Ultradźwiękowe obróbki węgla dla produkcji energii

Sonikacja zawiesin węglowych przyczynia się do różnych procesów podczas produkcji energii z węgla. Ultradźwięki promują katalityczne uwodornienie podczas upłynniania węgla. Co więcej, sonikacja może poprawić powierzchnię i ekstraktywność węgla. Można uniknąć niepożądanych chemicznych reakcji ubocznych podczas odpopielania i odsiarczania – Realizacja procesu w znacznie krótszym czasie. Nawet podczas procesu separacji za pomocą flotacji pianowej, dyspersja drobnych cząstek może być znacznie zwiększona przez sonikację.

Skraplanie węgla/proces zamiany węgla w ciecz

Paliwa płynne mogą być przemysłowo produkowane z węgla w procesie “upłynnianie węgla”. Upłynnianie węgla można osiągnąć na dwa sposoby – bezpośredniego (DCL) i pośredniego skraplania (ICL).
Podczas gdy pośrednie upłynnianie zazwyczaj obejmuje gazyfikację węgla, proces bezpośredniego upłynniania przekształca węgiel bezpośrednio w ciecz. W związku z tym, rozpuszczalniki (np. tetralina) lub katalizatory (np. MoS₂) są stosowane w połączeniu z podwyższonym ciśnieniem i temperaturą w celu rozbicia organicznej struktury węgla. Ponieważ ciekłe węglowodory mają zazwyczaj wyższy stosunek molowy wodoru do węgla niż węgiel, zarówno w technologii ICL, jak i DCL wymagany jest proces uwodornienia lub odrzucenia węgla.

Bezpośrednie upłynnianie węgla

Badania wykazały, że bezpośrednie upłynnianie węgla ultradźwiękowo wstępnie obrobionych węgli można znacznie poprawić. Trzy różne rodzaje węgla bitumicznego niższej rangi poddano działaniu ultradźwięków w rozpuszczalniku. Wywołany ultradźwiękami obrzęk i Dyspersacja Zaowocowało to znacznie wyższą wydajnością skraplania.

Pośrednie upłynnianie węgla

Węgiel może być przetwarzany na paliwa płynne w procesach pośredniego upłynniania węgla (ICL) poprzez zgazowanie, a następnie katalityczną konwersję gazu syntezowego do czystych węglowodorów i natlenionych paliw transportowych, takich jak metanol, eter dimetylowy, paliwa podobne do oleju napędowego lub benzyny Fischera-Tropscha. Synteza Fischera-Tropscha wymaga zastosowania katalizatorów, takich jak katalizatory na bazie żelaza. Za pomocą ultradźwięków fragmentacja cząstekWydajność katalizatorów można znacznie poprawić.

Ultradźwiękowa aktywacja katalizatora

Dzięki obróbce ultradźwiękowej cząstki mogą być rozproszony, deaglomerowany i rozdrobniony - co skutkuje większą powierzchnią cząstek. W przypadku katalizatorów oznacza to większą powierzchnię aktywną, co zwiększa reaktywność katalityczną cząstek.
Przykład: Katalizator Fe w nanoskali
Sonochemically prepared nanophase iron is an active catalyst for the Fischer—Tropsch hydrogenation of CO and for the hydrogenolysis and dehydrogenation of alkanes, mainly due to its high surface area (>120mg^-1). Szybkość konwersji CO i H₂ do alkanów o niskiej masie cząsteczkowej były około 20 razy wyższe na gram Fe niż w przypadku komercyjnego proszku żelaza o średnicy 5 μm w temperaturze 250°C i ponad 100 razy bardziej aktywne w temperaturze 200°C.

