Ogļu apstrāde ar ultraskaņu enerģijas ražošanai

Ogļu suspensiju apstrāde ar ultraskaņu veicina dažādus procesus enerģijas ražošanā no oglēm. Ultraskaņa veicina katalītisko hidrogenēšanu ogļu sašķidrināšanas laikā. Turklāt apstrāde ar ultraskaņu var palielināt ogļu virsmas laukumu un uzlabot to ekstrahējamību. Pelnu un sēra atdalīšanas laikā var izvairīties no nevēlamām ķīmiskām blakusreakcijām – procesu pabeidzot daudz īsākā laikā. Pat atdalīšanas procesā ar putu flotāciju apstrāde ar ultraskaņu var ievērojami uzlabot smalku daļiņu disperģēšanu.

Ogļu sašķidrināšana/ ogļu pārveidošana šķidrā kurināmajā

Šķidro kurināmo no oglēm var ražot rūpnieciski, izmantojot ogļu sašķidrināšanas procesu. Ogļu sašķidrināšanu var veikt divējādi – ar tiešo sašķidrināšanu (DCL) un netiešo sašķidrināšanu (ICL).
Netiešā sašķidrināšana parasti ietver ogļu gazifikāciju, savukārt tiešās sašķidrināšanas procesā ogles tiek tieši pārveidotas šķidrumā. Šim nolūkam šķīdinātājus (piemēram, tetralīnu) vai katalizatorus (piemēram, MoS₂) izmanto paaugstinātā spiedienā un temperatūrā, lai sašķeltu ogļu organisko struktūru. Tā kā šķidrajiem ogļūdeņražiem parasti ir augstāka ūdeņraža un oglekļa molārā attiecība nekā oglēm, gan ICL, gan DCL tehnoloģijās ir nepieciešams hidrogenēšanas vai oglekļa atdalīšanas process.

Ogļu tiešā sašķidrināšana

Pētījumi ir parādījuši, ka ar ultraskaņu iepriekš apstrādātu ogļu tiešo sašķidrināšanu var ievērojami uzlabot. Trīs dažādi zemākas ogļošanās pakāpes bitumenogļu veidi tika apstrādāti ar ultraskaņu šķīdinātājā. Ultraskaņas izraisītā uzbriešana un disperģēšana nodrošināja ievērojami lielāku sašķidrināšanas produktu iznākumu.

Ogļu netiešā sašķidrināšana

Ogles var pārveidot šķidrajā kurināmajā, izmantojot ogļu netiešās sašķidrināšanas (ICL) procesus, kuros pēc gazifikācijas notiek sintēzes gāzes katalītiska pārveidošana tīros ogļūdeņražos un skābekli saturošās transporta degvielās, piemēram, metanolā, dimetilēterī un Fišera–Tropša procesā iegūtās dīzeļdegvielai vai benzīnam līdzīgās degvielās. Fišera–Tropša sintēzē ir jāizmanto katalizatori, piemēram, dzelzs bāzes katalizatori. Izmantojot ultraskaņas izraisītu daļiņu fragmentāciju, katalizatoru efektivitāti var ievērojami uzlabot.

Katalizatoru aktivēšana ar ultraskaņu

Apstrādājot ar ultraskaņu, daļiņas var disperģēt, deaglomerēt un fragmentēt – tādējādi palielinot daļiņu virsmas laukumu. Katalizatoriem tas nozīmē lielāku aktīvās virsmas laukumu, kas palielina daļiņu katalītisko reaģētspēju.
Piemērs: nanomēroga Fe katalizators
Sonoķīmiski iegūta nanofāzes dzelzs ir aktīvs katalizators CO hidrogenēšanai Fišera–Tropša procesā, kā arī alkānu hidrogenolīzei un dehidrogenēšanai, galvenokārt pateicoties tās lielajam virsmas laukumam (>120mg^-1). CO un H₂ pārveidošanas ātrums par alkāniem ar mazu molekulmasu, rēķinot uz vienu gramu Fe, 250°C temperatūrā bija aptuveni 20 reizes lielāks nekā komerciāli pieejamam smalku daļiņu (5 μm diametrā) dzelzs pulverim, bet 200°C temperatūrā aktivitāte bija vairāk nekā 100 reižu lielāka.

Ar ultraskaņu iegūtu katalizatoru piemēri:
piemēram, MoS₂, nano-Fe

Katalizatoru reģenerācija

Lai gan ķīmiskajās reakcijās katalizatori netiek patērēti, to aktivitāte un efektivitāte var samazināties aglomerācijas un piesārņojuma uzkrāšanās dēļ. Tāpēc var novērot, ka sākotnēji katalizatoriem ir augsta katalītiskā aktivitāte un selektivitāte attiecībā uz skābekli saturošiem savienojumiem. Tomēr reakcijas laikā agregācijas dēļ var notikt katalizatoru degradācija. Ar ultraskaņas iedarbību katalizatorus var reģenerēt, jo kavitācijas spēki disperģē daļiņas un noņem nogulsnes no virsmas.

