ნახშირის ულტრაბგერითი დამუშავება ენერგიის წარმოებისთვის

ნახშირის სუსპენზიების ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს სხვადასხვა პროცესს ნახშირიდან ენერგიის წარმოების დროს. ულტრაბგერა აძლიერებს კატალიზურ ჰიდროგენიზაციას ნახშირის გათხევადების დროს. გარდა ამისა, ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება გაზარდოს ნახშირის ზედაპირის ფართობი და გააუმჯობესოს მისი ექსტრაქციის უნარი. ნაცრის მოცილებისა და დესულფურიზაციის დროს არასასურველი ქიმიური გვერდითი რეაქციების თავიდან აცილება შესაძლებელია – პროცესის ბევრად ნაკლებ დროში შესრულებით. ქაფოვანი ფლოტაციით გამოყოფის პროცესშიც კი ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს წვრილი ნაწილაკების დისპერგირება.

ნახშირის ლიკვიფიკაცია/ ნახშირიდან სითხის მიღების პროცესი

თხევადი საწვავი შეიძლება სამრეწველო მასშტაბით იქნას მიღებული ნახშირიდან „ნახშირის გათხევადების“ პროცესით. ნახშირის გათხევადება შეიძლება განხორციელდეს ორი გზით – პირდაპირი (DCL) და არაპირდაპირი გათხევადების (ICL) გზით.
მიუხედავად იმისა, რომ არაპირდაპირი ლიკვიფიკაცია ზოგადად მოიცავს ნახშირის გაზიფიკაციას, პირდაპირი ლიკვიფიკაციის პროცესი ნახშირს პირდაპირ გარდაქმნის სითხედ. ამიტომ, გამხსნელები (მაგ. ტეტრალინი) ან კატალიზატორები (მაგ. MoS₂) გამოიყენება მაღალი წნევისა და ტემპერატურის პირობებში ნახშირის ორგანული სტრუქტურის დასაშლელად. ვინაიდან თხევად ნახშირწყალბადებში წყალბადისა და ნახშირბადის მოლური თანაფარდობა, როგორც წესი, უფრო მაღალია, ვიდრე ნახშირში, როგორც ICL, ისე DCL ტექნოლოგიებში საჭიროა ჰიდროგენიზაციის ან ნახშირბადის მოცილების პროცესი.

ნახშირის პირდაპირი ლიკვიფიკაცია

კვლევებმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერით წინასწარ დამუშავებული ნახშირის პირდაპირი გათხევადება შეიძლება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს. სამი სხვადასხვა ტიპის დაბალი მეტამორფული რანგის ბიტუმინური ნახშირი დამუშავდა ულტრაბგერით გამხსნელში. ულტრაბგერით გამოწვეულმა გაჯირჯვებამ და დისპერგირებამ გამოიწვია მნიშვნელოვნად უფრო მაღალი ლიკვიფიკაციის გამოსავლიანობა.

ნახშირის არაპირდაპირი ლიკვიფიკაცია

ნახშირი შეიძლება გარდაიქმნას თხევად საწვავად ნახშირის არაპირდაპირი გათხევადების (ICL) პროცესებით გაზიფიკაციის გზით, რასაც მოსდევს სინთეზ-გაზის კატალიზური გარდაქმნა სუფთა ნახშირწყალბადებად და ჟანგბადშემცველ სატრანსპორტო საწვავებად, როგორიცაა მეთანოლი, დიმეთილის ეთერი, ფიშერ–ტროპშის დიზელის ან ბენზინის მსგავსი საწვავები. ფიშერ–ტროპშის სინთეზი მოითხოვს კატალიზატორების გამოყენებას, როგორიცაა რკინაზე დაფუძნებული კატალიზატორები. ულტრაბგერითი ნაწილაკების ფრაგმენტაციის გზით, კატალიზატორების ეფექტურობა შეიძლება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს.

