Ածխի ուլտրաձայնային մշակումը էներգիայի արտադրության համար

Ածխային խյուսերի ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է ածխից էներգիայի արտադրության տարբեր գործընթացներին։ Ուլտրաձայնը խթանում է կատալիտիկ հիդրոգենացումը ածխի հեղուկացման ընթացքում։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային մշակումը կարող է մեծացնել ածխի մակերեսի մակերեսը և բարելավել դրա էքստրակցելիությունը։ Մոխրազերծման և ծծմբազերծման ընթացքում հնարավոր է խուսափել անցանկալի քիմիական կողմնակի ռեակցիաներից՝ գործընթացն իրականացնելով շատ ավելի կարճ ժամանակում։ Նույնիսկ փրփրային ֆլոտացիայի միջոցով բաժանման ընթացքում մասնիկների մանրաչափ դիսպերսումը կարող է զգալիորեն բարելավվել ուլտրաձայնային մշակմամբ։

Ածխի հեղուկացում / ածուխը հեղուկի վերածելու գործընթաց

Հեղուկ վառելիքները կարող են արդյունաբերական եղանակով ստացվել ածխից՝ «ածխի հեղուկացում» կոչվող գործընթացով։ Ածխի հեղուկացումը կարող է իրականացվել երկու ուղիով՝ ուղղակի հեղուկացմամբ (DCL) և անուղղակի հեղուկացմամբ (ICL)։
Մինչ անուղղակի հեղուկացումն ընդհանուր առմամբ ներառում է ածխի գազաֆիկացումը, ուղղակի հեղուկացման գործընթացն ածուխն անմիջապես վերածում է հեղուկի։ Ուստի ածխի օրգանական կառուցվածքը քայքայելու համար բարձր ճնշումների և ջերմաստիճանների հետ համատեղ օգտագործվում են լուծիչներ (e.g. տետրալին) կամ կատալիզատորներ (e.g. MoS₂)։ Քանի որ հեղուկ ածխաջրածիններում ջրածնի և ածխածնի մոլային հարաբերակցությունն ընդհանուր առմամբ ավելի բարձր է, քան ածխում, թե՛ ICL, թե՛ DCL տեխնոլոգիաներում պահանջվում է հիդրոգենացման կամ ածխածնի հեռացման գործընթաց։

Ածխի ուղղակի հեղուկացում

Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնով նախապես մշակված ածուխների ուղղակի հեղուկացումը կարող է զգալիորեն բարելավվել։ Ավելի ցածր ածխացման աստիճան ունեցող բիտումային ածխի երեք տարբեր տեսակներ ուլտրաձայնով մշակվել են լուծիչի մեջ։ Ուլտրաձայնով առաջացած ուռչումը և դիսպերսումը հանգեցրել են հեղուկացման զգալիորեն ավելի բարձր ելքերի։

Ածխի անուղղակի հեղուկացում

Ածուխը կարող է վերածվել հեղուկ վառելիքների ածխի անուղղակի հեղուկացման (ICL) գործընթացներով՝ գազաֆիկացման և դրան հաջորդող սինթեզ-գազի կատալիտիկ փոխակերպման միջոցով՝ ստանալով մաքուր ածխաջրածիններ և տրանսպորտային միջոցների համար նախատեսված թթվածին պարունակող վառելիքներ, ինչպիսիք են մեթանոլը, դիմեթիլեթերը, Ֆիշեր–Տրոպշի դիզելային կամ բենզինանման վառելիքները։ Ֆիշեր–Տրոպշի սինթեզը պահանջում է կատալիզատորների, օրինակ՝ երկաթի հիմքով կատալիզատորների օգտագործում։ Մասնիկների ուլտրաձայնային բեկատման միջոցով կատալիզատորների արդյունավետությունը կարող է զգալիորեն բարելավվել։

