Trattamenti a ultrasuoni del carbone per la produzione di energia

La sonicazione dei fanghi 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 la superficie e l'estraibilità del carbone. Si possono evitare reazioni chimiche indesiderate durante il de-ashing e la desolforazione. – per portare a termine il processo in molto meno tempo. Anche durante il processo di separazione tramite flottazione della schiuma, la dispersione fine delle particelle può essere notevolmente migliorata dalla sonicazione.

Liquefazione Carbone / Processo da carbone a liquido

Ultrasonication promotes the coal wash, desulfurization, dishing and coal conditioning. (Click to enlarge!)I combustibili liquidi possono essere prodotti industrialmente dal carbone attraverso 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 comporta generalmente la gassificazione del carbone, il processo di liquefazione diretta converte il carbone direttamente in liquido. Pertanto, solventi (ad esempio tetralina) o catalizzatori (ad esempio MoS2) sono 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 sia nelle tecnologie ICL che DCL.

Liquefazione diretta del carbone

Studi hanno dimostrato che la liquefazione diretta del carbone di carbone pretrattato ad ultrasuoni può essere notevolmente migliorata. Tre diversi tipi di carbone bituminoso di qualità inferiore sono stati sonicati in solvente. Gli ultrasuoni hanno indotto gonfiore 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 trasporti come il metanolo, l'etere dimetilico, il diesel Fischer-Tropsch o carburanti simili alla benzina. La sintesi di Fischer-Tropsch richiede l'uso di catalizzatori come i catalizzatori a base di ferro. Tramite ultrasuoni frammentazione delle particellel'efficienza dei catalizzatori può essere notevolmente migliorata.

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Attivazione del catalizzatore a ultrasuoni

Con il trattamento ad ultrasuoni, le particelle possono essere dispersi, deagglomerato e frammentate - con conseguente aumento della superficie delle particelle. Per i catalizzatori, questo significa una superficie attiva più alta, che aumenta la reattività catalitica delle particelle.
Esempio: Catalizzatore di Fe su nanoscala
Il ferro nano-fase preparato sonchimicamente è un catalizzatore attivo per l'idrogenazione di CO di Fischer-Tropsch e per l'idrogenazione e la deidrogenazione degli alcani, soprattutto grazie alla sua elevata superficie (>120mg.-1). Tassi di conversione di CO e H2 agli alcani a basso peso molecolare erano circa 20 volte superiori per grammo di Fe rispetto alle particelle fine (5 μm di diametro) di polvere di ferro commerciale a 250°C e più di 100 volte più attive a 200°C.

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

Recupero catalizzatore

Anche se i catalizzatori non vengono consumati durante le reazioni chimiche, la loro attività e la loro efficienza possono diminuire a causa dell'agglomerazione e del fouling. Pertanto, si può osservare che i catalizzatori mostrano inizialmente un'elevata attività catalitica e selettività dell'ossigeno. Tuttavia, durante la reazione la degradazione dei catalizzatori può verificarsi a causa dell'aggregazione. Con l'irradiazione ultrasonica i catalizzatori possono essere rigenerati come il cavitazionale forze disperdersi le particelle e rimuovere le deposizioni dalla superficie.

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Lavaggio del carbone: De-Ashing e desolforazione ad ultrasuoni

Il condizionamento ad ultrasuoni può migliorare le prestazioni dei metodi di flottazione del carbone, utilizzati per la desolforazione e la deashing. Il maggior vantaggio del metodo ad ultrasuoni è la rimozione simultanea di cenere e zolfo[1]. Gli ultrasuoni e il loro flusso acustico sono noti per i loro effetti sulle particelle. Power ultrasuoni deagglomerati e disperde le particelle di carbone e ne lucida la superficie. Inoltre, gli ultrasuoni puliscono la matrice di carbone rimuovendo zolfo e ceneri.
Condizionando il flusso di cellulosa, si applicano ultrasuoni ad alta potenza per migliorare la desolforazione e la desolforazione della cellulosa. La sonicazione influenza la natura della polpa diminuendo il contenuto di ossigeno e la tensione interfacciale, aumentando il valore di pH e la temperatura. In questo modo, il trattamento ad ultrasuoni del carbone ad alto tenore di zolfo migliora la desolforazione.

