Ultradźwiękowa obróbka węgla do produkcji energii

Sonikacja zawiesin węglowych wspomaga różne procesy podczas produkcji energii z węgla. Ultradźwięki wspomagają katalityczne uwodornienie podczas upłynniania węgla. Ponadto sonikacja może zwiększyć powierzchnię węgla i jego podatność na ekstrakcję. Można uniknąć niepożądanych ubocznych reakcji chemicznych podczas odpopielania i odsiarczania – realizując proces w znacznie krótszym czasie. Nawet podczas procesu rozdzielania metodą flotacji pianowej sonikacja może znacznie poprawić dyspersję drobnych cząstek.

Upłynnianie węgla / Proces przetwarzania węgla w paliwa ciekłe

Paliwa ciekłe można produkować przemysłowo z węgla w procesie „upłynniania węgla”. Upłynnianie węgla można przeprowadzić dwiema metodami – bezpośrednią (DCL) i pośrednią (ICL).
Podczas gdy upłynnianie pośrednie zazwyczaj obejmuje zgazowanie węgla, proces upłynniania bezpośredniego przekształca węgiel bezpośrednio w ciecz. Dlatego rozpuszczalniki (e.g. tetralina) lub katalizatory (e.g. MoS₂) stosuje się w połączeniu z podwyższonym ciśnieniem i temperaturą w celu rozbicia organicznej struktury węgla. Ponieważ ciekłe węglowodory zazwyczaj mają wyższy stosunek molowy wodoru do węgla niż węgiel, zarówno w technologii ICL, jak i DCL wymagany jest proces uwodornienia lub usuwania węgla.

Bezpośrednie upłynnianie węgla

Badania wykazały, że bezpośrednie upłynnianie węgla poddanego wstępnej obróbce ultradźwiękowej można znacznie usprawnić. Trzy różne rodzaje węgla kamiennego o niższym stopniu uwęglenia poddano sonikacji w rozpuszczalniku. Wywołane ultradźwiękami pęcznienie i dyspergowanie doprowadziły do znacznie większej wydajności upłynniania.

Pośrednie upłynnianie węgla

Węgiel można przekształcać w paliwa ciekłe w procesach pośredniego upłynniania węgla (ICL) poprzez zgazowanie, a następnie katalityczne przekształcenie gazu syntezowego w czyste węglowodory i paliwa transportowe zawierające tlen, takie jak metanol, eter dimetylowy oraz paliwa podobne do oleju napędowego lub benzyny otrzymywane metodą Fischera-Tropscha. Synteza Fischera-Tropscha wymaga stosowania katalizatorów, takich jak katalizatory na bazie żelaza. Dzięki ultradźwiękowej fragmentacji cząstek można znacznie zwiększyć skuteczność katalizatorów.

Ultradźwiękowa aktywacja katalizatorów

Dzięki obróbce ultradźwiękowej cząstki mogą być dyspergowane, deaglomerowane i fragmentowane – co prowadzi do zwiększenia powierzchni cząstek. W przypadku katalizatorów oznacza to większą powierzchnię aktywną, która zwiększa reaktywność katalityczną cząstek.
Przykład: Katalizator Fe w skali nanometrycznej
Żelazo nanofazowe otrzymane sonochemicznie jest aktywnym katalizatorem uwodornienia CO metodą Fischera–Tropscha oraz hydrogenolizy i odwodornienia alkanów, głównie ze względu na dużą powierzchnię (>120mg^-1). Szybkości przekształcania CO i H₂ w alkany o małej masie cząsteczkowej były w 250°C około 20 razy większe w przeliczeniu na gram Fe niż w przypadku dostępnego handlowo proszku żelaza o drobnych cząstkach (średnica 5 μm), a w 200°C aktywność była ponad 100 razy większa.

Przykłady katalizatorów otrzymywanych z użyciem ultradźwięków:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Regeneracja katalizatorów

Chociaż katalizatory nie są zużywane podczas reakcji chemicznych, ich aktywność i skuteczność mogą się zmniejszać wskutek aglomeracji i zanieczyszczenia powierzchni. Można zatem zaobserwować, że katalizatory początkowo wykazują wysoką aktywność katalityczną i selektywność względem związków zawierających tlen. Jednak podczas reakcji może dochodzić do degradacji katalizatorów wskutek agregacji. Katalizatory można regenerować przez oddziaływanie ultradźwięków, ponieważ kawitacyjne siły dyspergują cząstki i usuwają osady z powierzchni.