Կատալիզատորների ուլտրաձայնային ակտիվացում

Ուլտրաձայնային մշակմամբ մասնիկները կարող են դիսպերսվել, ապաագլոմերացվել և բեկատվել – ինչի արդյունքում մեծանում է մասնիկների մակերեսը։ Կատալիզատորների դեպքում սա նշանակում է ավելի մեծ ակտիվ մակերես, որը բարձրացնում է մասնիկների կատալիտիկ ռեակցիոնունակությունը։
Օրինակ՝ նանոմասշտաբային Fe կատալիզատոր
Սոնոքիմիական եղանակով ստացված նանոֆազային երկաթն ակտիվ կատալիզատոր է CO միացության Ֆիշեր–Տրոպշի հիդրոգենացման, ինչպես նաև ալկանների հիդրոգենոլիզի և դեհիդրոգենացման համար՝ հիմնականում իր մեծ մակերեսի շնորհիվ (>120mg^-1)։ CO և H₂ միացություններից ցածր մոլեկուլային զանգվածով ալկանների առաջացման փոխակերպման արագությունները, մեկ գրամ Fe հաշվով, 250°C ջերմաստիճանում մոտավորապես 20 անգամ ավելի բարձր էին, քան մանր մասնիկներով (5 μm տրամագծով) առևտրային երկաթի փոշու դեպքում, իսկ 200°C ջերմաստիճանում ակտիվությունն ավելի քան 100 անգամ բարձր էր։

Ուլտրաձայնով պատրաստված կատալիզատորների օրինակներ՝
e.g. MoS₂, նանո-Fe

Կատալիզատորների վերականգնում

Թեև կատալիզատորները քիմիական ռեակցիաների ընթացքում չեն սպառվում, դրանց ակտիվությունն ու արդյունավետությունը կարող են նվազել ագլոմերացման և աղտոտման պատճառով։ Ուստի կարելի է նկատել, որ կատալիզատորները սկզբում ցուցաբերում են բարձր կատալիտիկ ակտիվություն և թթվածին պարունակող միացությունների նկատմամբ ընտրողականություն։ Սակայն ռեակցիայի ընթացքում ագրեգացման պատճառով կարող է տեղի ունենալ կատալիզատորների քայքայում։ Ուլտրաձայնային ճառագայթմամբ կատալիզատորները կարող են վերականգնվել, քանի որ կավիտացիոն ուժերը դիսպերսում են մասնիկները և մակերեսից հեռացնում նստվածքները։

Ածխի լվացում՝ ուլտրաձայնային մոխրազերծում և ծծմբազերծում

Ուլտրաձայնային նախապատրաստումը կարող է բարձրացնել ածխի ֆլոտացիայի մեթոդների արդյունավետությունը, որոնք օգտագործվում են ծծմբազերծման և մոխրազերծման համար։ Ուլտրաձայնային մեթոդի ամենամեծ առավելությունը մոխրի և ծծմբի միաժամանակյա հեռացումն է։[1] Ուլտրաձայնը և դրա ակուստիկ հոսքը լայնորեն հայտնի են մասնիկների վրա իրենց ազդեցությամբ։ Հզոր ուլտրաձայնն ապաագլոմերացնում և դիսպերսում է ածխի մասնիկները և հղկում դրանց մակերեսը։ Բացի այդ, ուլտրաձայնը մաքրում է ածխի մատրիցը՝ հեռացնելով ծծումբն ու մոխիրը։
Պուլպայի հոսքը նախապատրաստելիս բարձր հզորության ուլտրաձայնը կիրառվում է պուլպայի մոխրազերծումն ու ծծմբազերծումը բարելավելու համար։ Ուլտրաձայնային մշակումն ազդում է պուլպայի բնույթի վրա՝ նվազեցնելով թթվածնի պարունակությունն ու միջֆազային լարվածությունը և միաժամանակ բարձրացնելով pH-ի արժեքն ու ջերմաստիճանը։ Այդպիսով, բարձր ծծմբայնությամբ ածխի ուլտրաձայնային մշակումը բարելավում է ծծմբազերծումը։

Պիրիտի հիդրոֆոբության նվազեցում ուլտրաձայնի օժանդակությամբ

Ուլտրաձայնով առաջացած թթվածնային ռադիկալները գերօքսիդացնում են պիրիտի մակերեսը և այնպես են ազդում, որ պուլպայում առկա ծծումբը կարծես հանդես է գալիս սուլֆօքսիդային միավորների ձևով։ Սա նվազեցրել է պիրիտի հիդրոֆոբությունը։

