסה באמצעות הפחתת תכולת החמצן והמתח הבין-פני, ובה בעת מעלה את ערך ה-pH ואת הטמפרטורה. כך הטיפול האולטרסוני בפחם בעל תכולת גופרית גבוהה משפר את סילוק הגופרית.

הפחתת ההידרופוביות של פיריט בסיוע אולטרסאונד

רדיקלי חמצן הנוצרים באמצעות אולטרסאונד מחמצנים ביתר את פני הפיריט וגורמים לגופרית המצויה בעיסה להופיע בצורת יחידות סולפוקסיד. הדבר הפחית את ההידרופוביות של הפיריט.

התנאים העזים בזמן קריסת בועות הקוויטציה הנוצרות באמצעות אולטרסאונד בנוזלים מסוגלים ליצור רדיקלים חופשיים. כלומר, סוניקציה של מים שוברת את הקשרים המולקולריים ויוצרת רדיקלים חופשיים של •OH ו-•OH.

H₂O → •H + •OH
הרדיקלים החופשיים •OH ו-•H שנוצרו יכולים לעבור תגובות משניות, כדלקמן:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
ה-H2O2 שנוצר אינו יציב ומשחרר במהירות חמצן בהתהוות. לכן תכולת החמצן במים עולה לאחר טיפול ההתניה האולטרסוני. החמצן בהתהוות, שהוא פעיל מאוד, יכול להגיב עם חלקיקי מינרלים המצויים בעיסה ולהפחית את תכולת החמצן של העיסה.
החמצון של פיריט (FeS₂) מתרחש עקב התגובה של O₂ עם FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

מיצוי פחם

למיצוי פחם משתמשים בממסים שיכולים לשחרר, בתנאי המיצוי שנבחרו, מימן להידרוגנציה של הפחם. טטרלין הוא ממס מוכח, המתחמצן לנפתלן במהלך המיצוי. ניתן להפריד את הנפתלן ולהמיר אותו בחזרה לטטרלין באמצעות הידרוגנציה. התהליך מתבצע בלחץ, בטמפרטורות מסוימות התלויות בסוג הפחם, ובזמני שהייה של כשלוש שעות.

שפעול מחדש של חלקיקי פחם מחומצנים באמצעות אולטרסאונד

הצפת קצף היא תהליך הפרדה המשמש לטיהור ולהשבחת פחם באמצעות ניצול הבדלים בהידרופוביות.
קשה להציף פחמים מחומצנים, מאחר שההידרופיליות של פני הפחם עולה. החמצן הקשור לפני הפחם יוצר קבוצות קוטביות של פנול (-OH), קרבוניל (-C=O) וקרבוקסיל (-COOH), המגבירות את ההידרציה של פני הפחם ובכך מגבירות את ההידרופיליות שלו ומונעות ספיחה של ריאגנטים להצפה.
ניתן להשתמש בטיפול אולטרסוני בחלקיקים כדי להסיר שכבות חמצון מחלקיקי פחם, כך שפני השטח של חלקיקי הפחם המחומצנים משופעלים מחדש.

דלקי פחם–מים–שמן ודלקי פחם–מים

תהליכים אולטרסוניים של טחינה וכן פיזור משמשים ליצירת תרחיפים של חלקיקי פחם עדינים במים או בשמן. באמצעות סוניקציה נוצר פיזור של חלקיקים עדינים, וכך מתקבל תרחיף יציב. (ליציבות לאורך זמן, ייתכן שתידרש תוספת של מייצב.) נוכחות המים בדלקי פחם–מים ופחם–מים–שמן אלה מביאה לבעירה מלאה יותר ומפחיתה פליטות מזיקות. יתר על כן, פחם המפוזר במים נעשה חסין פיצוץ, דבר המקל על הטיפול בו.

מקורות וספרות מקצועית

1. אמבדקר, ב. (2012): שטיפת פחם קולית לדה-אפר ודה-גופרית: חקירה ניסויית ומידול מכניסטי. שפרינגר, 2012.
2. קנג, ו'; שון, ח'; קונג, X.; לי, מ. (2009): השפעות משינויים בטבע העיסה לאחר מיזוג קולי על ציפה פחם גבוהה גופרית. כרייה מדע וטכנולוגיה 19, 2009. 498-502.