Trattamenti a ultrasuoni del carbone per la produzione di energia

La sonicazione delle sospensioni di carbone contribuisce a diversi processi nella produzione di energia dal carbone. Gli ultrasuoni favoriscono l’idrogenazione catalitica durante la liquefazione del carbone. Inoltre, la sonicazione può migliorare l’area superficiale e l’estraibilità del carbone. È possibile evitare reazioni chimiche secondarie indesiderate durante la rimozione delle ceneri e la desolforazione – completando il processo in molto meno tempo. Anche durante il processo di separazione mediante flottazione a schiuma, la dispersione delle particelle fini può essere notevolmente migliorata mediante sonicazione.

Liquefazione del carbone/ Processo di conversione del carbone in liquidi

I combustibili liquidi possono essere prodotti industrialmente dal carbone mediante il processo di “liquefazione del carbone”. La liquefazione del carbone può essere ottenuta attraverso due vie – la liquefazione diretta (DCL) e quella indiretta (ICL).
Mentre la liquefazione indiretta comporta generalmente la gassificazione del carbone, il processo di liquefazione diretta converte il carbone direttamente in liquido. Pertanto, si utilizzano solventi (e.g. tetralina) o catalizzatori (e.g. MoS₂) in combinazione con pressioni e temperature elevate per disgregare la struttura organica del carbone. Poiché gli idrocarburi liquidi hanno generalmente un rapporto molare idrogeno-carbonio superiore a quello del carbone, entrambe le tecnologie ICL e DCL richiedono un processo di idrogenazione o di eliminazione del carbonio.

Liquefazione diretta del carbone

Gli studi hanno dimostrato che la liquefazione diretta dei carboni pretrattati con ultrasuoni può essere migliorata notevolmente. Tre diversi tipi di carbone bituminoso di rango inferiore sono stati sottoposti a sonicazione in un solvente. Il rigonfiamento e la dispersione indotti dagli ultrasuoni hanno determinato rese di liquefazione notevolmente superiori.

Liquefazione indiretta del carbone

Il carbone può essere convertito in combustibili liquidi mediante processi di liquefazione indiretta del carbone (ICL), attraverso la gassificazione seguita dalla conversione catalitica del gas di sintesi in idrocarburi puliti e combustibili ossigenati per il trasporto, come metanolo, dimetiletere e combustibili simili al gasolio o alla benzina ottenuti mediante il processo Fischer-Tropsch. La sintesi Fischer-Tropsch richiede l’impiego di catalizzatori, come quelli a base di ferro. Mediante la frammentazione delle particelle con ultrasuoni, l’efficienza dei catalizzatori può essere notevolmente migliorata.

Attivazione dei catalizzatori mediante ultrasuoni

Mediante il trattamento a ultrasuoni, le particelle possono essere disperse, deagglomerate e frammentate – ottenendo una maggiore area superficiale delle particelle. Per i catalizzatori, ciò significa una maggiore superficie attiva, che aumenta la reattività catalitica delle particelle.
Esempio: catalizzatore di Fe su scala nanometrica
Il ferro nanofasico preparato per via sonochimica è un catalizzatore attivo per l’idrogenazione Fischer–Tropsch del CO e per l’idrogenolisi e la deidrogenazione degli alcani, principalmente grazie alla sua elevata area superficiale (>120mg^-1). Le velocità di conversione di CO e H₂ in alcani a basso peso molecolare erano circa 20 volte superiori per grammo di Fe rispetto a quelle della polvere di ferro commerciale a particelle fini (diametro di 5 μm) a 250°C, mentre a 200°C l’attività era oltre 100 volte superiore.

Esempi di catalizzatori preparati mediante ultrasuoni:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Rigenerazione dei catalizzatori

Sebbene i catalizzatori non vengano consumati durante le reazioni chimiche, la loro attività e la loro efficienza possono diminuire a causa dell’agglomerazione e dell’incrostazione. Si può quindi osservare che i catalizzatori mostrano inizialmente un’elevata attività catalitica e un’elevata selettività verso i composti ossigenati. Tuttavia, durante la reazione può verificarsi una degradazione dei catalizzatori dovuta all’aggregazione. Mediante irradiazione ultrasonica, i catalizzatori possono essere rigenerati, poiché le forze cavitazionali disperdono le particelle e rimuovono i depositi dalla superficie.

