Ultrazvučni tretmani ugljenom za proizvodnju energije
Sonikacija ugljenih mulja pridonosi raznim procesima tijekom proizvodnje energije iz ugljena. Ultrazvuk potiče katalitičku hidrogenaciju tijekom ukapljivanja ugljena. Nadalje, ultrazvuk može poboljšati površinu i ekstrakciju ugljena. Mogu se izbjeći neželjene kemijske popratne reakcije tijekom uklanjanja pepela i odsumporavanja – postizanje procesa u mnogo kraćem vremenu. Čak i tijekom procesa odvajanja putem pjenaste flotacije, fina disperzija čestica može se značajno poboljšati sonikacijom.
Ukapljivanje ugljena/proces pretvaranja ugljena u tekućinu
Tekuća goriva mogu se industrijski proizvesti iz ugljena postupkom “ukapljivanje ugljena”. Ukapljivanje ugljena može se postići na dva načina – izravno (DCL) i neizravno ukapljivanje (ICL).
Dok neizravno ukapljivanje općenito uključuje rasplinjavanje ugljena, izravni proces ukapljivanja pretvara ugljen izravno u tekućinu. Stoga, otapala (npr. tetralin) ili katalizatori (npr. MoS2) koriste se u kombinaciji s povišenim tlakovima i temperaturama za razbijanje organske strukture ugljena. Budući da tekući ugljikovodici općenito imaju veći molarni omjer vodik-ugljik od ugljena, potreban je postupak hidrogenacije ili odbacivanja ugljika u ICL i DCL tehnologijama.
Izravno ukapljivanje ugljena
Studije su pokazale da se izravno ukapljivanje ugljena ultrazvučno prethodno obrađenih ugljena može znatno poboljšati. Tri različite vrste bitumenskog ugljena nižeg ranga sonikirane su u otapalu. Ultrazvuk je izazvao oteklinu i Raspršivanje rezultiralo je izrazito većim prinosima ukapljivanja.
Neizravno ukapljivanje ugljena
Ugljen se može pretvoriti u tekuća goriva procesima neizravnog ukapljivanja ugljena (ICL) kroz rasplinjavanje nakon čega slijedi katalitička pretvorba sintetičkog plina u čiste ugljikovodike i oksigenirana transportna goriva kao što su metanol, dimetil eter, Fischer-Tropsch dizel ili goriva slična benzinu. Fischer-Tropschova sinteza zahtijeva upotrebu katalizatora poput katalizatora na bazi željeza. Putem ultrazvuka fragmentacija čestica, učinkovitost katalizatora može se značajno poboljšati.

UIP16000 – Najsnažniji ultrazvučni ultrasonicator za teške uvjete rada UIP16000 (16kW)
Ultrazvučna aktivacija katalizatora
Ultrazvučnom obradom čestice se mogu raspršena, deaglomeriran i fragmentirano – što rezultira većom površinom čestica. Za katalizatore to znači veću aktivnu površinu, što povećava katalitičku reaktivnost čestica.
Primjer: Fe katalizator na nano skali
Sonochemically prepared nanophase iron is an active catalyst for the Fischer—Tropsch hydrogenation of CO and for the hydrogenolysis and dehydrogenation of alkanes, mainly due to its high surface area (>120mg-1). Stope konverzije CO i H2 do alkana niske molekularne težine bili su približno 20 puta veći po gramu Fe nego za fine čestice (5 μm promjera) komercijalnog željeznog praha na 250°C i više od 100 puta aktivniji na 200°C.
Primjeri ultrazvučno pripremljenih katalizatora:
npr. MoS2, nano-Fe
Oporaba katalizatora
Iako se katalizatori ne troše tijekom kemijskih reakcija, njihova aktivnost i učinkovitost mogu se smanjiti zbog aglomeracije i onečišćenja. Stoga se može uočiti da katalizatori u početku pokazuju visoku katalitičku aktivnost i selektivnost prema oksigenatu. Međutim, tijekom reakcije može doći do degradacije katalizatora zbog agregacije. Ultrazvučnim zračenjem katalizatori se mogu regenerirati kao kavitacijski snage raspršiti čestice i ukloniti naslage s površine.
Ispiranje ugljena: ultrazvučno uklanjanje pepela i odsumporavanje
Ultrazvučno kondicioniranje može poboljšati učinkovitost metoda flotacije ugljena, koje se koriste za odsumporavanje i uklanjanje pepela. Najveća prednost ultrazvučne metode je istovremeno uklanjanje pepela i sumpora.[1] Ultrazvuk i njegovo akustično strujanje dobro su poznati po svojim učincima na čestice. Snažni ultrazvuk deaglomerira i raspršuje čestice ugljena te polira njihovu površinu. Nadalje, ultrazvuk čisti matricu ugljena uklanjajući sumpor i pepeo.
