Trattamenti ultrasonici del carbone per la produzione di energia

La sonicazione degli impasti di carbone contribuisce a vari processi durante la 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 collaterali indesiderate durante il lavaggio e la desolforazione. – per realizzare il processo in tempi molto più brevi. Anche durante il processo di separazione tramite flottazione a schiuma, la dispersione delle particelle di dimensioni fini può essere notevolmente migliorata con la sonicazione.

Liquefazione del carbone/processo di trasformazione del carbone in liquido

I combustibili liquidi possono essere prodotti industrialmente a partire dal carbone mediante il processo di “liquefazione del carbone”. La liquefazione del carbone può essere ottenuta attraverso due vie – la liquefazione diretta (DCL) e indiretta (ICL).
Mentre la liquefazione indiretta prevede generalmente la gassificazione del carbone, il processo di liquefazione diretta converte il carbone direttamente in liquido. Pertanto, i solventi (ad esempio la tetralina) o i catalizzatori (ad esempio MoS₂) vengono utilizzati in combinazione con pressioni e temperature elevate per rompere la struttura organica del carbone. Poiché gli idrocarburi liquidi hanno generalmente un rapporto molare idrogeno-carbonio più elevato rispetto al carbone, è necessario un processo di idrogenazione o di rigetto del carbonio in entrambe le tecnologie ICL e DCL.

Liquefazione diretta del carbone

Gli studi hanno dimostrato che la liquefazione diretta del carbone trattato con ultrasuoni può essere notevolmente migliorata. Tre diversi tipi di carbone bituminoso di rango inferiore sono stati sonicati in solvente. Il rigonfiamento indotto dagli ultrasuoni e la dispersione ha portato a rendimenti di liquefazione notevolmente più elevati.

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 syngas in idrocarburi puliti e carburanti ossigenati per il trasporto, come metanolo, dimetil etere, carburanti Fischer-Tropsch simili al diesel o alla benzina. La sintesi Fischer-Tropsch richiede l'uso di catalizzatori come quelli a base di ferro. Tramite ultrasuoni frammentazione delle particelleL'efficienza dei catalizzatori può essere notevolmente migliorata.

Attivazione del catalizzatore a ultrasuoni

Con il trattamento a ultrasuoni, le particelle possono essere Disperso, deagglomerato e frammentato - con conseguente aumento della superficie 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
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). I tassi di conversione di CO e H₂ agli alcani a basso peso molecolare sono stati circa 20 volte superiori per grammo di Fe rispetto alla polvere di ferro commerciale con particelle di fine (diametro di 5 μm) a 250°C e più di 100 volte più attivi a 200°C.

Esempi di catalizzatori preparati ad ultrasuoni:
ad esempio MoS₂, nano-Fe

Recupero del catalizzatore

Anche se i catalizzatori non vengono consumati durante le reazioni chimiche, la loro attività ed efficienza può diminuire a causa di agglomerazioni e incrostazioni. Pertanto, si può osservare che i catalizzatori mostrano inizialmente un'elevata attività catalitica e selettività degli ossigenati. Tuttavia, durante la reazione può verificarsi una degradazione dei catalizzatori a causa dell'aggregazione. Con l'irradiazione a ultrasuoni i catalizzatori possono essere rigenerati come il cavitazionale forze disperdere le particelle e rimuovere i depositi dalla superficie.

Lavaggio del carbone: De-aspirazione e desolforazione a ultrasuoni

Il condizionamento a ultrasuoni può migliorare le prestazioni dei metodi di flottazione del carbone, utilizzati per la desolforazione e il disincrostamento. Il vantaggio principale del metodo a ultrasuoni è la rimozione simultanea di ceneri e zolfo.[1] Gli ultrasuoni e il loro flusso acustico sono noti per i loro effetti sulle particelle. Gli ultrasuoni di potenza deagglomerano e disperdono le particelle di carbone e ne lucidano la superficie. Inoltre, gli ultrasuoni puliscono la matrice di carbone rimuovendo zolfo e ceneri.
Per condizionare il flusso di pasta, vengono applicati ultrasuoni ad alta potenza per migliorare il lavaggio e la desolforazione della pasta. La sonicazione influenza la natura della pasta diminuendo 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.

Diminuzione dell'idrofobicità della pirite assistita dagli ultrasuoni

I radicali di ossigeno generati dagli ultrasuoni sovra-ossidano la superficie della pirite e fanno apparire lo zolfo presente nella pasta sotto forma di unità di solfossido. Questo riduce l'idrofobicità della pirite.

Le condizioni intense durante il collasso degli ultrasuoni generati cavitazione Le bolle nei liquidi sono in grado di creare radicali liberi. Ciò significa che la sonicazione dell'acqua rompe i legami molecolari producendo radicali liberi di -OH e -OH.

H₂O → -H + -OH
I radicali liberi -OH e -H generati possono subire reazioni secondarie, come di seguito indicato:
-H + O₂ → -HO₂
-OH + -OH → H₂O₂
-HO₂ + -HO₂ → H2O₂ + O₂
L'H2O2 prodotto è instabile e scarica rapidamente l'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 pasta e ridurre il contenuto di ossigeno della pasta.
L'ossidazione della pirite (FeS₂) si verifica a causa della reazione di O₂ con il 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 collaudato, che viene ossidato a naftalina durante l'estrazione. Il naftalene può essere separato e convertito per idrogenazione nuovamente in tetralina. Il processo avviene sotto pressione, a temperature specifiche a seconda del tipo di carbone e con tempi di permanenza di circa tre ore.

Riattivazione a ultrasuoni di particelle di carbone ossidate

La flottazione è un processo di separazione utilizzato per purificare e valorizzare il carbone sfruttando le differenze di idrofobicità.
I carboni ossidati sono difficili da far galleggiare, poiché l'idrofilia della superficie del carbone aumenta. L'ossigeno attaccato sulla superficie del carbone forma gruppi polari fenolici (-OH), carbonilici (-C=O) e carbossilici (-COOH), che aumentano l'idratazione della superficie del carbone e quindi la sua idrofilia, impedendo l'adsorbimento dei reagenti di flottazione.
Un ultrasuoni Trattamento delle particelle può essere utilizzato per rimuovere gli strati di ossidazione dalle particelle di carbone in modo da riattivare la superficie delle particelle di carbone ossidate.

Combustibili carbone-acqua-olio e carbone-acqua

Ultrasuoni rettifica e la dispersione è utilizzato per generare impasti di particelle di carbone di dimensioni fini in acqua o olio. Mediante ultrasuoni, si genera una dispersione di particelle di dimensioni fini e quindi una sospensione stabile. (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 antideflagrante, il che ne facilita la manipolazione.

Riferimento/ Letteratura

1. Ambedkar, B. (2012): Lavaggio del carbone a ultrasuoni per la de-aspirazione e la de-solforazione: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Effetti dei cambiamenti nella natura della pasta dopo il condizionamento a ultrasuoni sulla flottazione del carbone ad alto tenore di zolfo. Scienza e tecnologia mineraria 19, 2009. 498-502.