エネルギー生産のための超音波石炭処理

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様々なプロセスに貢献している。超音波は石炭の液化中の触媒水素化を促進する。さらに、超音波処理は石炭の表面積と抽出性を向上させる。脱灰および脱硫中の望ましくない化学的副反応を避けることができる。 – をはるかに短時間で達成することができる。泡沫浮選による分離プロセスにおいても、超音波処理によって粒子の微細分散を大幅に向上させることができる。

石炭液化／石炭から液体へのプロセス

石炭から液体燃料を工業的に製造するには、次のような方法がある。 “石炭液化”.石炭の液化は2つのルートで行うことができる。 – 直接液状化（DCL）と間接液状化（ICL）である。
間接的な液化は一般に石炭のガス化を伴うが、直接的な液化プロセスは石炭を直接液体に変換する。したがって、溶剤（テトラリンなど）や触媒（MoS₂)が、石炭の有機構造を分解するために、高い圧力と温度と組み合わせて使用される。一般に液体炭化水素は石炭よりも水素-炭素モル比が高いため、ICLとDCLのどちらの技術でも水素化または炭素除去プロセスが必要となる。

石炭の直接液化

超音波で前処理された石炭の直接液化が著しく改善されることが研究により示された。3種類の低級瀝青炭を溶剤中で超音波処理した。超音波による膨潤と 分散 その結果、液化収率が著しく高くなった。

間接的石炭液化

石炭は、間接的石炭液化（ICL）プロセスによって液体燃料に変換することができる。ICLプロセスでは、ガス化の後、合成ガスをメタノール、ジメチルエーテル、フィッシャー・トロプシュ・ディーゼル燃料、ガソリン燃料のようなクリーンな炭化水素や酸素含有輸送用燃料に触媒変換する。フィッシャー・トロプシュ合成には、鉄系触媒などの触媒が必要である。超音波 粒子の断片化触媒の効率は著しく向上する。

超音波触媒活性化

超音波処理により、粒子は 分散, 分散型 そして 断片的 - その結果、粒子表面が高くなる。触媒の場合、これは活性表面が高くなることを意味し、粒子表面積を増大させる。’ 触媒反応性。
例ナノスケールFe触媒
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).COとH₂ 低分子量アルカンに対する活性は、250℃では微粒子（直径5μm）の市販鉄粉の約20倍、200℃では100倍以上であった。

超音波で調製した触媒の例：
例：MoS₂ナノFe

触媒再生

触媒は化学反応中に消費されないとはいえ、凝集やファウリングによって活性や効率が低下することがある。そのため、触媒は初期には高い触媒活性と酸素酸選択性を示す。しかし、反応中に凝集による触媒の劣化が起こることがある。超音波を照射することで、触媒を再生することができる。 キャビテーショナル 戦力 分かれる 粒子を除去し、表面から沈殿物を取り除く。

石炭洗浄超音波脱灰と脱硫

超音波コンディショニングは、脱硫や脱灰に使用される石炭浮遊法の性能を高めることができる。超音波法の最大の利点は、灰分と硫黄分を同時に除去できることである[1]。超音波とその音響流は、粒子に対する効果でよく知られている。パワー超音波は石炭粒子を凝集・分散させ、その表面を研磨する。さらに、超音波は硫黄と灰分を除去して石炭マトリックスをクリーンにする。
パルプの流れを調整することにより、高出力超音波を適用してパルプの脱灰と脱硫を改善する。超音波処理は、酸素含有量と界面張力を低下させ、pH値と温度を上昇させることにより、パルプの性質に影響を与える。これにより、高硫黄炭の超音波処理は脱硫を改善する。

超音波による黄鉄鉱の疎水性低下

超音波によって発生した酸素ラジカルは黄鉄鉱の表面を過剰に酸化し、パルプ中に存在する硫黄をスルホキシドユニットの形に見せる。これにより黄鉄鉱の疎水性が低下した。

超音波が発生する崩壊時の激しい条件 キャビテーション 液体中の気泡はフリーラジカルを生成する能力がある。これはつまり、水の超音波処理によって分子の結合が切断され、-OHと-OHのフリーラジカルが生成されることを意味する。

H₂O → -H + -OH
生成した-OHと-Hのフリーラジカルは、次のような二次反応を起こす：
-H + O₂ → -HO₂
-OH + -OH → H₂O₂
-HO₂ + -HO₂ → H2O₂ + O₂
生成されたH2O2は不安定で、すぐに新生酸素を排出する。そのため、超音波コンディショニング後の水中の酸素含有量は増加する。新生酸素は活性が高いため、パルプ中に存在するミネラル粒子と反応し、パルプの酸素含有量を減少させる可能性がある。
黄鉄鉱（FeS₂)の反応によって起こる。₂ をFeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

石炭抽出

石炭抽出には、選択された抽出条件下で石炭の水素化のために水素を放出できる溶媒が使用される。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る。ナフタレンは分離され、テトラリン中で再び水素化される。このプロセスは、石炭の種類に応じた特定の温度と約3時間の滞留時間で加圧下で実施される。

酸化石炭粒子の超音波による再活性化

フロスフローテーションは、疎水性の違いを利用して石炭を精製し、利益を得るために使用される分離プロセスである。
酸化した石炭は、石炭表面の親水性が増すため浮上しにくくなる。石炭表面の付着酸素は極性フェノール（-OH）、カルボニル（-C=O）、カルボキシル（-COOH）基を形成し、石炭表面の水和を促進するため親水性が増し、浮遊試薬の吸着を妨げる。
超音波 粒子処理 を使用し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る。

石炭-水-油および石炭-水燃料

超音波 研磨 そして 分散 は、水または油中の石炭粒子の微細サイズのスラリーを生成するために使用される。超音波処理により、微細な粒子が分散し、安定した懸濁液が生成される。(これらの石炭-水および石炭-水-油燃料に水が含まれることにより、より完全な燃焼が得られ、有害な排出が減少する。さらに、水に分散した石炭は防爆になり、取り扱いが容易になる。

参考文献

1. Ambedkar, B. (2012)：Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization：Experimental Investigation and Mechanistic Modeling.Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009)：超音波コンディショニング後のパルプ性状の変化が高硫黄石炭浮選に及ぼす影響。Mining Science and Technology 19, 2009.498-502.