Ultrazvučna obrada ugljena za proizvodnju energije

Sonikacija suspenzija ugljena pridonosi različitim procesima tijekom proizvodnje energije iz ugljena. Ultrazvuk potiče katalitičku hidrogenaciju tijekom ukapljivanja ugljena. Nadalje, sonikacija može povećati površinu ugljena i poboljšati njegovu sposobnost ekstrakcije. Moguće je izbjeći neželjene kemijske sporedne reakcije tijekom uklanjanja pepela i odsumporavanja te provesti proces u znatno kraćem vremenu. Čak se i tijekom odvajanja pjenastom flotacijom sonikacijom može znatno poboljšati fino dispergiranje čestica.

Ukapljivanje ugljena / proces pretvorbe ugljena u tekućinu

Tekuća goriva mogu se industrijski proizvoditi iz ugljena postupkom „ukapljivanja ugljena”. Ukapljivanje ugljena može se postići na dva načina – izravnim (DCL) i neizravnim ukapljivanjem (ICL).
Dok neizravno ukapljivanje općenito uključuje rasplinjavanje ugljena, proces izravnog ukapljivanja pretvara ugljen izravno u tekućinu. Stoga se otapala (e.g. tetralin) ili katalizatori (e.g. MoS₂) upotrebljavaju u kombinaciji s povišenim tlakovima i temperaturama kako bi se razgradila organska struktura ugljena. Budući da tekući ugljikovodici općenito imaju veći molarni omjer vodika i ugljika od ugljena, i u tehnologiji ICL i u tehnologiji DCL potreban je proces hidrogenacije ili uklanjanja ugljika.

Izravno ukapljivanje ugljena

Istraživanja su pokazala da se izravno ukapljivanje ugljena prethodno obrađenog ultrazvukom može znatno poboljšati. Tri različite vrste bituminoznog ugljena nižeg stupnja pougljenjenja podvrgnute su sonikaciji u otapalu. Ultrazvukom izazvano bubrenje i dispergiranje rezultirali su znatno većim prinosima ukapljivanja.

Neizravno ukapljivanje ugljena

Ugljen se može pretvoriti u tekuća goriva procesima neizravnog ukapljivanja ugljena (ICL) rasplinjavanjem, nakon kojeg slijedi katalitička pretvorba sinteznog plina u čiste ugljikovodike i goriva za promet koja sadržavaju kisik, kao što su metanol, dimetil-eter te Fischer-Tropschova goriva slična dizelu ili benzinu. Fischer-Tropschova sinteza zahtijeva upotrebu katalizatora, kao što su katalizatori na bazi željeza. Ultrazvučnom fragmentacijom čestica učinkovitost katalizatora može se znatno poboljšati.

Ultrazvučna aktivacija katalizatora

Ultrazvučnom obradom čestice se mogu dispergirati, deaglomerirati i fragmentirati – čime se povećava površina čestica. Za katalizatore to znači veću aktivnu površinu, što povećava katalitičku reaktivnost čestica.
Primjer: katalizator Fe nanometarskih dimenzija
Sonokemijski pripremljeno nanofazno željezo aktivan je katalizator za Fischer–Tropschovu hidrogenaciju CO te za hidrogenolizu i dehidrogenaciju alkana, uglavnom zahvaljujući velikoj površini (>120mg^-1). Brzine pretvorbe CO i H₂ u alkane niske molekulske mase bile su približno 20 puta veće po gramu Fe nego kod komercijalnog željeznog praha sitnih čestica (promjera 5 μm) pri 250°C, dok je aktivnost pri 200°C bila više od 100 puta veća.

Primjeri ultrazvučno pripremljenih katalizatora:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Regeneracija katalizatora

Iako se katalizatori ne troše tijekom kemijskih reakcija, njihova aktivnost i učinkovitost mogu se smanjiti zbog aglomeracije i onečišćenja naslagama. Stoga se može primijetiti da katalizatori u početku pokazuju visoku katalitičku aktivnost i selektivnost prema oksigenatima. Međutim, tijekom reakcije može doći do degradacije katalizatora zbog agregacije. Ultrazvučnim ozračivanjem katalizatori se mogu regenerirati jer kavitacijske sile dispergiraju čestice i uklanjaju naslage s površine.

