Perlakuan Ultrasonik pada Batu Bara untuk Produksi Energi

Sonikasi bubur batu bara berkontribusi pada berbagai proses dalam produksi energi dari batu bara. Ultrasonik mendorong hidrogenasi katalitik selama pencairan batu bara. Selain itu, sonikasi dapat meningkatkan luas permukaan dan kemampuan ekstraksi batu bara. Reaksi samping kimia yang tidak diinginkan selama penghilangan abu dan desulfurisasi dapat dihindari – sehingga proses selesai dalam waktu yang jauh lebih singkat. Bahkan selama proses pemisahan melalui flotasi buih, dispersi partikel berukuran halus dapat ditingkatkan secara signifikan melalui sonikasi.

Pencairan Batu Bara/ Proses Konversi Batu Bara menjadi Cairan

Bahan bakar cair dapat diproduksi secara industri dari batu bara melalui proses “Pencairan Batu Bara”. Pencairan batu bara dapat dilakukan melalui dua jalur – pencairan langsung (DCL) dan tidak langsung (ICL).
Sementara pencairan tidak langsung umumnya melibatkan gasifikasi batu bara, proses pencairan langsung mengubah batu bara secara langsung menjadi cairan. Oleh karena itu, pelarut (e.g. tetralin) atau katalis (e.g. MoS₂) digunakan bersama tekanan dan suhu tinggi untuk memecah struktur organik batu bara. Karena hidrokarbon cair umumnya memiliki rasio molar hidrogen terhadap karbon yang lebih tinggi daripada batu bara, proses hidrogenasi atau penghilangan karbon diperlukan baik dalam teknologi ICL maupun DCL.

Pencairan Batu Bara Langsung

Penelitian telah menunjukkan bahwa pencairan langsung batu bara yang diberi perlakuan awal ultrasonik dapat ditingkatkan secara nyata. Tiga jenis batu bara bituminus berperingkat rendah yang berbeda telah disonikasi dalam pelarut. Pengembangan volume akibat ultrasonik dan pendispersian menghasilkan rendemen pencairan yang jauh lebih tinggi.

Pencairan Batu Bara Tidak Langsung

Batu bara dapat diubah menjadi bahan bakar cair melalui proses pencairan batu bara tidak langsung (ICL) melalui gasifikasi yang diikuti oleh konversi katalitik gas sintesis menjadi hidrokarbon bersih dan bahan bakar transportasi beroksigen seperti metanol, dimetil eter, serta bahan bakar menyerupai diesel atau bensin hasil Fischer-Tropsch. Sintesis Fischer-Tropsch memerlukan penggunaan katalis seperti katalis berbasis besi. Melalui proses ultrasonik berupa fragmentasi partikel, efisiensi katalis dapat ditingkatkan secara signifikan.

Aktivasi Katalis secara Ultrasonik

Dengan perlakuan ultrasonik, partikel dapat didispersikan, dideaglomerasi dan difragmentasi – sehingga menghasilkan luas permukaan partikel yang lebih besar. Bagi katalis, ini berarti luas permukaan aktif yang lebih besar, yang meningkatkan reaktivitas katalitik partikel.
Contoh: Katalis Fe berskala nano
Besi nanofase yang dibuat secara sonokimia merupakan katalis aktif untuk hidrogenasi Fischer–Tropsch pada CO serta untuk hidrogenolisis dan dehidrogenasi alkana, terutama karena luas permukaannya yang tinggi (>120mg^-1). Laju konversi CO dan H₂ menjadi alkana bermassa molekul rendah kira-kira 20 kali lebih tinggi per gram Fe daripada serbuk besi komersial berpartikel halus (diameter 5 μm) pada 250°C dan lebih dari 100 kali lebih aktif pada 200°C.

Contoh katalis yang dibuat secara ultrasonik:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Pemulihan katalis

Meskipun katalis tidak habis selama reaksi kimia, aktivitas dan efisiensinya dapat menurun akibat aglomerasi dan pengotoran. Oleh karena itu, dapat diamati bahwa katalis pada awalnya menunjukkan aktivitas katalitik dan selektivitas terhadap senyawa beroksigen yang tinggi. Namun, selama reaksi, degradasi katalis dapat terjadi akibat agregasi. Dengan iradiasi ultrasonik, katalis dapat diregenerasi karena kavitasi menghasilkan gaya yang mendispersikan partikel dan menghilangkan endapan dari permukaan.