კატალიზატორის ულტრაბგერითი აქტივაცია

ულტრაბგერითი დამუშავებით, ნაწილაკები შეიძლება დისპერგირდეს, დეაგლომერირდეს და ფრაგმენტირდეს – რის შედეგადაც იზრდება ნაწილაკების ზედაპირის ფართობი. კატალიზატორებისთვის ეს ნიშნავს აქტიური ზედაპირის ფართობის ზრდას, რაც ზრდის ნაწილაკების კატალიზურ რეაქტიულობას.
მაგალითი: ნანოზომის Fe კატალიზატორი
სონოქიმიურად მომზადებული ნანოფაზური რკინა არის აქტიური კატალიზატორი CO-ს ფიშერ–ტროპშის ჰიდროგენიზაციისთვის და ალკანების ჰიდროგენოლიზისა და დეჰიდროგენიზაციისთვის, ძირითადად მისი მაღალი ზედაპირის ფართობის (>120mg^-1) გამო. CO-სა და H₂ -ის დაბალმოლეკულურ ალკანებად გარდაქმნის სიჩქარე Fe-ს თითო გრამზე 250°C-ზე დაახლოებით 20-ჯერ უფრო მაღალი იყო, ვიდრე წვრილნაწილაკოვანი (5 μm დიამეტრის) კომერციული რკინის ფხვნილის შემთხვევაში, ხოლო 200°C-ზე აქტივობა 100-ჯერ მეტზე მაღალი იყო.

მაგალითები ულტრაბგერით მომზადებული კატალიზატორებისთვის:
მაგ. MoS₂, ნანო-Fe

კატალიზატორის აღდგენა

მიუხედავად იმისა, რომ კატალიზატორები არ იხარჯება ქიმიური რეაქციების დროს, მათი აქტივობა და ეფექტურობა შეიძლება შემცირდეს აგლომერაციისა და დაბინძურების გამო. შეიძლება შეინიშნოს, რომ კატალიზატორები თავდაპირველად ავლენენ მაღალ კატალიზურ აქტივობას და სელექციურობას ჟანგბადშემცველი პროდუქტების მიმართ. თუმცა, რეაქციის დროს კატალიზატორების დეგრადაცია შეიძლება მოხდეს აგრეგაციის გამო. ულტრაბგერითი დასხივებით კატალიზატორები შეიძლება აღდგეს, რადგან კავიტაციური ძალები დისპერგირებენ ნაწილაკებს და აცილებენ ნალექებს ზედაპირიდან.

ნახშირის გარეცხვა: ნაცრის ულტრაბგერითი მოცილება და დესულფურიზაცია

ულტრაბგერითმა კონდიციონირებამ შეიძლება გააუმჯობესოს ნახშირის ფლოტაციის მეთოდების ეფექტურობა, რომლებიც გამოიყენება დესულფურიზაციისა და ნაცრის მოცილებისთვის. ულტრაბგერითი მეთოდის უდიდესი უპირატესობა არის ნაცრისა და გოგირდის ერთდროული მოცილება.[1] ულტრაბგერა და მისი აკუსტიკური ნაკადი ცნობილია ნაწილაკებზე მათი გავლენით. მძლავრი ულტრაბგერა დეაგლომერირებს და დისპერგირებს ნახშირის ნაწილაკებს და აპრიალებს მათ ზედაპირს. გარდა ამისა, ულტრაბგერა წმენდს ნახშირის მატრიცას, აცილებს გოგირდსა და ნაცარს.
სუსპენზიის ნაკადის კონდიციონირებისას მძლავრი ულტრაბგერა გამოიყენება სუსპენზიიდან ნაცრის მოცილებისა და დესულფურიზაციის გასაუმჯობესებლად. ულტრაბგერითი დამუშავება ცვლის სუსპენზიის თვისებებს: ამცირებს ჟანგბადის შემცველობასა და ფაზათაშორის დაჭიმულობას, ამავდროულად კი ზრდის pH-ის მნიშვნელობასა და ტემპერატურას. ამრიგად, მაღალგოგირდიანი ნახშირის ულტრაბგერითი დამუშავება აუმჯობესებს დესულფურიზაციას.

პირიტის ჰიდროფობურობის ულტრაბგერითი შემცირება

ულტრაბგერით წარმოქმნილი ჟანგბადის რადიკალები ზედმეტად აჟანგავენ პირიტის ზედაპირს და იწვევენ სუსპენზიაში არსებული გოგირდის სულფოქსიდური ჯგუფების სახით წარმოდგენას. ამან შეამცირა პირიტის ჰიდროფობურობა.

ინტენსიური პირობები ულტრაბგერითად გენერირებული კავიტაციის ბუშტების კოლაფსის დროს სითხეებში თავისუფალი რადიკალების წარმოქმნას იწვევს. ეს ნიშნავს, რომ, მაგალითად, წყლის ულტრაბგერითი დამუშავება შლის მოლეკულურ ბმებს და წარმოქმნის თავისუფალ რადიკალებს •OH და •OH.

