Ultrahangos szénkezelések energiatermeléshez

A szénszuszpenziók ultrahangos kezelése a szénből történő energiatermelés különböző folyamatait segíti. Az ultrahang elősegíti a katalitikus hidrogénezést a szén cseppfolyósítása során. Ezenkívül az ultrahangos kezelés javíthatja a szén felületét és extrahálhatóságát. A hamu- és kénmentesítés során fellépő nemkívánatos kémiai mellékreakciók elkerülhetők – így a folyamat sokkal rövidebb idő alatt végrehajtható. Az ultrahangos kezelés még a habflotációs elválasztás során is jelentősen javíthatja a részecskék finom diszpergálását.

Széncseppfolyósítás / Szénből folyékony üzemanyag előállítása

A szénből ipari méretekben folyékony üzemanyagok állíthatók elő a „széncseppfolyósítás” eljárásával. A széncseppfolyósítás két úton valósítható meg – közvetlen (DCL) és közvetett cseppfolyósítással (ICL).
Míg a közvetett cseppfolyósítás általában a szén elgázosítását foglalja magában, a közvetlen cseppfolyósítási folyamat közvetlenül folyadékká alakítja a szenet. Ehhez oldószereket (e.g. tetralin) vagy katalizátorokat (e.g. MoS₂) alkalmaznak megnövelt nyomással és hőmérséklettel együtt a szén szerves szerkezetének lebontására. Mivel a folyékony szénhidrogének hidrogén–szén mólaránya általában nagyobb, mint a széné, mind az ICL-, mind a DCL-technológiákban hidrogénezési vagy széneltávolítási folyamatra van szükség.

Közvetlen széncseppfolyósítás

A vizsgálatok kimutatták, hogy az ultrahanggal előkezelt szenek közvetlen cseppfolyósítása jelentősen javítható. Három különböző típusú, alacsonyabb szénültségi fokú bitumenes szenet kezeltek ultrahanggal oldószerben. Az ultrahang által kiváltott duzzadás és diszpergálás számottevően nagyobb cseppfolyósítási hozamot eredményezett.

Közvetett széncseppfolyósítás

A szén közvetett széncseppfolyósítási (ICL) eljárásokkal folyékony üzemanyagokká alakítható: az elgázosítást követően a szintézisgázt katalitikusan tiszta szénhidrogénekké és oxigéntartalmú közlekedési üzemanyagokká, például metanollá, dimetil-éterré, illetve Fischer-Tropsch-féle dízel- vagy benzinszerű üzemanyagokká alakítják. A Fischer-Tropsch-szintézis katalizátorok, például vasalapú katalizátorok alkalmazását igényli. Az ultrahangos részecske-aprítás révén a katalizátorok hatékonysága jelentősen javítható.

Katalizátorok ultrahangos aktiválása

Ultrahangos kezeléssel a részecskék diszpergálhatók, deagglomerálhatók és apríthatók – ez nagyobb részecskefelületet eredményez. A katalizátorok esetében ez nagyobb aktív felületet jelent, ami növeli a részecskék katalitikus reakcióképességét.
Példa: nanoméretű Fe-katalizátor
A szonokémiai úton előállított nanofázisú vas aktív katalizátora a CO Fischer–Tropsch-hidrogénezésének, valamint az alkánok hidrogenolízisének és dehidrogénezésének, elsősorban nagy felületének (>120mg^-1) köszönhetően. A CO és a H₂ kis molekulatömegű alkánokká történő átalakulásának sebessége 250°C-on egy gramm Fe-re vetítve körülbelül 20-szor nagyobb volt, mint a kereskedelmi forgalomban kapható, finom szemcsés (5 μm átmérőjű) vaspor esetében, 200°C-on pedig az aktivitás több mint 100-szor nagyobb volt.

Példák ultrahanggal előállított katalizátorokra:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Katalizátorok regenerálása

Bár a katalizátorok nem fogynak el a kémiai reakciók során, aktivitásuk és hatékonyságuk csökkenhet az agglomeráció és a felületi szennyeződés miatt. Így megfigyelhető, hogy a katalizátorok kezdetben nagy katalitikus aktivitást és az oxigéntartalmú vegyületekre nézve nagy szelektivitást mutatnak. A reakció során azonban az aggregáció miatt a katalizátorok állapota romolhat. Ultrahangos besugárzással a katalizátorok regenerálhatók, mivel a kavitációs erők diszpergálják a részecskéket, és eltávolítják a lerakódásokat a felületről.