Pencucian Batu Bara: Penghilangan Abu dan Desulfurisasi secara Ultrasonik

Pengondisian ultrasonik dapat meningkatkan kinerja metode flotasi batu bara yang digunakan untuk desulfurisasi dan penghilangan abu. Keuntungan terbesar metode ultrasonik adalah penghilangan abu dan sulfur secara bersamaan.[1] Ultrasonik dan aliran akustiknya dikenal luas karena pengaruhnya terhadap partikel. Ultrasonik berdaya tinggi mendeaglomerasi dan mendispersikan partikel batu bara serta memoles permukaannya. Selain itu, ultrasonik membersihkan matriks batu bara dengan menghilangkan sulfur dan abu.
Melalui pengondisian aliran pulp, ultrasonik berdaya tinggi diterapkan untuk meningkatkan penghilangan abu dan desulfurisasi pulp. Sonikasi memengaruhi sifat pulp dengan menurunkan kandungan oksigen dan tegangan antarmuka, sekaligus meningkatkan nilai pH dan suhu. Dengan demikian, perlakuan ultrasonik pada batu bara berkadar sulfur tinggi meningkatkan desulfurisasi.

Penurunan Hidrofobisitas Pirit dengan Bantuan Ultrasonik

Radikal oksigen yang dihasilkan secara ultrasonik mengoksidasi permukaan pirit secara berlebihan dan membuat sulfur yang ada dalam pulp tampak dalam bentuk unit sulfoksida. Hal ini menurunkan hidrofobisitas pirit.

Kondisi intens selama runtuhnya gelembung kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik dalam cairan mampu menghasilkan radikal bebas. Ini berarti bahwa, misalnya, sonikasi air memutus ikatan molekul sehingga menghasilkan radikal bebas •OH dan •OH.

H₂O → •H + •OH
Radikal bebas •OH dan •H yang dihasilkan dapat mengalami reaksi sekunder sebagai berikut:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
H2O2 yang dihasilkan tidak stabil dan dengan cepat melepaskan oksigen nasen. Dengan demikian, kandungan oksigen dalam air meningkat setelah pengondisian ultrasonik. Oksigen nasen yang sangat aktif dapat bereaksi dengan partikel mineral yang ada dalam pulp dan mengurangi kandungan oksigen pulp.
Oksidasi pirit (FeS₂) terjadi akibat reaksi O₂ dengan FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Ekstraksi Batu Bara

Untuk ekstraksi batu bara, digunakan pelarut yang dapat melepaskan hidrogen untuk hidrogenasi batu bara pada kondisi ekstraksi yang dipilih. Tetralin merupakan pelarut yang telah terbukti, yang teroksidasi menjadi naftalena selama ekstraksi. Naftalena dapat dipisahkan dan diubah kembali menjadi tetralin melalui hidrogenasi. Proses ini dilakukan di bawah tekanan pada suhu tertentu sesuai jenis batu bara dan dengan waktu tinggal sekitar tiga jam.

Reaktivasi Ultrasonik Partikel Batu Bara Teroksidasi

Flotasi buih merupakan proses pemisahan yang digunakan untuk memurnikan dan meningkatkan mutu batu bara dengan memanfaatkan perbedaan hidrofobisitasnya.
Batu bara teroksidasi sulit diapungkan karena hidrofilisitas permukaan batu bara meningkat. Oksigen yang terikat pada permukaan batu bara membentuk gugus polar fenol (-OH), karbonil (-C=O), dan karboksil (-COOH), yang meningkatkan hidrasi permukaan batu bara sehingga meningkatkan hidrofilisitasnya dan mencegah reagen flotasi teradsorpsi.
Proses ultrasonik berupa perlakuan partikel dapat digunakan untuk menghilangkan lapisan oksidasi dari partikel batu bara sehingga permukaan partikel batu bara teroksidasi diaktifkan kembali.

Bahan Bakar Batu Bara-Air-Minyak dan Batu Bara-Air

Secara ultrasonik, penggilingan dan pendispersian digunakan untuk menghasilkan bubur partikel batu bara berukuran halus dalam air atau minyak. Ultrasonikasi menghasilkan dispersi partikel berukuran halus sehingga terbentuk suspensi yang stabil. (Untuk kestabilan jangka panjang, penambahan penstabil mungkin diperlukan.) Keberadaan air dalam bahan bakar batu bara-air dan batu bara-air-minyak ini menghasilkan pembakaran yang lebih sempurna dan mengurangi emisi berbahaya. Selain itu, batu bara yang didispersikan dalam air menjadi tahan ledakan sehingga memudahkan penanganannya.

Referensi / Literatur

1. Ambedkar, B. (2012): Pencucian batubara ultrasonik untuk de-ashing dan de-sulfurisasi: investigasi eksperimental dan pemodelan mekanistik. Musim semi, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Efek dari perubahan sifat pulp setelah pengkondisian ultrasonik pada pelampung batubara sulfur tinggi. Ilmu dan Teknologi Pertambangan 19, 2009. 498-502.