Kondicioniranjem struje pulpe primjenjuje se ultrazvuk velike snage za poboljšanje uklanjanja pepela i desulfurizacije pulpe. Sonikacija utječe na prirodu pulpe smanjujući sadržaj kisika i međupovršinsku napetost, dok povećava pH vrijednost i temperaturu. Na taj način, ultrazvučna obrada ugljena s visokim sadržajem sumpora poboljšava odsumporavanje.
Ultrazvučno potpomognuto smanjenje hidrofobnosti pirita
Ultrazvučno generirani radikali kisika prekomjerno oksidiraju površinu pirita i čine da se sumpor koji postoji u pulpi čini u obliku sulfoksidnih jedinica. Ovo je smanjilo hidrofobnost pirita.
Intenzivni uvjeti tijekom kolapsa ultrazvučno generiranih kavitacija mjehurići u tekućinama mogu stvoriti slobodne radikale. To znači da npr. ultrazvuk vode razbija veze molekula stvarajući slobodne radikale •OH i •OH.
Stvoreni •OH i •H slobodni radikali mogu proći kroz sekundarne reakcije, kako slijedi:
•OH + •OH → H2O2
•HO2 + •HO2 → H2O2 + O2
Proizvedeni H2O2 je nestabilan i brzo oslobađa nastali kisik. Tako se sadržaj kisika u vodi povećava nakon ultrazvučnog kondicioniranja. Nastali kisik, budući da je vrlo aktivan, može reagirati s mineralnim česticama koje postoje u pulpi i smanjiti sadržaj kisika u pulpi.
Oksidacija pirita (FeS2) nastaje zbog reakcije O2 s FeS-om2.
FeS + 2O2 + 2H2O = Fe(OH)2 + H2TAKO4
2FeS + 2O2 + 2H+ = 2Fe2+ + S2O2- + H2O
vađenje ugljena
Za ekstrakciju ugljena koriste se otapala koja mogu u odabranim uvjetima ekstrakcije oslobađati vodik za hidrogenaciju ugljena. Tetralin je dokazano otapalo koje se tijekom ekstrakcije oksidira u naftalen. Naftalen se može odvojiti i pretvoriti ponovnim hidrogeniranjem u tetralin. Proces se odvija pod pritiskom na određenim temperaturama ovisno o vrsti ugljena i vremenu zadržavanja od oko tri sata.
Ultrazvučna reaktivacija oksidiranih čestica ugljena
Pjenasta flotacija je proces odvajanja koji se koristi za pročišćavanje i oplemenjivanje ugljena iskorištavanjem prednosti razlika u njihovoj hidrofobnosti.
Oksidirani ugljen je teško plutati, jer se povećava hidrofilnost površine ugljena. Vezani kisik na površini ugljena tvori polarne fenolne (-OH), karbonilne (-C=O) i karboksilne (-COOH) skupine, koje pojačavaju hidrataciju površine ugljena i time povećavaju njegovu hidrofilnost, sprječavajući flotacijske reagense biti adsorbirana.
Ultrazvučni obrada česticama može se koristiti za uklanjanje oksidacijskih slojeva s čestica ugljena tako da se površina oksidiranih čestica ugljena ponovno aktivira.
Ugljen-voda-nafta i goriva ugljen-voda
ultrazvučni Mljevenje i Raspršivanje koristi se za stvaranje kaše sitnih čestica ugljena u vodi ili ulju. Ultrazvučnom obradom stvara se disperzija čestica fine veličine, a time i stabilna suspenzija. (Za dugotrajnu stabilnost može biti potreban dodatak stabilizatora.) Prisutnost vode u ovim gorivima ugljen-voda i ugljen-voda-ulje rezultira potpunijim izgaranjem i smanjuje štetne emisije. Nadalje, ugljen raspršen u vodi postaje otporan na eksploziju što olakšava rukovanje.
Referenca/ Literatura
- Ambedkar, B. (2012.): Ultrazvučno ispiranje ugljena za uklanjanje pepeljenja i odsumporavanje: Eksperimentalno istraživanje i mehaničko modeliranje. Springer, 2012.
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvučni homogenizatori tkiva često se nazivaju probe sonicator, sonic lyser, ultrazvučni disruptor, ultrasonic brusilica, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, cell disruptor, ultrasonic disperser ili dissolver. Različiti uvjeti proizlaze iz različitih primjena koje se mogu ispuniti sonikacijom.