Szénmosás: ultrahangos hamu- és kénmentesítés

Az ultrahangos kondicionálás javíthatja a kén- és hamumentesítésre alkalmazott szénflotációs módszerek teljesítményét. Az ultrahangos módszer legnagyobb előnye a hamu és a kén egyidejű eltávolítása.[1] Az ultrahang és az általa keltett akusztikus áramlás részecskékre gyakorolt hatásai jól ismertek. A nagy teljesítményű ultrahang deagglomerálja és diszpergálja a szénrészecskéket, és polírozza a felületüket. Ezenkívül az ultrahang a kén és a hamu eltávolításával megtisztítja a szénmátrixot.
A zagyáram kondicionálásához nagy teljesítményű ultrahangot alkalmaznak a zagy hamu- és kénmentesítésének javítására. Az ultrahangos kezelés befolyásolja a zagy tulajdonságait: csökkenti az oxigéntartalmat és a határfelületi feszültséget, miközben növeli a pH-értéket és a hőmérsékletet. Ezáltal a nagy kéntartalmú szén ultrahangos kezelése javítja a kénmentesítést.

A pirit hidrofóbitásának ultrahanggal segített csökkentése

Az ultrahanggal létrehozott oxigéngyökök túloxidálják a pirit felületét, és hatásukra a zagyban jelen lévő kén szulfoxidegységek formájában jelenik meg. Ez csökkentette a pirit hidrofóbitását.

A folyadékokban ultrahanggal létrehozott kavitációs buborékok összeomlása során kialakuló intenzív körülmények szabad gyököket hozhatnak létre. Ez azt jelenti, hogy például a víz ultrahangos kezelése felbontja a molekulák kötéseit, és •OH és •OH szabad gyököket hoz létre.

H₂O → •H + •OH
A keletkező •OH és •H szabad gyökök az alábbi másodlagos reakciókban vehetnek részt:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
A keletkező H2O2 instabil, és gyorsan naszcens oxigént szabadít fel. Ezért az ultrahangos kondicionálás után megnő a víz oxigéntartalma. A rendkívül aktív naszcens oxigén reakcióba léphet a zagyban jelen lévő ásványi részecskékkel, és csökkentheti a zagy oxigéntartalmát.
A pirit (FeS₂) oxidációját az O₂ reakciója okozza a következő vegyülettel: FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Szénextrakció

A szénextrakcióhoz olyan oldószereket használnak, amelyek a választott extrakciós körülmények között hidrogént képesek felszabadítani a szén hidrogénezéséhez. A tetralin bevált oldószer, amely az extrakció során naftalinná oxidálódik. A naftalin elválasztható, és hidrogénezéssel ismét tetralinná alakítható. A folyamatot nyomás alatt, a szén típusától függő meghatározott hőmérsékleten, körülbelül háromórás tartózkodási idővel végzik.

Oxidált szénrészecskék ultrahangos reaktiválása

A habflotáció olyan elválasztási eljárás, amelyet a szén tisztítására és dúsítására használnak a hidrofóbitásbeli különbségek kihasználásával.
Az oxidált szenek nehezen flotálhatók, mivel a szénfelület hidrofilitása megnő. A szén felületéhez kötődő oxigén poláris fenol- (-OH), karbonil- (-C=O) és karboxilcsoportokat (-COOH) hoz létre, amelyek fokozzák a szénfelület hidratációját, és ezáltal növelik annak hidrofilitását, megakadályozva a flotációs reagensek adszorpcióját.
Az ultrahangos részecskekezelés alkalmazható az oxidációs rétegek eltávolítására a szénrészecskékről, így az oxidált szénrészecskék felülete újra aktiválható.

Szén–víz–olaj és szén–víz tüzelőanyagok

Ultrahangos őrlést és diszpergálást alkalmaznak a szénrészecskék finom szemcsés szuszpenzióinak előállítására vízben vagy olajban. Az ultrahangos kezelés finom részecskediszperziót, ezáltal stabil szuszpenziót hoz létre. (A hosszú távú stabilitáshoz stabilizátor hozzáadására lehet szükség.) A víz jelenléte ezekben a szén–víz és szén–víz–olaj tüzelőanyagokban teljesebb égést eredményez, és csökkenti a káros kibocsátásokat. Ezenkívül a vízben diszpergált szén robbanásbiztossá válik, ami megkönnyíti a kezelését.

Hivatkozások és szakirodalom

1. Ámbédkar, B. (2012): Ultrahangos szénmosás hamumentesítéshez és kéntelenítéshez: kísérleti vizsgálat és mechanisztikus modellezés. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): A cellulóz természetének változásaiból eredő hatások ultrahangos kondicionálás után a magas kéntartalmú szén lebegésére. Bányászati tudomány és technológia 19, 2009. 498-502.