에너지 생산을 위한 초음파 석탄 처리

석탄 슬러리의 초음파 처리는 석탄을 이용한 에너지 생산의 다양한 공정에 기여합니다. 초음파는 석탄 액화 과정에서 촉매 수소화를 촉진합니다. 또한 초음파 처리는 석탄의 표면적과 추출성을 개선할 수 있습니다. 탈회 및 탈황 과정에서 원치 않는 화학적 부반응을 방지하면서 훨씬 짧은 시간에 공정을 완료할 수 있습니다. 포말 부유선별을 통한 분리 공정에서도 초음파 처리로 미세 입자의 분산을 크게 향상시킬 수 있습니다.

석탄 액화/ 석탄 액체연료 전환 공정

액체연료는 “석탄 액화” 공정을 통해 석탄으로부터 산업적으로 생산할 수 있습니다. 석탄 액화는 직접 액화(DCL)와 간접 액화(ICL)의 두 가지 경로로 수행할 수 있습니다.
간접 액화는 일반적으로 석탄의 가스화를 포함하는 반면, 직접 액화 공정은 석탄을 액체로 직접 전환합니다. 따라서 석탄의 유기 구조를 분해하기 위해 고압 및 고온 조건과 함께 용매(예: 테트랄린) 또는 촉매(예: MoS₂)를 사용합니다. 액체 탄화수소는 일반적으로 석탄보다 수소 대 탄소의 몰비가 높으므로, ICL 및 DCL 기술 모두 수소화 또는 탄소 제거 공정이 필요합니다.

직접 석탄 액화

연구에 따르면 초음파로 전처리한 석탄의 직접 액화를 현저히 개선할 수 있습니다. 서로 다른 세 종류의 저등급 역청탄을 용매 내에서 초음파 처리했습니다. 초음파로 유도된 팽윤과 분산으로 액화 수율이 현저히 높아졌습니다.

간접 석탄 액화

간접 석탄 액화(ICL) 공정에서는 석탄을 가스화한 후 합성가스를 촉매 전환하여 청정 탄화수소와 메탄올, 디메틸 에테르, 피셔–트롭슈 디젤 또는 가솔린 유사 연료와 같은 함산소 수송용 연료를 생산함으로써 석탄을 액체연료로 전환할 수 있습니다. 피셔–트롭슈 합성에는 철계 촉매와 같은 촉매가 필요합니다. 초음파를 이용한 입자 파쇄를 통해 촉매의 효율을 크게 개선할 수 있습니다.

초음파 촉매 활성화

초음파 처리를 통해 입자를 분산시키고, 응집 해체하고 또한 파쇄할 수 있습니다 – 그 결과 입자의 표면적이 증가합니다. 촉매의 경우 이는 활성 표면적의 증가를 의미하며, 입자의 촉매 반응성을 높입니다.
예: 나노 크기 Fe 촉매
초음파 화학적으로 제조한 나노상 철은 주로 높은 표면적(>120mg^-1) 덕분에 CO의 피셔–트롭슈 수소화와 알케인의 수소화 분해 및 탈수소화에 활성을 보이는 촉매입니다. 저분자량 알케인으로의 CO 및 H₂ 전환 속도는 Fe 일 그램당 미세 입자(직경 5 μm) 상용 철 분말에 비해 250°C에서 약 20배 높았으며, 200°C에서는 활성이 100배 넘게 높았습니다.

초음파로 제조한 촉매의 예:
예: MoS₂, 나노 Fe

촉매 재생

촉매는 화학 반응 중에 소모되지 않지만, 응집과 오염으로 인해 활성과 효율이 감소할 수 있습니다. 따라서 촉매가 초기에는 높은 촉매 활성과 함산소 화합물 선택성을 나타내는 것을 관찰할 수 있습니다. 그러나 반응 중에 입자 집합으로 인해 촉매의 성능이 저하될 수 있습니다. 초음파를 조사하면 캐비테이션에 의한 힘이 입자를 분산시키고 표면의 침착물을 제거하므로 촉매를 재생할 수 있습니다.

