Ultrasone behandelingen van steenkool voor energieproductie

De sonicatie van steenkoolslurries draagt bij aan verschillende processen tijdens de energieproductie uit steenkool. Ultrageluid bevordert de katalytische hydrogenering tijdens het vloeibaar maken van steenkool. Bovendien kan sonicatie het oppervlak en de extraheerbaarheid van steenkool verbeteren. Ongewenste chemische nevenreacties tijdens de verwijdering van as en de ontzwaveling kunnen worden vermeden – waardoor het proces in veel minder tijd wordt voltooid. Zelfs tijdens het scheidingsproces via schuimflotatie kan de fijnverdeelde dispersie van deeltjes door sonicatie aanzienlijk worden verbeterd.

Vloeibaar maken van steenkool/ Coal-to-Liquid-proces

Vloeibare brandstoffen kunnen industrieel uit steenkool worden geproduceerd door het proces van “het vloeibaar maken van steenkool”. Steenkool kan via twee routes vloeibaar worden gemaakt – de directe (DCL) en indirecte route (ICL).
Terwijl de indirecte route doorgaans de vergassing van steenkool omvat, zet het directe proces steenkool rechtstreeks om in vloeistof. Daarom worden oplosmiddelen (e.g. tetraline) of katalysatoren (e.g. MoS₂) gebruikt in combinatie met verhoogde drukken en temperaturen om de organische structuur van de steenkool af te breken. Aangezien vloeibare koolwaterstoffen doorgaans een hogere molaire verhouding tussen waterstof en koolstof hebben dan steenkool, is bij zowel ICL- als DCL-technologieën een proces voor hydrogenering of koolstofafscheiding vereist.

Direct vloeibaar maken van steenkool

Onderzoeken hebben aangetoond dat het direct vloeibaar maken van ultrasoon voorbehandelde steenkool aanzienlijk kan worden verbeterd. Drie verschillende soorten bitumineuze steenkool van een lagere rang zijn in een oplosmiddel gesoniceerd. De door ultrageluid veroorzaakte zwelling en dispersie leidden tot opmerkelijk hogere opbrengsten bij het vloeibaar maken.

Indirect vloeibaar maken van steenkool

Steenkool kan via processen voor indirect vloeibaar maken (ICL) worden omgezet in vloeibare brandstoffen door vergassing, gevolgd door katalytische omzetting van synthesegas in schone koolwaterstoffen en zuurstofhoudende transportbrandstoffen zoals methanol, dimethylether en Fischer-Tropsch-brandstoffen die op diesel of benzine lijken. De Fischer-Tropsch-synthese vereist het gebruik van katalysatoren, zoals katalysatoren op basis van ijzer. Door ultrasone fragmentatie van deeltjes kan de efficiëntie van de katalysatoren aanzienlijk worden verbeterd.

Ultrasone activering van katalysatoren

Door ultrasone behandeling kunnen deeltjes worden gedispergeerd, gedeagglomereerd en gefragmenteerd – wat resulteert in een groter deeltjesoppervlak. Voor katalysatoren betekent dit een groter actief oppervlak, waardoor de katalytische reactiviteit van de deeltjes toeneemt.
Voorbeeld: Fe-katalysator op nanoschaal
Sonochemisch bereid ijzer in de nanofase is een actieve katalysator voor de Fischer–Tropsch-hydrogenering van CO en voor de hydrogenolyse en dehydrogenering van alkanen, voornamelijk vanwege zijn grote oppervlak (>120mg^-1). De omzettingssnelheden van CO en H₂ naar alkanen met een laag molecuulgewicht waren per gram Fe ongeveer 20 keer hoger dan bij commercieel ijzerpoeder met fijne deeltjes (5 μm diameter) bij 250°C en meer dan 100 keer actiever bij 200°C.

Voorbeelden van ultrasoon bereide katalysatoren:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Terugwinning van katalysatoren

Hoewel katalysatoren tijdens chemische reacties niet worden verbruikt, kunnen hun activiteit en efficiëntie afnemen door agglomeratie en vervuiling. Daarom kan worden waargenomen dat katalysatoren aanvankelijk een hoge katalytische activiteit en selectiviteit voor zuurstofhoudende verbindingen vertonen. Tijdens de reactie kan echter degradatie van de katalysatoren optreden door aggregatie. Ultrasone bestraling kan katalysatoren regenereren, want de door cavitatie opgewekte krachten dispergeren de deeltjes en verwijderen afzettingen van het oppervlak.

