Ultrahangos szénkezelések energiatermeléshez

A szénszuszpenziók szonikálása hozzájárul a szénből történő energiatermelés során a különböző folyamatokhoz. Az ultrahang elősegíti a katalitikus hidrogénezést a szén cseppfolyósítása során. Továbbá, szonikálás javíthatja a felület és a kitermelhetőség szén. A nem kívánt kémiai mellékreakciók a hamutalanítás és kéntelenítés során elkerülhetők – a folyamat sokkal kevesebb idő alatt történő végrehajtása. Még a habos flotációval történő elválasztási folyamat során a részecskék finom méretű diszperziója jelentősen növelhető szonikálással.

Szén cseppfolyósítása / szén-folyadék folyamat

A folyékony tüzelőanyagok iparilag előállíthatók szénből a következő eljárással: “A szén cseppfolyósítása”. A szén cseppfolyósítása két úton érhető el – a közvetlen (DCL) és közvetett cseppfolyósítás (ICL).
Míg a közvetett cseppfolyósítás általában a szén gázosítását foglalja magában, a közvetlen cseppfolyósítási eljárás a szenet közvetlenül folyadékká alakítja. Ezért oldószerek (pl. tetralin) vagy katalizátorok (pl. MoS₂) magas nyomással és hőmérséklettel kombinálva használják a szén szerves szerkezetének lebontására. Mivel a folyékony szénhidrogének általában nagyobb hidrogén-szén moláris aránnyal rendelkeznek, mint a szén, mind az ICL, mind a DCL technológiákban hidrogénezési vagy szén-elutasítási eljárásra van szükség.

Közvetlen széncseppfolyósítás

Tanulmányok kimutatták, hogy az ultrahanggal előkezelt szén közvetlen széncseppfolyósítása jelentősen javítható. Három különböző típusú alacsonyabb rangú bitumenes szenet ultrahanggal kezeltünk oldószerben. Az ultrahang duzzanatot és Szétválogatása figyelemre méltóan magasabb cseppfolyósítási hozamot eredményezett.

A szén közvetett cseppfolyósítása

A szén folyékony tüzelőanyaggá alakítható közvetett széncseppfolyósítási (ICL) folyamatokkal gázosítással, amelyet a szintézisgáz tiszta szénhidrogénekké és oxigénnel ellátott közlekedési üzemanyagokká, például metanollá, dimetil-éterré, Fischer–Tropsch-dízel- vagy benzinszerű üzemanyagokká történő katalitikus átalakítása követ. A Fischer–Tropsch-szintézishez katalizátorok, például vasalapú katalizátorok használata szükséges. Ultrahanggal részecske töredezettség, a katalizátorok hatékonysága jelentősen javítható.

Ultrahangos katalizátor aktiválása

Ultrahangos kezeléssel a részecskék lehetnek Szétszórt, deagglomerált és töredezett – ami magasabb részecskefelületet eredményez. A katalizátorok esetében ez nagyobb aktív felületet jelent, ami növeli a részecskék katalitikus reakcióképességét.
Példa: Nanoméretű Fe katalizátor
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). A CO és H átváltási aránya₂ kis molekulatömegre az alkánok körülbelül 20-szor nagyobbak voltak Fe grammonként, mint a finom részecskék (5 μm átmérőjű) kereskedelmi vaspor esetében 250 °C-on, és több mint 100-szor aktívabbak 200 °C-on.

Példák ultrahanggal előállított katalizátorokra:
pl. MoS₂, nano-Fe

Katalizátor visszanyerése

Annak ellenére, hogy a kémiai reakciók során a katalizátorok nem kerülnek felhasználásra, aktivitásuk és hatékonyságuk csökkenhet az agglomeráció és a szennyeződés miatt. Ezért megfigyelhető, hogy a katalizátorok kezdetben nagy katalitikus aktivitást és oxigenát szelektivitást mutatnak. A reakció során azonban a katalizátorok aggregáció következtében lebomlanak. Az ultrahangos besugárzással katalizátorok regenerálhatók, mint a kavitációs Erők szétszór a részecskéket és távolítsa el a lerakódásokat a felületről.