Płukanie węgla: Ultradźwiękowe odpopielanie i odsiarczanie

Kondycjonowanie ultradźwiękowe może zwiększyć skuteczność metod flotacji węgla stosowanych do odsiarczania i odpopielania. Największą zaletą metody ultradźwiękowej jest jednoczesne usuwanie popiołu i siarki.[1] Ultradźwięki i wywoływane przez nie strumieniowanie akustyczne są dobrze znane ze swojego oddziaływania na cząstki. Ultradźwięki dużej mocy deaglomerują i dyspergują cząstki węgla oraz polerują ich powierzchnię. Ponadto ultradźwięki oczyszczają matrycę węglową, usuwając siarkę i popiół.
Poprzez kondycjonowanie strumienia pulpy stosuje się ultradźwięki dużej mocy w celu poprawy jej odpopielania i odsiarczania. Sonikacja wpływa na właściwości pulpy, zmniejszając zawartość tlenu i napięcie międzyfazowe, a jednocześnie zwiększając wartość pH i temperaturę. W ten sposób obróbka ultradźwiękowa węgla o wysokiej zawartości siarki poprawia odsiarczanie.

Wspomagane ultradźwiękami zmniejszanie hydrofobowości pirytu

Rodniki tlenowe wytwarzane ultradźwiękowo nadmiernie utleniają powierzchnię pirytu i sprawiają, że siarka obecna w pulpie wydaje się występować w postaci jednostek sulfotlenkowych. Zmniejszyło to hydrofobowość pirytu.

Ekstremalne warunki podczas zapadania się wytwarzanych ultradźwiękowo pęcherzyków kawitacyjnych w cieczach mogą prowadzić do powstawania wolnych rodników. Oznacza to, że na przykład sonikacja wody rozrywa wiązania w cząsteczkach, wytwarzając wolne rodniki •OH i •OH.

H₂O → •H + •OH
Wytworzone wolne rodniki •OH i •H mogą ulegać reakcjom wtórnym, jak pokazano poniżej:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Powstający H2O2 jest niestabilny i szybko uwalnia tlen in statu nascendi. Zatem zawartość tlenu w wodzie wzrasta po kondycjonowaniu ultradźwiękowym. Tlen in statu nascendi, który jest wysoce aktywny, może reagować z cząstkami mineralnymi obecnymi w pulpie i zmniejszać zawartość tlenu w pulpie.
Utlenianie pirytu (FeS₂) zachodzi wskutek reakcji O₂ z FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Ekstrakcja węgla

Do ekstrakcji węgla stosuje się rozpuszczalniki, które w wybranych warunkach ekstrakcji mogą uwalniać wodór potrzebny do uwodornienia węgla. Tetralina jest sprawdzonym rozpuszczalnikiem, który podczas ekstrakcji utlenia się do naftalenu. Naftalen można oddzielić i ponownie przekształcić w tetralinę przez uwodornienie. Proces prowadzi się pod ciśnieniem, w określonych temperaturach zależnych od rodzaju węgla, przy czasie przebywania wynoszącym około trzech godzin.

Ultradźwiękowa reaktywacja utlenionych cząstek węgla

Flotacja pianowa to proces rozdzielania stosowany do oczyszczania i wzbogacania węgla, wykorzystujący różnice w hydrofobowości.
Utlenione węgle trudno poddają się flotacji, ponieważ wzrasta hydrofilowość powierzchni węgla. Tlen związany z powierzchnią węgla tworzy polarne grupy fenolowe (-OH), karbonylowe (-C=O) i karboksylowe (-COOH), które zwiększają uwodnienie powierzchni węgla, a tym samym jej hydrofilowość, uniemożliwiając adsorpcję odczynników flotacyjnych.
Ultradźwiękowa obróbka cząstek może służyć do usuwania warstw utlenionych z cząstek węgla, dzięki czemu powierzchnia utlenionych cząstek węgla zostaje ponownie aktywowana.

Paliwa węglowo-wodno-olejowe i węglowo-wodne

Ultradźwiękowe mielenie i dyspergowanie stosuje się do wytwarzania zawiesin drobnych cząstek węgla w wodzie lub oleju. Sonikacja pozwala uzyskać dyspersję drobnych cząstek, a tym samym stabilną zawiesinę. (Dla zapewnienia długotrwałej stabilności może być wymagany dodatek stabilizatora.) Obecność wody w tych paliwach węglowo-wodnych i węglowo-wodno-olejowych prowadzi do pełniejszego spalania i zmniejsza szkodliwe emisje. Ponadto węgiel zdyspergowany w wodzie staje się odporny na wybuch, co ułatwia jego obsługę.

Źródła / literatura

1. Ambedkar, B. (2012): Ultradźwiękowe płukanie węgla do spopielania i odsiarczania: Badanie eksperymentalne i modelowanie mechanistyczne. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Wpływ zmian charakteru pulpy po kondycjonowaniu ultradźwiękowym na flotację węgla o wysokiej zawartości siarki. Mining Science and Technology 19, 2009. 498-502.