ऊर्जा उत्पादन के लिए कोयले का अल्ट्रासोनिक उपचार

कोयले की स्लरियों का सोनिकेशन, कोयले से ऊर्जा उत्पादन के दौरान विभिन्न प्रक्रियाओं में योगदान देता है। अल्ट्रासाउंड कोयले के द्रवीकरण के दौरान उत्प्रेरकीय हाइड्रोजनीकरण को बढ़ावा देता है। इसके अलावा, सोनिकेशन कोयले के पृष्ठीय क्षेत्रफल और निष्कर्षणीयता में सुधार कर सकता है। राख हटाने और विगंधकीकरण के दौरान अवांछित रासायनिक पार्श्व अभिक्रियाओं से बचा जा सकता है – जिससे प्रक्रिया बहुत कम समय में पूरी होती है। फेन प्लवन द्वारा पृथक्करण की प्रक्रिया के दौरान भी सोनिकेशन से कणों के सूक्ष्म आकार में परिक्षेपण में उल्लेखनीय सुधार किया जा सकता है।

कोयला द्रवीकरण/ कोयले से तरल बनाने की प्रक्रिया

“कोयला द्रवीकरण” की प्रक्रिया द्वारा कोयले से औद्योगिक स्तर पर तरल ईंधन बनाए जा सकते हैं। कोयला द्रवीकरण दो मार्गों से किया जा सकता है – प्रत्यक्ष द्रवीकरण (DCL) और अप्रत्यक्ष द्रवीकरण (ICL)।
अप्रत्यक्ष द्रवीकरण में सामान्यतः कोयले का गैसीकरण शामिल होता है, जबकि प्रत्यक्ष द्रवीकरण प्रक्रिया कोयले को सीधे तरल में बदलती है। इसलिए, कोयले की कार्बनिक संरचना को तोड़ने के लिए विलायकों (e.g. टेट्रालिन) या उत्प्रेरकों (e.g. MoS₂) का उपयोग उच्च दाब और तापमान के साथ किया जाता है। चूँकि तरल हाइड्रोकार्बनों में हाइड्रोजन-कार्बन मोलर अनुपात सामान्यतः कोयले की तुलना में अधिक होता है, इसलिए ICL और DCL दोनों प्रौद्योगिकियों में हाइड्रोजनीकरण या कार्बन निष्कासन की प्रक्रिया आवश्यक होती है।

प्रत्यक्ष कोयला द्रवीकरण

अध्ययनों से पता चला है कि अल्ट्रासोनिक रूप से पूर्व-उपचारित कोयलों के प्रत्यक्ष द्रवीकरण में उल्लेखनीय सुधार किया जा सकता है। निम्न श्रेणी के बिटुमिनस कोयले के तीन अलग-अलग प्रकारों का विलायक में सोनिकेशन किया गया है। अल्ट्रासाउंड से उत्पन्न स्फीतन और परिक्षेपण के परिणामस्वरूप द्रवीकरण की प्राप्ति में उल्लेखनीय वृद्धि हुई।

अप्रत्यक्ष कोयला द्रवीकरण

अप्रत्यक्ष कोयला द्रवीकरण (ICL) प्रक्रियाओं द्वारा कोयले को तरल ईंधनों में बदला जा सकता है। इनमें पहले गैसीकरण होता है और उसके बाद सिंथेसिस गैस का उत्प्रेरकीय रूपांतरण स्वच्छ हाइड्रोकार्बनों तथा ऑक्सीजनयुक्त परिवहन ईंधनों में किया जाता है, जैसे मेथनॉल, डाइमिथाइल ईथर, फिशर-ट्रॉप्श डीज़ल या गैसोलीन जैसे ईंधन। फिशर-ट्रॉप्श संश्लेषण के लिए लौह-आधारित उत्प्रेरकों जैसे उत्प्रेरकों का उपयोग आवश्यक होता है। अल्ट्रासोनिक कण विखंडन के माध्यम से उत्प्रेरकों की दक्षता में उल्लेखनीय सुधार किया जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक उत्प्रेरक सक्रियण