Steenkool wassen: ultrasone verwijdering van as en ontzwaveling

Ultrasone conditionering kan de prestaties verbeteren van flotatiemethoden voor steenkool die worden gebruikt voor ontzwaveling en verwijdering van as. Het grootste voordeel van de ultrasone methode is de gelijktijdige verwijdering van as en zwavel.[1] Ultrageluid en de daardoor veroorzaakte akoestische stroming staan bekend om hun effecten op deeltjes. Krachtig ultrageluid deagglomereert en dispergeert steenkooldeeltjes en polijst hun oppervlak. Bovendien reinigt ultrageluid de steenkoolmatrix door zwavel en as te verwijderen.
Bij de conditionering van de pulpstroom wordt ultrageluid met hoog vermogen toegepast om de verwijdering van as en de ontzwaveling van de pulp te verbeteren. Sonicatie beïnvloedt de eigenschappen van de pulp door het zuurstofgehalte en de grensvlakspanning te verlagen en tegelijkertijd de pH-waarde en de temperatuur te verhogen. Daardoor verbetert de ultrasone behandeling van steenkool met een hoog zwavelgehalte de ontzwaveling.

Ultrasoon ondersteunde vermindering van de hydrofobiciteit van pyriet

Ultrasoon gegenereerde zuurstofradicalen overoxideren het pyrietoppervlak en zorgen ervoor dat de zwavel in de pulp in de vorm van sulfoxide-eenheden lijkt voor te komen. Dit verminderde de hydrofobiciteit van het pyriet.

De extreme omstandigheden tijdens het imploderen van door ultrasoon opgewekte cavitatie gevormde bellen in vloeistoffen kunnen vrije radicalen vormen. Dit betekent dat bijvoorbeeld de sonicatie van water de bindingen in de moleculen verbreekt, waarbij vrije radicalen •OH en •OH ontstaan.

H₂O → •H + •OH
De gevormde vrije radicalen •OH en •H kunnen de volgende secundaire reacties ondergaan:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Het geproduceerde H2O2 is instabiel en geeft snel nascente zuurstof af. Daardoor neemt het zuurstofgehalte in het water toe na ultrasone conditionering. De nascente zuurstof is zeer actief en kan reageren met minerale deeltjes in de pulp en het zuurstofgehalte van de pulp verlagen.
De oxidatie van pyriet (FeS₂) vindt plaats door de reactie van O₂ met het FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Extractie van steenkool

Voor de extractie van steenkool worden oplosmiddelen gebruikt die onder de gekozen extractieomstandigheden waterstof kunnen afgeven voor de hydrogenering van steenkool. Tetraline is een beproefd oplosmiddel dat tijdens de extractie wordt geoxideerd tot naftaleen. Naftaleen kan worden afgescheiden en door hydrogenering weer worden omgezet in tetraline. Het proces wordt onder druk uitgevoerd bij specifieke temperaturen die afhangen van het type steenkool, met verblijftijden van ongeveer drie uur.

Ultrasone reactivering van geoxideerde steenkooldeeltjes

Schuimflotatie is een scheidingsproces dat wordt gebruikt om steenkool te zuiveren en te verrijken door gebruik te maken van verschillen in hydrofobiciteit.
Geoxideerde steenkool is moeilijk te floteren, doordat de hydrofiliciteit van het steenkooloppervlak toeneemt. De aan het steenkooloppervlak gebonden zuurstof vormt polaire fenolgroepen (-OH), carbonylgroepen (-C=O) en carboxylgroepen (-COOH), die de hydratatie van het steenkooloppervlak versterken en zo de hydrofiliciteit ervan verhogen, waardoor flotatiereagentia niet kunnen worden geadsorbeerd.
Een ultrasone behandeling van deeltjes kan worden gebruikt om oxidatielagen van steenkooldeeltjes te verwijderen, zodat het oppervlak van geoxideerde steenkooldeeltjes opnieuw wordt geactiveerd.

Steenkool-water-oliebrandstoffen en steenkool-waterbrandstoffen

Ultrasoon malen en dispergeren worden gebruikt om slurries van fijnverdeelde steenkooldeeltjes in water of olie te produceren. Door sonicatie ontstaat een fijnverdeelde deeltjesdispersie en daarmee een stabiele suspensie. (Voor langdurige stabiliteit kan de toevoeging van een stabilisator nodig zijn.) De aanwezigheid van water in deze steenkool-waterbrandstoffen en steenkool-water-oliebrandstoffen leidt tot een volledigere verbranding en vermindert schadelijke emissies. Bovendien wordt steenkool die in water is gedispergeerd explosieveilig, wat de hantering vergemakkelijkt.

Bronnen / literatuur

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrasone kolenwas voor ontassing en ontzwaveling: Experimenteel onderzoek en mechanistische modellering. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Effects from changes in pulp nature after ultrasonic conditioning on high-sulfur coal floatation. Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.