Szénmosás: ultrahangos hamumentesítés és kéntelenítés

Az ultrahangos kondicionálás javíthatja a szén flotációs módszerek teljesítményét, amelyeket kéntelenítésre és ashingre használnak. Az ultrahangos módszer legnagyobb előnye a hamu és a kén egyidejű eltávolítása. [1] Az ultrahang és akusztikus áramlása jól ismert a részecskékre gyakorolt hatásukról. A teljesítmény ultrahang deagglomerálja és diszpergálja a szénrészecskéket és polírozza felületüket. Továbbá az ultrahang megtisztítja a szénmátrixot, eltávolítva a ként és a hamut.
A cellulózáram kondicionálásával nagy teljesítményű ultrahangot alkalmaznak a cellulóz hamumentesítésének és kéntelenítésének javítására. Az szonikáció befolyásolja a cellulóz természetét azáltal, hogy csökkenti az oxigéntartalmat és a határfelületi feszültséget, miközben növeli a pH-értéket és a hőmérsékletet. Ezáltal a magas kéntartalmú szén ultrahangos kezelése javítja a kéntelenítést.

A pirit hidrofób képességének ultrahanggal segített csökkentése

Az ultrahanggal generált oxigéngyökök túloxidálják a pirit felületét, és a cellulózban lévő ként szulfoxid egységek formájában jelenítik meg. Ez csökkentette a pirit hidrofób jellegét.

Az intenzív körülmények az ultrahanggal generált összeomlás során Kavitáció A folyadékokban lévő buborékok szabad gyököket hozhatnak létre. Ez azt jelenti, hogy azaz a víz szonikálása megszakítja a molekulakötéseket, amelyek szabad gyököket termelnek •OH és •OH.

H₂O → •H + •OH
A keletkező •OH és •H szabad gyökök másodlagos reakciókon mehetnek keresztül, az alábbiak szerint:
•Ó + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•H. O.₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
A termelt H2O2 instabil, és gyorsan üríti ki a születő oxigént. Így a víz oxigéntartalma az ultrahangos kondicionálás után nő. A születő oxigén, mivel nagyon aktív, reakcióba léphet a cellulózban lévő ásványi részecskékkel, és csökkentheti a cellulóz oxigéntartalmát.
A pirit (FeS oxidációja)₂) az O reakciója miatt következik be₂ a FeS-szel₂.
2FeS + 3O₂ + 4 óra₂O = 2Fe(OH)₂ + 2 óra₂ÍGY₃
FeS + 2O₂ + 2 óra₂O = Fe(OH)₂ + Óra₂ÍGY₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + Óra₂O

szénkitermelés

A szénextrakcióhoz olyan oldószereket használnak, amelyek a kiválasztott extrakciós körülmények között hidrogént szabadíthatnak fel a szén hidrogénezéséhez. A tetralin bizonyított oldószer, amely az extrakció során naftalinná oxidálódik. A naftalin leválasztható és átalakítható, ismét tetralinban történő hidrogénezéssel. Az eljárást nyomás alatt, meghatározott hőmérsékleteken hajtjuk végre, a szén típusától és a tartózkodási időtől függően körülbelül három óra.

Az oxidált szénrészecskék ultrahangos reaktiválása

A hab lebegtetése olyan elválasztási folyamat, amelyet a szén tisztítására és javára használnak a hidrofób jelleg különbségeinek kihasználásával.
Az oxidált szenet nehéz lebegni, mivel a szénfelület hidrofilitása nő. A szén felületén lévő oxigén poláris fenol (-OH), karbonil (-C = O) és karboxil (-COOH) csoportokat képez, amelyek fokozzák a szén felületének hidratáltságát, és ezáltal növelik hidrofilitását, megakadályozva a flotációs reagensek adszorbeálódását.
Ultrahangos részecskekezelés felhasználható a szénrészecskék oxidációs rétegeinek eltávolítására, hogy az oxidált szénrészecskék felülete újra aktiválódjon.

Szén-víz-olaj és szén-víz tüzelőanyagok

Ultrahangos Őrlés és Szétválogatása a szénrészecskék finom méretű iszapjának előállítására szolgál vízben vagy olajban. Ultrahangos kezeléssel finom méretű részecske diszperzió és ezáltal stabil szuszpenzió keletkezik. (A hosszú távú stabilitás érdekében szükség lehet stabilizátor hozzáadására.) A víz jelenléte ezekben a szén-víz és szén-víz-olaj tüzelőanyagokban teljesebb égést eredményez és csökkenti a káros kibocsátásokat. Továbbá a vízben diszpergált szén robbanásbiztossá válik, ami megkönnyíti a kezelést.

Referencia/ Irodalom

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.