अल्ट्रासोनिक उपचार से कणों का परिक्षेपण, विसमूहन और विखंडन किया जा सकता है – जिसके परिणामस्वरूप कणों का पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ता है। उत्प्रेरकों के लिए इसका अर्थ है अधिक सक्रिय पृष्ठीय क्षेत्रफल, जिससे कणों की उत्प्रेरकीय अभिक्रियाशीलता बढ़ती है।
उदाहरण: नैनोस्तरीय Fe उत्प्रेरक
सोनोकेमिकल विधि से तैयार नैनोफेज़ लौह, CO के फिशर–ट्रॉप्श हाइड्रोजनीकरण तथा एल्केनों के हाइड्रोजन-अपघटन और विहाइड्रोजनीकरण के लिए एक सक्रिय उत्प्रेरक है, जिसका मुख्य कारण इसका उच्च पृष्ठीय क्षेत्रफल (>120mg^-1) है। CO और H₂ के कम आणविक भार वाले एल्केनों में रूपांतरण की दरें, प्रति ग्राम Fe के आधार पर, 250°C पर सूक्ष्म कणों (5 μm व्यास) वाले वाणिज्यिक लौह चूर्ण की तुलना में लगभग 20 गुना अधिक थीं और 200°C पर सक्रियता 100 गुना से भी अधिक थी।

अल्ट्रासोनिक रूप से तैयार उत्प्रेरकों के उदाहरण:
e.g. MoS₂, nano-Fe

उत्प्रेरक की पुनर्प्राप्ति

हालाँकि रासायनिक अभिक्रियाओं के दौरान उत्प्रेरक खर्च नहीं होते, फिर भी समूहन और सतह पर जमाव के कारण उनकी सक्रियता और दक्षता घट सकती है। इसलिए, यह देखा जा सकता है कि उत्प्रेरक शुरुआत में उच्च उत्प्रेरकीय सक्रियता और ऑक्सीजनयुक्त यौगिकों के प्रति चयनात्मकता दिखाते हैं। हालाँकि, अभिक्रिया के दौरान एकत्रीकरण के कारण उत्प्रेरकों का क्षरण हो सकता है। अल्ट्रासोनिक विकिरण से उत्प्रेरकों को पुनर्जीवित किया जा सकता है क्योंकि कैविटेशन से उत्पन्न बल कणों को परिक्षेपित करते हैं और सतह से निक्षेप हटाते हैं।

कोयले की धुलाई: अल्ट्रासोनिक विधि से राख हटाना और विगंधकीकरण

अल्ट्रासोनिक कंडीशनिंग से कोयले की उन प्लवन विधियों का प्रदर्शन बेहतर किया जा सकता है जिनका उपयोग विगंधकीकरण और राख हटाने के लिए होता है। अल्ट्रासोनिक विधि का सबसे बड़ा लाभ राख और सल्फर को एक साथ हटाना है।[1] अल्ट्रासाउंड और उसकी ध्वनिक प्रवाह क्रिया, कणों पर अपने प्रभावों के लिए सुप्रसिद्ध हैं। उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड कोयले के कणों का विसमूहन और परिक्षेपण करता है तथा उनकी सतह को पॉलिश करता है। इसके अलावा, अल्ट्रासाउंड सल्फर और राख हटाकर कोयले के मैट्रिक्स को साफ करता है।
पल्प धारा की कंडीशनिंग करके, पल्प से राख हटाने और उसके विगंधकीकरण में सुधार के लिए उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया जाता है। सोनिकेशन ऑक्सीजन की मात्रा और अंतरापृष्ठीय तनाव घटाकर, तथा pH मान और तापमान बढ़ाकर पल्प की प्रकृति को प्रभावित करता है। इस प्रकार, उच्च सल्फर वाले कोयले का अल्ट्रासोनिक उपचार विगंधकीकरण में सुधार करता है।

अल्ट्रासोनिक सहायता से पाइराइट की जलविरागिता में कमी

अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न ऑक्सीजन रेडिकल पाइराइट की सतह का अत्यधिक ऑक्सीकरण करते हैं और पल्प में मौजूद सल्फर को सल्फॉक्साइड इकाइयों के रूप में प्रकट करते हैं। इससे पाइराइट की जलविरागिता कम हुई।

द्रवों में अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न कैविटेशन बुलबुलों के ढहने के दौरान उत्पन्न तीव्र परिस्थितियाँ मुक्त मूलक बना सकती हैं। इसका अर्थ है कि, उदाहरण के लिए, पानी का सोनिकेशन आणविक बंधों को तोड़कर •OH और •OH मुक्त मूलक उत्पन्न करता है।