Ogļu mazgāšana: pelnu un sēra atdalīšana ar ultraskaņu

Kondicionēšana ar ultraskaņu var uzlabot ogļu flotācijas metožu efektivitāti, kuras izmanto sēra un pelnu atdalīšanai. Ultraskaņas metodes lielākā priekšrocība ir vienlaicīga pelnu un sēra atdalīšana.[1] Ultraskaņa un tās radītā akustiskā plūsma ir labi pazīstamas ar savu iedarbību uz daļiņām. Lieljaudas ultraskaņa deaglomerē un disperģē ogļu daļiņas un pulē to virsmu. Turklāt ultraskaņa attīra ogļu matricu, atdalot sēru un pelnus.
Kondicionējot pulpas plūsmu, tiek izmantota lieljaudas ultraskaņa, lai uzlabotu pelnu un sēra atdalīšanu no pulpas. Apstrāde ar ultraskaņu ietekmē pulpas īpašības, samazinot skābekļa saturu un starpfāžu spraigumu, vienlaikus palielinot pH vērtību un temperatūru. Tādējādi ogļu ar augstu sēra saturu apstrāde ar ultraskaņu uzlabo sēra atdalīšanu.

Pirīta hidrofobitātes samazināšana ar ultraskaņas palīdzību

Ultraskaņas radītie skābekļa radikāļi pārmērīgi oksidē pirīta virsmu un izraisa pulpā esošā sēra parādīšanos sulfoksīdu grupu veidā. Tas samazināja pirīta hidrofobitāti.

Intensīvie apstākļi, kas rodas, šķidrumos sabrūkot ultraskaņas radītiem kavitācijas burbuļiem, spēj radīt brīvos radikāļus. Tas nozīmē, ka, piemēram, ūdens apstrāde ar ultraskaņu sarauj molekulu saites, radot brīvos radikāļus •OH un •OH.

H₂O → •H + •OH
Radītie brīvie radikāļi •OH un •H var piedalīties šādās sekundārās reakcijās:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Iegūtais H2O2 ir nestabils un ātri izdala skābekli rašanās brīdī. Tāpēc pēc kondicionēšanas ar ultraskaņu skābekļa saturs ūdenī palielinās. Skābeklis rašanās brīdī ir ļoti aktīvs un var reaģēt ar pulpā esošajām minerālu daļiņām, samazinot skābekļa saturu pulpā.
Pirīta (FeS₂) oksidēšanās notiek, O₂ reaģējot ar FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Ogļu ekstrakcija

Ogļu ekstrakcijai izmanto šķīdinātājus, kuri izvēlētajos ekstrakcijas apstākļos var atbrīvot ūdeņradi ogļu hidrogenēšanai. Tetralīns ir pārbaudīts šķīdinātājs, kas ekstrakcijas laikā oksidējas par naftalīnu. Naftalīnu var atdalīt un hidrogenējot atkal pārveidot par tetralīnu. Procesu veic zem spiediena, noteiktā temperatūrā atkarībā no ogļu veida, ar aptuveni trīs stundu uzturēšanās laiku.

Oksidētu ogļu daļiņu reaktivēšana ar ultraskaņu

Putu flotācija ir atdalīšanas process, ko izmanto ogļu attīrīšanai un bagātināšanai, izmantojot to hidrofobitātes atšķirības.
Oksidētas ogles ir grūti flotēt, jo palielinās ogļu virsmas hidrofilitāte. Pie ogļu virsmas piesaistītais skābeklis veido polāras fenola grupas (-OH), karbonilgrupas (-C=O) un karboksilgrupas (-COOH), kas pastiprina ogļu virsmas hidratāciju un tādējādi palielina tās hidrofilitāti, kavējot flotācijas reaģentu adsorbciju.
Ultraskaņas daļiņu apstrādi var izmantot, lai no ogļu daļiņām noņemtu oksidācijas slāņus un tādējādi reaktivētu oksidēto ogļu daļiņu virsmu.

Ogļu–ūdens–eļļas un ogļu–ūdens kurināmais

Ultraskaņas malšanu un disperģēšanu izmanto, lai iegūtu smalku ogļu daļiņu suspensijas ūdenī vai eļļā. Apstrādājot ar ultraskaņu, tiek iegūta smalku daļiņu dispersija un tādējādi stabila suspensija. (Ilgstošai stabilitātei var būt nepieciešama stabilizatora pievienošana.) Ūdens klātbūtne šajā ogļu–ūdens un ogļu–ūdens–eļļas kurināmajā nodrošina pilnīgāku sadegšanu un samazina kaitīgās emisijas. Turklāt ūdenī disperģētas ogles kļūst sprādziendrošas, kas atvieglo darbu ar tām.

Atsauces un literatūra

1. Ambedkar, B. (2012): Ogļu mazgāšana ar ultraskaņu pelnu un sēra atdalīšanai: eksperimentāla izpēte un mehānismu modelēšana. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Pulpas īpašību izmaiņu pēc kondicionēšanas ar ultraskaņu ietekme uz ogļu ar augstu sēra saturu flotāciju. Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.