Ultraschallbehandlunge vu Kuel fir d’Energieproduktioun

D’Ultraschallbehandlung vu Kuelsuspensiounen dréit zu verschiddene Prozesser bei der Energieproduktioun aus Kuel bäi. Ultraschall fërdert d’katalytesch Hydrierung bei der Verflëssegung vu Kuel. Ausserdeem kann d’Ultraschallbehandlung d’Uewerfläch an d’Extrahéierbarkeet vu Kuel verbesseren. Ongewollt cheemesch Niewereaktioune bei der Äschenentfernung an der Entschwiefelung kënne vermidde ginn – dobäi gëtt de Prozess a vill manner Zäit ofgeschloss. Och beim Trennprozess duerch Schaumflotatioun kann d’Ultraschallbehandlung d’fein Dispersioun vun de Partikele wesentlech verbesseren.

Kuelverflëssegung/ Coal-to-Liquid-Prozess

Flësseg Brennstoffer kënnen industriell duerch de Prozess vun der „Kuelverflëssegung“ aus Kuel hiergestallt ginn. D’Kuelverflëssegung kann iwwer zwee Weeër erreecht ginn – déi direkt (DCL) an déi indirekt Verflëssegung (ICL).
Wärend déi indirekt Verflëssegung am Allgemengen d’Vergasung vu Kuel ëmfaasst, wandelt den direkte Verflëssegungsprozess d’Kuel direkt a Flëssegkeet ëm. Dofir gi Léisungsmëttel (z. B. Tetralin) oder Katalysatoren (z. B. MoS₂) a Kombinatioun mat erhéichten Drécker an Temperature benotzt, fir d’organesch Struktur vun der Kuel opzebriechen. Well flësseg Kuelewaasserstoffer am Allgemengen e méi héicht molaart Verhältnes vu Waasserstoff zu Kuelestoff wéi Kuel hunn, ass souwuel bei den ICL- wéi och bei den DCL-Technologien en Hydrierungsprozess oder e Prozess fir d’Oftrennung vu Kuelestoff néideg.

Direkt Kuelverflëssegung

Studien hu gewisen, datt d’direkt Verflëssegung vu Kuelen, déi mat Ultraschall virbehandelt goufen, däitlech verbessert ka ginn. Dräi verschidden Zorte vu bituminéiser Kuel mat engem méi niddrege Kuelungsgrad goufen an engem Léisungsmëttel mat Ultraschall behandelt. Duerch d’Schwëllen an d’ Dispergéieren , déi duerch Ultraschall ausgeléist goufen, goufe bemierkenswäert méi héich Verflëssegungsausbezuelen erreecht.

Indirekt Kuelverflëssegung

Kuel kann duerch Prozesser vun der indirekter Kuelverflëssegung (ICL) a flësseg Brennstoffer ëmgewandelt ginn: duerch Vergasung mat uschléissender katalytescher Ëmwandlung vum Synthesegas a propper Kuelewaasserstoffer a sauerstoffhalteg Verkéiersdreifstoffer wéi Methanol, Dimethylether a Fischer-Tropsch-Dreifstoffer, déi Diesel oder Bensinn änelen. D’Fischer-Tropsch-Synthes erfuerdert Katalysatoren, zum Beispill Katalysatoren op Eisenbasis. Duerch d’Ultraschall- Fragmentéierung vu Partikelenkann d’Effizienz vun de Katalysatore wesentlech verbessert ginn.

Aktivéierung vu Katalysatore mat Ultraschall

Duerch eng Ultraschallbehandlung kënne Partikelen dispergéiert, deagglomeréiert an fragmentéiert ginn – doduerch gëtt d’Partikeluewerfläch méi grouss. Fir Katalysatore bedeit dat eng méi grouss aktiv Uewerfläch, déi d’katalytesch Reaktivitéit vun de Partikelen erhéicht.
Beispill: Fe-Katalysator am Nanomoossstaf
Sonocheemesch hiergestallt Nanophasen-Eisen ass en aktive Katalysator fir d’Fischer–Tropsch-Hydrierung vu CO a fir d’Hydrogenolyse an d’Dehydrierung vun Alkanen, haaptsächlech wéinst senger grousser Uewerfläch (>120mg^-1). D’Ëmwandlungsrate vu CO an H₂ an Alkane mat niddregem Molekulargewiicht ware bei 250°C pro Gramm Fe ongeféier 20-mol méi héich wéi bei kommerziellem Eisenpolver mat feine Partikelen (5 μm Duerchmiesser), a bei 200°C war d’Aktivitéit méi wéi 100-mol méi héich.

Beispiller vu Katalysatoren, déi mat Ultraschall hiergestallt goufen:
z. B. MoS₂, Nano-Fe

Réckgewënnung vu Katalysatoren

Och wa Katalysatore bei cheemesche Reaktiounen net verbraucht ginn, kënnen hir Aktivitéit an hir Effizienz duerch Agglomeratioun a Verschmotzung ofhuelen. Dofir kann observéiert ginn, datt Katalysatoren ufanks eng héich katalytesch Aktivitéit a Selektivitéit fir sauerstoffhalteg Verbindungen opweisen. Wärend der Reaktioun kënnen d’Katalysatoren awer duerch Aggregatioun degradéieren. Duerch Ultraschallbestralung kënne Katalysatore regeneréiert ginn, well duerch Kavitatioun verursaacht Kräften d’Partikelen dispergéieren an Oflagerunge vun der Uewerfläch ewechhuelen.