Հեղուկներում ուլտրաձայնով առաջացած կավիտացիոն պղպջակների փլուզման ժամանակ ստեղծվող ինտենսիվ պայմանները կարող են առաջացնել ազատ ռադիկալներ։ Սա նշանակում է, որ, այսինքն, ջրի ուլտրաձայնային մշակումը խզում է մոլեկուլային կապերը՝ առաջացնելով •OH և •OH ազատ ռադիկալներ։

H₂O → •H + •OH
Առաջացած •OH և •H ազատ ռադիկալները կարող են մասնակցել հետևյալ երկրորդային ռեակցիաներին՝
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Ստացված H2O2 միացությունն անկայուն է և արագ անջատում է նորածին թթվածին։ Ուստի ուլտրաձայնային նախապատրաստումից հետո ջրում թթվածնի պարունակությունն աճում է։ Նորածին թթվածինը, լինելով խիստ ակտիվ, կարող է փոխազդել պուլպայում առկա հանքային մասնիկների հետ և նվազեցնել պուլպայի թթվածնի պարունակությունը։
Պիրիտի (FeS₂) օքսիդացումը տեղի է ունենում հետևյալ նյութերի փոխազդեցության հետևանքով՝ O₂ և FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Ածխի էքստրակցիա

Ածխի էքստրակցիայի համար օգտագործվում են լուծիչներ, որոնք էքստրակցիայի ընտրված պայմաններում կարող են ջրածին անջատել ածխի հիդրոգենացման համար։ Տետրալինը փորձով հաստատված լուծիչ է, որն էքստրակցիայի ընթացքում օքսիդանում է՝ վերածվելով նաֆթալինի։ Նաֆթալինը կարող է առանձնացվել և հիդրոգենացմամբ կրկին վերածվել տետրալինի։ Գործընթացն իրականացվում է ճնշման տակ՝ ածխի տեսակից կախված որոշակի ջերմաստիճաններում և մոտ երեք ժամ մնալու տևողությամբ։

Օքսիդացած ածխի մասնիկների ուլտրաձայնային վերաակտիվացում

Փրփրային ֆլոտացիան բաժանման գործընթաց է, որն օգտագործվում է ածուխը մաքրելու և հարստացնելու համար՝ օգտվելով հիդրոֆոբության տարբերություններից։
Օքսիդացած ածուխները դժվար են ֆլոտացվում, քանի որ ածխի մակերեսի հիդրոֆիլությունը մեծանում է։ Ածխի մակերեսին կապված թթվածինը ձևավորում է բևեռային ֆենոլային (-OH), կարբոնիլային (-C=O) և կարբօքսիլային (-COOH) խմբեր, որոնք ուժեղացնում են ածխի մակերեսի հիդրատացումը և այդպիսով մեծացնում դրա հիդրոֆիլությունը՝ կանխելով ֆլոտացիոն ռեագենտների ադսորբումը։
Մասնիկների ուլտրաձայնային մշակումը կարող է կիրառվել ածխի մասնիկներից օքսիդացման շերտերը հեռացնելու համար, որպեսզի օքսիդացած ածխի մասնիկների մակերեսը վերաակտիվացվի։

Ածուխ–ջուր–յուղ և ածուխ–ջուր վառելիքներ

Ուլտրաձայնային աղացումը և դիսպերսումը կիրառվում են ջրում կամ յուղում ածխի մասնիկների մանրաչափ խյուսեր ստանալու համար։ Ուլտրաձայնային մշակմամբ ստեղծվում է մանրաչափ մասնիկների դիսպերսիա և դրանով իսկ՝ կայուն կախույթ։ (Երկարատև կայունության համար կարող է պահանջվել կայունացուցիչի ավելացում։) Այս ածուխ–ջուր և ածուխ–ջուր–յուղ վառելիքներում ջրի առկայությունը հանգեցնում է ավելի ամբողջական այրման և նվազեցնում վնասակար արտանետումները։ Բացի այդ, ջրում դիսպերսված ածուխը դառնում է պայթյունապաշտպան, ինչը հեշտացնում է դրա հետ աշխատանքը։

Հղումներ / գրականություն

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
2. Կանգ, Վ. Սյուն, Հ. Կոնգ, X.; Li, M. (2009). Ազդեցություն pulp բնության փոփոխությունների հետո ուլտրաձայնային կոնդիցիոներների վրա բարձր ծծմբի ածխի floatation. Հանքարդյունաբերության գիտություն և տեխնոլոգիա 19, 2009. 498-502.