エネルギー生産のための石炭の超音波処理

石炭スラリーの超音波処理は、石炭からのエネルギー生産におけるさまざまな工程に寄与します。超音波は、石炭の液化における触媒水素化を促進します。さらに、超音波処理によって石炭の表面積と抽出性を向上させることができます。脱灰および脱硫時の望ましくない化学的副反応を回避でき、処理をはるかに短い時間で完了できます。泡沫浮選による分離工程でも、超音波処理によって微細な粒子の分散を大幅に改善できます。

石炭液化／石炭から液体燃料への転換プロセス

「石炭液化」というプロセスによって、石炭から液体燃料を工業的に生産できます。石炭液化には、直接液化（DCL）と間接液化（ICL）の二つの経路があります。
間接液化では一般に石炭のガス化を行う一方、直接液化プロセスでは石炭を直接液体に転換します。そのため、溶媒（e.g. テトラリン）または触媒（e.g. MoS₂）を高圧・高温条件と組み合わせて使用し、石炭の有機構造を分解します。液体炭化水素は一般に石炭よりも水素と炭素のモル比が高いため、ICLとDCLのどちらの技術でも、水素化または炭素除去のプロセスが必要です。

石炭の直接液化

研究により、超音波で前処理した石炭の直接液化を大幅に改善できることが示されています。低石炭化度の瀝青炭の異なる三種類に対して、溶媒中で超音波処理が行われました。超音波による膨潤と 分散 によって、液化収率が著しく向上しました。

石炭の間接液化

石炭は、間接石炭液化（ICL）プロセスによって液体燃料に転換できます。このプロセスでは、ガス化に続いて、合成ガスを触媒によってクリーンな炭化水素や、メタノール、ジメチルエーテル、フィッシャー・トロプシュ法によるディーゼル燃料またはガソリンに似た燃料などの含酸素輸送用燃料に転換します。フィッシャー・トロプシュ合成には、鉄系触媒などの触媒を使用する必要があります。超音波による 粒子破砕によって、触媒の効率を大幅に向上させることができます。

超音波による触媒の活性化

超音波処理によって、粒子の 分散, 解凝集 および 破砕 が可能になります – これにより粒子の表面積が増大します。触媒では、活性表面積の増大を意味し、粒子の触媒反応性が高まります。
例：ナノスケールのFe触媒
ソノケミカル法で調製されたナノ相鉄は、COのフィッシャー・トロプシュ水素化、およびアルカンの水素化分解と脱水素に対する活性触媒です。これは主に、その高い表面積（>120mg^-1）によるものです。COとH₂ から低分子量アルカンへの転換速度は、250°Cでは市販の微粒子鉄粉（直径5 μm）と比較してFeのグラム当たりで約20倍高く、200°Cでは活性が100倍を超えていました。

超音波で調製された触媒の例：
e.g. MoS₂、ナノFe

触媒の再生

触媒は化学反応中に消費されませんが、凝集や汚れの付着によって活性と効率が低下することがあります。そのため、触媒は初期には高い触媒活性と含酸素化合物への選択性を示すことが観察されます。しかし、反応中に凝集によって触媒が劣化することがあります。超音波照射によって触媒を再生できます。これは、 キャビテーションによる 力が 粒子を分散させ 、その表面から堆積物を除去するためです。

石炭洗浄：超音波による脱灰および脱硫

超音波による調質は、脱硫および脱灰に使用される石炭浮選法の性能を向上させることができます。超音波法の最大の利点は、灰分と硫黄を同時に除去できることです。[1] 超音波とその音響流が粒子に及ぼす作用はよく知られています。高出力超音波は石炭粒子を解凝集・分散させ、その表面を研磨します。さらに、超音波は石炭のマトリックスを洗浄し、硫黄と灰分を除去します。
パルプ流を調質するために高出力超音波を適用し、パルプの脱灰および脱硫を改善します。超音波処理は、酸素含有量と界面張力を低下させる一方、pH値と温度を上昇させることで、パルプの性状に影響を与えます。これにより、高硫黄石炭の超音波処理は脱硫を改善します。

超音波による黄鉄鉱の疎水性低下の促進

超音波によって生成された酸素ラジカルは黄鉄鉱の表面を過剰に酸化し、パルプ中の硫黄がスルホキシド単位の形で存在するようにします。これにより、黄鉄鉱の疎水性が低下しました。

超音波によって液体中に生成された キャビテーション 気泡が崩壊する際の激しい条件によって、フリーラジカルを生成できます。これは、例えば水の超音波処理が分子の結合を切断し、•OHと•OHのフリーラジカルを生成することを意味します。

H₂O → •H + •OH
生成された•OHおよび•Hのフリーラジカルは、以下のような二次反応を起こすことがあります：
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
生成されたH2O2は不安定で、発生期の酸素を速やかに放出します。そのため、超音波による調質後には水中の酸素含有量が増加します。発生期の酸素は非常に活性が高く、パルプ中の鉱物粒子と反応して、パルプの酸素含有量を減少させることがあります。
黄鉄鉱（FeS₂）の酸化は、次の組み合わせの反応によって起こります：O₂ とFeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

石炭の抽出

石炭の抽出には、選択した抽出条件下で石炭の水素化に必要な水素を放出できる溶媒を使用します。テトラリンは実績のある溶媒で、抽出中に酸化されてナフタレンになります。ナフタレンは分離でき、水素化によって再びテトラリンに転換できます。このプロセスは、石炭の種類に応じた所定の温度で、圧力をかけて行われ、滞留時間は約三時間です。

超音波による酸化石炭粒子の再活性化

泡沫浮選は、疎水性の違いを利用して石炭を精製・選炭する分離プロセスです。
酸化した石炭は、石炭表面の親水性が高まるため、浮選が困難です。石炭表面に結合した酸素は、極性のあるフェノール基（-OH）、カルボニル基（-C=O）、およびカルボキシル基（-COOH）を形成します。これらは石炭表面の水和を促進して親水性を高め、浮選試薬の吸着を妨げます。
超音波による 粒子処理 を用いて石炭粒子から酸化層を除去し、酸化した石炭粒子の表面を再活性化することができます。

石炭・水・油燃料および石炭・水燃料

超音波による 粉砕 および 分散 は、水または油中に微細な石炭粒子のスラリーを生成するために使用されます。超音波処理によって微細な粒子分散が得られ、それにより安定した懸濁液が生成されます。（長期安定性を確保するには、安定剤の添加が必要になる場合があります。）これらの石炭・水燃料および石炭・水・油燃料に含まれる水は、より完全な燃焼をもたらし、有害な排出物を低減します。さらに、水中に分散した石炭は防爆性を持つようになり、取り扱いが容易になります。

参考文献

1. Ambedkar, B. (2012): 脱灰および脱硫のための超音波選炭：実験的検討と機構モデリング。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.