Lavaggio del carbone: rimozione delle ceneri e desolforazione mediante ultrasuoni

Il condizionamento a ultrasuoni può migliorare le prestazioni dei metodi di flottazione del carbone, utilizzati per la desolforazione e la rimozione delle ceneri. Il principale vantaggio del metodo a ultrasuoni è la rimozione simultanea delle ceneri e dello zolfo.[1] Gli ultrasuoni e le correnti acustiche da essi generate sono ben noti per i loro effetti sulle particelle. Gli ultrasuoni di potenza deagglomerano e disperdono le particelle di carbone e ne levigano la superficie. Inoltre, gli ultrasuoni puliscono la matrice del carbone, rimuovendo zolfo e ceneri.
Gli ultrasuoni ad alta potenza vengono applicati per condizionare il flusso della sospensione e migliorarne la rimozione delle ceneri e la desolforazione. La sonicazione modifica le caratteristiche della sospensione riducendo il contenuto di ossigeno e la tensione interfacciale, mentre aumenta il valore del pH e la temperatura. In questo modo, il trattamento a ultrasuoni del carbone ad alto tenore di zolfo migliora la desolforazione.

Riduzione dell’idrofobicità della pirite assistita da ultrasuoni

I radicali dell’ossigeno generati mediante ultrasuoni provocano una sovraossidazione della superficie della pirite e fanno sì che lo zolfo presente nella sospensione risulti sotto forma di unità solfossidiche. Ciò ha ridotto l’idrofobicità della pirite.

Le condizioni intense durante il collasso delle bolle di cavitazione generate mediante ultrasuoni nei liquidi possono creare radicali liberi. Ciò significa che, ad esempio, la sonicazione dell’acqua rompe i legami molecolari producendo radicali liberi •OH e •OH.

H₂O → •H + •OH
I radicali liberi •OH e •H generati possono subire reazioni secondarie, come segue:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
L’H2O2 prodotto è instabile e libera rapidamente ossigeno nascente. Pertanto, il contenuto di ossigeno nell’acqua aumenta dopo il condizionamento a ultrasuoni. L’ossigeno nascente, essendo altamente attivo, può reagire con le particelle minerali presenti nella sospensione e ridurne il contenuto di ossigeno.
L’ossidazione della pirite (FeS₂) avviene per effetto della reazione di O₂ con FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Estrazione del carbone

Per l’estrazione del carbone si utilizzano solventi in grado di rilasciare, nelle condizioni di estrazione prescelte, idrogeno per l’idrogenazione del carbone. La tetralina è un solvente di comprovata efficacia, che durante l’estrazione viene ossidato a naftalene. Il naftalene può essere separato e riconvertito in tetralina mediante idrogenazione. Il processo viene condotto sotto pressione a temperature specifiche, a seconda del tipo di carbone, con tempi di permanenza di circa tre ore.

Riattivazione mediante ultrasuoni delle particelle di carbone ossidate

La flottazione a schiuma è un processo di separazione utilizzato per purificare e arricchire il carbone sfruttando le differenze di idrofobicità.
I carboni ossidati sono difficili da separare mediante flottazione, poiché aumenta l’idrofilia della superficie del carbone. L’ossigeno legato alla superficie del carbone forma gruppi polari fenolici (-OH), carbonilici (-C=O) e carbossilici (-COOH), che favoriscono l’idratazione della superficie del carbone e ne aumentano quindi l’idrofilia, impedendo l’adsorbimento dei reagenti di flottazione.
Un trattamento delle particelle mediante ultrasuoni può essere utilizzato per rimuovere gli strati di ossidazione dalle particelle di carbone, riattivando così la superficie delle particelle di carbone ossidate.

Combustibili carbone-acqua-olio e carbone-acqua

La macinazione e la dispersione mediante ultrasuoni vengono utilizzate per produrre sospensioni di particelle fini di carbone in acqua o olio. La sonicazione genera una dispersione di particelle fini e, di conseguenza, una sospensione stabile. (Per una stabilità a lungo termine, potrebbe essere necessaria l’aggiunta di uno stabilizzante.) La presenza di acqua in questi combustibili carbone-acqua e carbone-acqua-olio determina una combustione più completa e riduce le emissioni nocive. Inoltre, il carbone disperso in acqua diventa a prova di esplosione, facilitandone la manipolazione.

Riferimenti bibliografici

1. Ambedkar, B. (2012): Lavaggio del carbone a ultrasuoni per la de-aspirazione e la de-solfurizzazione: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Effects from changes in pulp nature after ultrasonic conditioning on high-sulfur coal floatation. Mining Science and Technology 19, 2009. 498–502.