석탄 세척: 초음파 탈회 및 탈황

초음파 조질 처리는 탈황과 탈회에 사용되는 석탄 부유선별법의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 초음파 방식의 가장 큰 장점은 회분과 황을 동시에 제거한다는 점입니다.[1] 초음파와 그에 따른 음향 유동이 입자에 미치는 영향은 잘 알려져 있습니다. 고출력 초음파는 석탄 입자의 응집을 해체하고 입자를 분산시키며 표면을 연마합니다. 또한 초음파는 석탄 기질을 세척하여 황과 회분을 제거합니다.
고출력 초음파는 펄프 흐름을 조질 처리하여 펄프의 탈회 및 탈황을 개선하는 데 적용됩니다. 초음파 처리는 산소 함량과 계면 장력을 낮추는 동시에 pH 값과 온도를 높여 펄프의 특성에 영향을 줍니다. 이를 통해 고유황 석탄의 초음파 처리는 탈황을 개선합니다.

초음파를 이용한 황철석의 소수성 감소

초음파로 생성된 산소 라디칼은 황철석 표면을 과산화하고 펄프에 존재하는 황이 설폭사이드 단위 형태로 나타나게 합니다. 이로 인해 황철석의 소수성이 감소했습니다.

액체 내에서 초음파로 생성된 캐비테이션 기포가 붕괴할 때의 극한 조건은 자유 라디칼을 생성할 수 있습니다. 즉, 예를 들어 물을 초음파 처리하면 분자 결합이 끊어져 •OH와 •OH 자유 라디칼이 생성됩니다.

H₂O → •H + •OH
생성된 •OH 및 •H 자유 라디칼은 다음과 같은 이차 반응을 일으킬 수 있습니다:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
생성된 H2O2는 불안정하며 발생기 산소를 빠르게 방출합니다. 따라서 초음파 조질 처리 후 물의 산소 함량이 증가합니다. 발생기 산소는 활성이 매우 높아 펄프에 존재하는 광물 입자와 반응하여 펄프의 산소 함량을 낮출 수 있습니다.
황철석(FeS₂)의 산화는 다음 두 물질 간의 반응으로 일어납니다: O₂ 및 FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

석탄 추출

석탄 추출에는 선택한 추출 조건에서 석탄의 수소화에 필요한 수소를 방출할 수 있는 용매를 사용합니다. 테트랄린은 검증된 용매이며, 추출 중에 나프탈렌으로 산화됩니다. 나프탈렌은 분리한 후 수소화를 통해 다시 테트랄린으로 전환할 수 있습니다. 이 공정은 석탄 종류에 따른 특정 온도와 약 세 시간의 체류 시간으로 가압 상태에서 수행됩니다.

산화된 석탄 입자의 초음파 재활성화

포말 부유선별은 소수성 차이를 이용하여 석탄을 정제하고 품위를 높이는 분리 공정입니다.
산화된 석탄은 표면의 친수성이 증가하므로 부유시키기 어렵습니다. 석탄 표면에 결합된 산소는 극성 페놀기(-OH), 카르보닐기(-C=O), 카르복실기(-COOH)를 형성하며, 이들은 석탄 표면의 수화를 촉진하여 친수성을 높이고 부유선별 시약의 흡착을 방해합니다.
초음파 입자 처리를 이용하면 석탄 입자에서 산화층을 제거하여 산화된 석탄 입자의 표면을 재활성화할 수 있습니다.

석탄–물–유류 및 석탄–물 연료

초음파 분쇄 및 분산은 물이나 유류 내에 미세한 석탄 입자 슬러리를 생성하는 데 사용됩니다. 초음파 처리를 통해 미세 입자 분산액이 형성되며, 이에 따라 안정적인 현탁액이 생성됩니다. (장기간 안정성을 유지하려면 안정제 첨가가 필요할 수 있습니다.) 이러한 석탄–물 및 석탄–물–유류 연료에 포함된 물은 더 완전한 연소를 유도하고 유해 배출물을 줄입니다. 또한 물에 분산된 석탄은 폭발 방지 특성을 갖게 되어 취급이 용이해집니다.

참고 문헌

1. Ambedkar, B. (2012): 탈회 및 탈황을 위한 초음파 석탄 세척: 실험적 조사와 메커니즘 모델링. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): 초음파 조질 처리 후 펄프 특성 변화가 고유황 석탄 부유선별에 미치는 영향. Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.