Riduzione dell'idrofobicità della pirite assistita da ultrasuoni Diminuzione dell'idrofobicità della pirite

I radicali di ossigeno generati ad ultrasuoni sovra-ossidano la superficie della pirite e fanno sì che lo zolfo presente nella polpa sembri essere sotto forma di unità di solfossido. Questo ha diminuito l'idrofobicità della pirite.

Le condizioni intense durante il collasso della ultrasonicamente generato cavitazione le bolle nei liquidi sono in grado di creare radicali liberi. Questo significa che la sonicazione dell'acqua rompe i legami delle molecole producendo radicali liberi di -OH e -OH.

H2O → -H + -OH + -OH

I radicali liberi -OH e -H generati possono subire reazioni secondarie, come segue:
-H + O2 → -HO2
OH + -OH + -OH → H2O2
#HO..... #2 + HO2 → H2O2 + O2

L'H2O2 prodotto è instabile e scarica rapidamente l'ossigeno nascente. Così il contenuto di ossigeno nell'acqua aumenta dopo il condizionamento ad ultrasuoni. L'ossigeno nascente, essendo altamente attivo, può reagire con le particelle minerali presenti nella polpa e ridurre il contenuto di ossigeno della polpa.
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+ + S2O2- + H2O

Estrazione del carbone

Per l'estrazione del carbone vengono utilizzati solventi che, nelle condizioni di estrazione prescelte, possono rilasciare idrogeno per l'idrogenazione del carbone. La tetralina è un solvente collaudato, che viene ossidato in naftalene durante l'estrazione. La naftalina può essere separata e convertita, mediante idrogenazione di nuovo in tetralina. Il processo viene eseguito sotto pressione a temperature specifiche a seconda del tipo di carbone e tempi di permanenza di circa tre ore.

Riattivazione ad ultrasuoni delle particelle di carbone ossidato

La flottazione della schiuma è un processo di separazione che viene utilizzato per purificare e favorire il carbone sfruttando le differenze nella loro idrofobicità.
I carboni ossidati sono difficili da galleggiare, poiché l'idrofilia della superficie del carbone aumenta. L'ossigeno attaccato sulla superficie del carbone forma gruppi di fenolo polare (-OH), carbonile (-C=O) e carbossile (-COOH), che aumentano l'idratazione della superficie del carbone e quindi ne aumentano l'idrofilia, impedendo l'assorbimento 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 ossidato.

Carbone - Acqua - Olio e Carbone - Acqua - Carburanti

Ultrasuoni smerigliatura e la dispersione viene utilizzato per generare fanghi fini di particelle di carbone nell'acqua o nel petrolio. Con l'ultrasonicazione si genera una dispersione di particelle di piccole dimensioni e quindi una sospensione stabile. La presenza di acqua in questi combustibili a base di acqua e acqua e acqua-carburanti a base di carbone e acqua-carbone, consente una combustione più completa e riduce le emissioni nocive. Inoltre, il carbone disperso in acqua diventa l'antideflagrante che ne facilita la manipolazione.

Riferimento/Letteratura

  1. Ambedkar, B. (2012): Lavaggio ultrasonico del carbone per il De-Ashing e De-Sulfurization: Indagine sperimentale e modellazione meccanicistica. Springer, 2012.
  2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Effetti di cambiamenti nella natura della polpa dopo il condizionamento ad ultrasuoni sulla flottazione del carbone ad alto tenore di zolfo. Scienza e tecnologia mineraria 19, 2009. 498-502.

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Particolarità / Cose da sapere

Gli omogeneizzatori di tessuto ad ultrasuoni sono spesso indicati come sonda sonicator, sonic lyser, ultrasuoni disgregatore, macinatore ad ultrasuoni, sono-ruptor, sonifier, dismembratore sonico, distruttore cellulare, dispersore ad ultrasuoni o dissolutore. I diversi termini derivano dalle varie applicazioni che possono essere soddisfatte dalla sonicazione.