Kuelwäsch: Äschenentfernung an Entschwiefelung mat Ultraschall

D’Konditionéierung mat Ultraschall kann d’Leeschtung vu Kuelflotatiounsmethode verbesseren, déi fir d’Entschwiefelung an d’Äschenentfernung agesat ginn. De gréisste Virdeel vun der Ultraschallmethod ass déi gläichzäiteg Entfernung vun Äschen a Schwiefel.[1] Ultraschall a seng akustesch Stréimung si fir hir Wierkungen op Partikele bekannt. Leeschtungsultraschall deagglomeréiert an dispergéiert Kuelpartikelen a poléiert hir Uewerfläch. Ausserdeem botzt Ultraschall d’Kuelmatrix, andeems en de Schwiefel an d’Äschen ewechhëlt.
Bei der Konditionéierung vum Suspensiounsstroum gëtt Héichleeschtungsultraschall agesat, fir d’Äschenentfernung an d’Entschwiefelung vun der Suspensioun ze verbesseren. D’Ultraschallbehandlung beaflosst d’Eegenschafte vun der Suspensioun, andeems se de Sauerstoffgehalt an d’Grenzflächespannung reduzéiert a gläichzäiteg de pH-Wäert an d’Temperatur erhéicht. Doduerch verbessert d’Ultraschallbehandlung vu schwiefelräicher Kuel d’Entschwiefelung.

Duerch Ultraschall ënnerstëtzt Reduktioun vun der Hydrophobizitéit vu Pyrit

Duerch Ultraschall erzeugte Sauerstoffradikaler iwweroxidéieren d’Pyrituewerfläch a loossen de Schwiefel, deen an der Suspensioun virkënnt, a Form vu Sulfoxid-Eenheeten erschéngen. Dëst huet d’Hydrophobizitéit vum Pyrit reduzéiert.

Déi intensiv Bedéngunge beim Zesummebroch vun de mat Ultraschall erzeugte Kavitatiounsblosen a Flëssegkeete kënne fräi Radikaler erzeugen. Dat bedeit zum Beispill, datt d’Ultraschallbehandlung vu Waasser d’Molekülbindunge brécht an dobäi fräi Radikaler vu •OH an •OH erzeugt.

H₂O → •H + •OH
Déi erzeugte fräi Radikaler •OH an •H kënne follgend Niewereaktiounen agoen:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Den erzeugten H2O2 ass onstabil a setzt séier naszente Sauerstoff fräi. Doduerch klëmmt de Sauerstoffgehalt am Waasser no der Ultraschallkonditionéierung. Den naszente Sauerstoff, dee ganz aktiv ass, ka mat Mineralpartikelen an der Suspensioun reagéieren an de Sauerstoffgehalt vun der Suspensioun reduzéieren.
D’Oxidatioun vu Pyrit (FeS₂) geschitt duerch d’Reaktioun vun O₂ mam FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Extraktioun vu Kuel

Fir d’Extraktioun vu Kuel gi Léisungsmëttel benotzt, déi ënner de gewielten Extraktiounsbedéngunge Waasserstoff fir d’Hydrierung vun der Kuel fräisetze kënnen. Tetralin ass e bewäert Léisungsmëttel, dat bei der Extraktioun zu Naphthalin oxidéiert gëtt. Naphthalin kann ofgetrennt an duerch Hydrierung nees an Tetralin ëmgewandelt ginn. De Prozess gëtt ënner Drock bei spezifeschen Temperaturen, déi vun der Kuelenzort ofhänken, a mat Openthaltszäite vun ongeféier dräi Stonnen duerchgefouert.

Reaktivéierung vun oxidéierte Kuelpartikele mat Ultraschall

Schaumflotatioun ass en Trennprozess, dee benotzt gëtt, fir Kuel ze botzen an opzebereeden, andeems Ënnerscheeder an hirer Hydrophobizitéit ausgenotzt ginn.
Oxidéiert Kuele si schwéier ze flotéieren, well d’Hydrophilie vun der Kueluewerfläch zouhëlt. De Sauerstoff, deen un der Kueluewerfläch gebonnen ass, bilt polar Phenol- (-OH), Carbonyl- (-C=O) a Carboxylgruppen (-COOH), déi d’Hydratatioun vun der Kueluewerfläch verstäerken an domat hir Hydrophilie erhéijen, soudatt d’Flotatiounsreagenzien net adsorbéiert ginn.
Eng Partikelbehandlung mat Ultraschall kann agesat ginn, fir Oxidatiounsschichte vu Kuelpartikelen ewechzehuelen, soudatt d’Uewerfläch vun den oxidéierte Kuelpartikelen nees aktivéiert gëtt.

Kuel-Waasser-Ueleg- a Kuel-Waasser-Brennstoffer

Duerch Ultraschall ënnerstëtzt Muelen an Dispergéieren ginn agesat, fir fein Suspensioune vu Kuelpartikelen a Waasser oder Ueleg ze erzeugen. Duerch d’Ultraschallbehandlung gëtt eng Dispersioun vu feine Partikelen an domat eng stabil Suspensioun erzeugt. (Fir eng laangfristeg Stabilitéit kann d’Zousaz vun engem Stabilisator néideg sinn.) D’Präsenz vu Waasser an dëse Kuel-Waasser- a Kuel-Waasser-Ueleg-Brennstoffer féiert zu enger méi kompletter Verbrennung a reduzéiert schiedlech Emissiounen. Ausserdeem gëtt Kuel, déi a Waasser dispergéiert ass, explosiounssécher, wat d’Handhabung erliichtert.

Referenzen / Literatur

1. Ambedkar, B. (2012): Ultraschall-Kuelwäsch fir d’Äschenentfernung an d’Entschwiefelung: Experimentell Ënnersichung a mechanistesch Modelléierung. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Auswierkunge vu Verännerunge vun den Eegenschafte vun der Suspensioun no der Ultraschallkonditionéierung op d’Flotatioun vu schwiefelräicher Kuel. Mining Science and Technology 19, 2009. 498–502.