H₂O → •H + •OH
उत्पन्न •OH और •H मुक्त मूलक निम्नलिखित द्वितीयक अभिक्रियाओं में भाग ले सकते हैं:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
उत्पन्न H2O2 अस्थिर होता है और शीघ्र ही नवजात ऑक्सीजन मुक्त करता है। इसलिए अल्ट्रासोनिक कंडीशनिंग के बाद पानी में ऑक्सीजन की मात्रा बढ़ जाती है। अत्यधिक सक्रिय होने के कारण नवजात ऑक्सीजन पल्प में मौजूद खनिज कणों से अभिक्रिया कर सकती है और पल्प में ऑक्सीजन की मात्रा कम कर सकती है।
पाइराइट (FeS₂) का ऑक्सीकरण O₂ की अभिक्रिया निम्नलिखित से होने पर होता है: FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

कोयले का निष्कर्षण

कोयले के निष्कर्षण के लिए ऐसे विलायकों का उपयोग किया जाता है जो चुनी गई निष्कर्षण परिस्थितियों में कोयले के हाइड्रोजनीकरण के लिए हाइड्रोजन मुक्त कर सकें। टेट्रालिन एक प्रमाणित विलायक है, जो निष्कर्षण के दौरान ऑक्सीकृत होकर नैफ्थलीन में बदल जाता है। नैफ्थलीन को अलग किया जा सकता है और हाइड्रोजनीकरण द्वारा फिर से टेट्रालिन में बदला जा सकता है। यह प्रक्रिया दाब के अंतर्गत, कोयले के प्रकार के अनुसार विशिष्ट तापमानों पर और लगभग तीन घंटे के निवास समय के साथ की जाती है।

ऑक्सीकृत कोयला कणों का अल्ट्रासोनिक पुनर्सक्रियण

फेन प्लवन एक पृथक्करण प्रक्रिया है, जिसका उपयोग कोयले की जलविरागिता में अंतर का लाभ उठाकर उसे शुद्ध और समृद्ध करने के लिए किया जाता है।
ऑक्सीकृत कोयले का प्लवन कठिन होता है, क्योंकि कोयले की सतह की जलरागिता बढ़ जाती है। कोयले की सतह से जुड़ी ऑक्सीजन ध्रुवीय फीनॉल (-OH), कार्बोनिल (-C=O) और कार्बोक्सिल (-COOH) समूह बनाती है, जो कोयले की सतह के जलयोजन को बढ़ाते हैं और इस प्रकार उसकी जलरागिता बढ़ाकर प्लवन अभिकर्मकों के अधिशोषण को रोकते हैं।
अल्ट्रासोनिक कण उपचार का उपयोग कोयले के कणों से ऑक्सीकरण परतें हटाने के लिए किया जा सकता है, जिससे ऑक्सीकृत कोयला कणों की सतह फिर से सक्रिय हो जाती है।

कोयला-पानी-तेल और कोयला-पानी ईंधन

अल्ट्रासोनिक पिसाई और परिक्षेपण का उपयोग पानी या तेल में कोयले के सूक्ष्म कणों की स्लरियाँ बनाने के लिए किया जाता है। अल्ट्रासोनिकेशन से सूक्ष्म कणों का परिक्षेपण और इस प्रकार एक स्थिर निलंबन बनता है। (लंबे समय तक स्थिरता के लिए स्थिरक मिलाने की आवश्यकता हो सकती है।) इन कोयला-पानी और कोयला-पानी-तेल ईंधनों में पानी की उपस्थिति अधिक पूर्ण दहन सुनिश्चित करती है और हानिकारक उत्सर्जन घटाती है। इसके अलावा, पानी में परिक्षेपित कोयला विस्फोट-रोधी हो जाता है, जिससे उसे संभालना आसान होता है।

संदर्भ/साहित्य

1. अम्बेडकर, बी. (2012): डी-एशिंग और डी-सल्फराइजेशन के लिए अल्ट्रासोनिक कोल-वॉश: प्रायोगिक जांच और यंत्रवत मॉडलिंग। स्प्रिंगर, 2012।
2. कांग, डब्ल्यू।; ज़ून, एच।; कोंग, एक्स।; ली, एम (2009): उच्च सल्फर कोयला फ्लोटेशन पर अल्ट्रासोनिक कंडीशनिंग के बाद लुगदी प्रकृति में परिवर्तन से प्रभाव। खनन विज्ञान और प्रौद्योगिकी 19, 2009। 498-502.