Pranje ugljena: ultrazvučno uklanjanje pepela i odsumporavanje

Ultrazvučno kondicioniranje može poboljšati učinkovitost metoda flotacije ugljena koje se upotrebljavaju za odsumporavanje i uklanjanje pepela. Najveća prednost ultrazvučne metode jest istodobno uklanjanje pepela i sumpora.[1] Ultrazvuk i njegovo akustičko strujanje dobro su poznati po svojim učincima na čestice. Ultrazvuk velike snage deaglomerira i dispergira čestice ugljena te polira njihovu površinu. Nadalje, ultrazvuk čisti matricu ugljena uklanjanjem sumpora i pepela.
Pri kondicioniranju struje pulpe primjenjuje se ultrazvuk velike snage radi poboljšanja uklanjanja pepela i odsumporavanja pulpe. Sonikacija utječe na svojstva pulpe smanjujući sadržaj kisika i međufaznu napetost, uz istodobno povećanje pH-vrijednosti i temperature. Time ultrazvučna obrada ugljena s visokim sadržajem sumpora poboljšava odsumporavanje.

Ultrazvučno potpomognuto smanjenje hidrofobnosti pirita

Kisikovi radikali nastali djelovanjem ultrazvuka prekomjerno oksidiraju površinu pirita i dovode do toga da sumpor prisutan u pulpi poprimi oblik sulfoksidnih jedinica. Time je smanjena hidrofobnost pirita.

Intenzivni uvjeti tijekom urušavanja ultrazvučno stvorenih kavitacijskih mjehurića u tekućinama mogu stvoriti slobodne radikale. To znači da, primjerice, sonikacija vode raskida molekulske veze stvarajući slobodne radikale •OH i •OH.

H₂O → •H + •OH
Nastali slobodni radikali •OH i •H mogu sudjelovati u sekundarnim reakcijama kako slijedi:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Nastali H2O2 nestabilan je i brzo oslobađa nascentni kisik. Stoga se sadržaj kisika u vodi povećava nakon ultrazvučnog kondicioniranja. Nascentni kisik, koji je vrlo aktivan, može reagirati s mineralnim česticama prisutnima u pulpi i smanjiti sadržaj kisika u pulpi.
Oksidacija pirita (FeS₂) nastaje zbog reakcije O₂ s FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Ekstrakcija ugljena

Za ekstrakciju ugljena upotrebljavaju se otapala koja u odabranim uvjetima ekstrakcije mogu osloboditi vodik za hidrogenaciju ugljena. Tetralin je provjereno otapalo koje se tijekom ekstrakcije oksidira u naftalen. Naftalen se može odvojiti i hidrogenacijom ponovno pretvoriti u tetralin. Proces se provodi pod tlakom pri određenim temperaturama, ovisno o vrsti ugljena, uz vrijeme zadržavanja od oko tri sata.

Ultrazvučna reaktivacija oksidiranih čestica ugljena

Pjenasta flotacija proces je odvajanja koji se upotrebljava za pročišćavanje i oplemenjivanje ugljena iskorištavanjem razlika u hidrofobnosti.
Oksidirani ugljen teško flotira jer se povećava hidrofilnost površine ugljena. Kisik vezan na površinu ugljena tvori polarne fenolne (-OH), karbonilne (-C=O) i karboksilne (-COOH) skupine koje pojačavaju hidrataciju površine ugljena i time povećavaju njezinu hidrofilnost, sprječavajući adsorpciju flotacijskih reagensa.
Ultrazvučna obrada čestica može se upotrijebiti za uklanjanje oksidacijskih slojeva s čestica ugljena kako bi se površina oksidiranih čestica ugljena ponovno aktivirala.

Goriva ugljen–voda–ulje i ugljen–voda

Ultrazvučno mljevenje i dispergiranje upotrebljavaju se za dobivanje suspenzija sitnih čestica ugljena u vodi ili ulju. Sonikacijom se dobiva fina disperzija čestica, a time i stabilna suspenzija. (Za dugotrajnu stabilnost može biti potreban dodatak stabilizatora.) Prisutnost vode u tim gorivima ugljen–voda i ugljen–voda–ulje omogućuje potpunije izgaranje i smanjuje štetne emisije. Nadalje, ugljen dispergiran u vodi postaje otporan na eksploziju, što olakšava rukovanje.

Izvori i literatura

1. Ambedkar, B. (2012.): Ultrazvučno ispiranje ugljena za uklanjanje pepeljenja i odsumporavanje: Eksperimentalno istraživanje i mehaničko modeliranje. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Učinci promjena u prirodi pulpe nakon ultrazvučnog kondicioniranja na flotaciju ugljena s visokim sadržajem sumpora. Rudarska znanost i tehnologija 19, 2009. 498-502.