H₂O → •H + •OH
წარმოქმნილი •OH და •H თავისუფალი რადიკალები შეიძლება ჩაერთონ შემდეგ მეორად რეაქციებში:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
წარმოქმნილი H2O2 არასტაბილურია და სწრაფად გამოყოფს ახლად წარმოქმნილ ჟანგბადს. ამიტომ წყალში ჟანგბადის შემცველობა იზრდება ულტრაბგერითი კონდიციონირების შემდეგ. ახლად წარმოქმნილი ჟანგბადი, რომელიც ძალიან აქტიურია, შეიძლება რეაგირებდეს სუსპენზიაში არსებულ მინერალურ ნაწილაკებთან და შეამციროს სუსპენზიის ჟანგბადის შემცველობა.
პირიტის (FeS₂) ჟანგვა ხდება O₂ -ის რეაქციის შედეგად FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

ნახშირის ექსტრაქცია

ნახშირის ექსტრაქციისთვის გამოიყენება გამხსნელები, რომლებსაც ექსტრაქციის შერჩეულ პირობებში შეუძლიათ წყალბადის გამოყოფა ნახშირის ჰიდროგენიზაციისთვის. ტეტრალინი გამოცდილი გამხსნელია, რომელიც ექსტრაქციის დროს ნაფთალინად იჟანგება. ნაფთალინი შეიძლება გამოიყოს და ჰიდროგენიზაციით კვლავ ტეტრალინად გარდაიქმნას. პროცესი მიმდინარეობს წნევის ქვეშ, ნახშირის ტიპზე დამოკიდებულ კონკრეტულ ტემპერატურაზე, ხოლო დაყოვნების დრო დაახლოებით სამი საათია.

ჟანგული ნახშირის ნაწილაკების ულტრაბგერითი რეაქტივაცია

ქაფოვანი ფლოტაცია არის გამოყოფის პროცესი, რომელიც გამოიყენება ნახშირის გასაწმენდად და გასამდიდრებლად, კომპონენტების ჰიდროფობურობის განსხვავების გამოყენებით.
ჟანგული ნახშირები რთულია გასაფლოტებლად, რადგან ნახშირის ზედაპირის ჰიდროფილურობა იზრდება. ნახშირის ზედაპირზე მიმაგრებული ჟანგბადი ქმნის პოლარულ ფენოლურ (-OH), კარბონილურ (-C=O) და კარბოქსილურ (-COOH) ჯგუფებს, რომლებიც აძლიერებენ ნახშირის ზედაპირის ჰიდრატაციას და შესაბამისად, ზრდიან მის ჰიდროფილურობას, რაც ხელს უშლის ფლოტაციის რეაგენტების ადსორბციას.
ულტრაბგერითი ნაწილაკების დამუშავება შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნახშირის ნაწილაკებიდან ჟანგვის ფენების მოსაცილებლად, რათა დაჟანგული ნახშირის ნაწილაკების ზედაპირი ხელახლა გააქტიურდეს.

ნახშირ-წყალ-ზეთის და ნახშირ-წყლის საწვავები

ულტრაბგერითი დაფქვა და დისპერგირება გამოიყენება წყალში ან ზეთში ნახშირის წვრილნაწილაკოვანი სუსპენზიების მისაღებად. ულტრაბგერითი დამუშავებით მიიღება წვრილი ნაწილაკების დისპერსია და, შესაბამისად, სტაბილური სუსპენზია. (ხანგრძლივი სტაბილურობისთვის შესაძლოა საჭირო იყოს სტაბილიზატორის დამატება.) წყლის არსებობა ამ ნახშირ-წყლისა და ნახშირ-წყალ-ზეთის საწვავებში იწვევს უფრო სრულ წვას და ამცირებს მავნე გამონაბოლქვს. გარდა ამისა, წყალში დისპერგირებული ნახშირი ფეთქებაუსაფრთხო ხდება, რაც მასთან მუშაობას აადვილებს.

წყაროები და ლიტერატურა

1. Ambedkar, B. (2012): ნახშირის ულტრაბგერითი გარეცხვა ნაცრისა და გოგირდის მოსაცილებლად: ექსპერიმენტული კვლევა და მექანიზმების მოდელირება. Springer, 2012.
2. კანგი, ვ. ქსუნი, ჰ. კონგი, X. Li, M. (2009): ეფექტი რბილობი ბუნებაში ულტრაბგერითი კონდიცირების შემდეგ მაღალი გოგირდის ნახშირის ფლოატაციაზე. სამთო მეცნიერება და ტექნოლოგია 19, 2009. 498-502.