Przykłady katalizatorów przygotowanych ultradźwiękowo:
np. MoS₂, nano-Fe

Regeneracja katalizatora

Mimo, że katalizatory nie są zużywane podczas reakcji chemicznych, ich aktywność i wydajność może spadać z powodu aglomeracji i zanieczyszczenia. Dlatego można zaobserwować, że katalizatory początkowo wykazują wysoką aktywność katalityczną i selektywność tlenową. Jednak podczas reakcji degradacji katalizatorów może wystąpić z powodu agregacji. Przez napromieniowanie ultradźwiękowe katalizatory mogą być regenerowane jako kawitacyjny siły rozproszyć się cząsteczki i usuwają osady z powierzchni.

Płukanie węgla: Ultradźwiękowe odpopielanie i odsiarczanie

Kondycjonowanie ultradźwiękowe może poprawić wydajność metod flotacji węgla, które są stosowane do odsiarczania i odpopielania. Największą zaletą metody ultradźwiękowej jest jednoczesne usuwanie popiołu i siarki.[1] Ultradźwięki i ich strumień akustyczny są dobrze znane ze swojego wpływu na cząstki. Moc ultradźwięków deaglomeruje i rozprasza cząstki węgla oraz poleruje ich powierzchnię. Ponadto ultradźwięki oczyszczają matrycę węglową, usuwając siarkę i popiół.
Poprzez kondycjonowanie strumienia masy celulozowej stosuje się ultradźwięki o dużej mocy w celu poprawy odpopielania i odsiarczania masy celulozowej. Sonikacja wpływa na charakter pulpy poprzez zmniejszenie zawartości tlenu i napięcia międzyfazowego, przy jednoczesnym zwiększeniu wartości pH i temperatury. W ten sposób ultradźwiękowa obróbka węgla o wysokiej zawartości siarki poprawia odsiarczanie.

Ultradźwiękowo wspomagane zmniejszenie hydrofobowości pirytu

Ultradźwiękowo generowane rodniki tlenowe nadmiernie utleniają powierzchnię pirytu i sprawiają, że siarka istniejąca w miazdze wydaje się być w postaci jednostek sulfotlenkowych. Zmniejsza to hydrofobowość pirytu.

Intensywne warunki podczas zapadania się generowanych ultradźwiękowo kawitacja Pęcherzyki w cieczach są zdolne do tworzenia wolnych rodników. Oznacza to, że np. sonikacja wody przerywa wiązania cząsteczek, tworząc wolne rodniki -OH i -OH.

H₂O → -H + -OH
Wygenerowane wolne rodniki -OH i -H mogą podlegać następującym reakcjom wtórnym:
-H + O₂ → -HO₂
-OH + -OH → H₂O₂
-HO₂ + -HO₂ → H2O₂ + O₂
Wytworzony H2O2 jest niestabilny i szybko uwalnia powstający tlen. Tak więc zawartość tlenu w wodzie wzrasta po kondycjonowaniu ultradźwiękowym. Powstający tlen, będąc wysoce aktywnym, może reagować z cząstkami mineralnymi istniejącymi w miazdze i zmniejszać zawartość tlenu w miazdze.
Utlenianie pirytu (FeS₂) zachodzi w wyniku 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

wydobycie węgla

Do ekstrakcji węgla stosuje się rozpuszczalniki, które w wybranych warunkach ekstrakcji mogą uwalniać wodór do uwodornienia węgla. Tetralina jest sprawdzonym rozpuszczalnikiem, który jest utleniany do naftalenu podczas ekstrakcji. Naftalen można oddzielić i przekształcić poprzez ponowne uwodornienie w tetralinie. Proces jest przeprowadzany pod ciśnieniem w określonych temperaturach w zależności od rodzaju węgla i czasu przebywania około trzech godzin.

Ultradźwiękowa reaktywacja utlenionych cząstek węgla

Froth floatation to proces separacji stosowany do oczyszczania i wzbogacania węgla poprzez wykorzystanie różnic w ich hydrofobowości.
Utlenione węgle są trudne do unoszenia się na wodzie, ponieważ zwiększa się hydrofilowość powierzchni węgla. Przyłączony tlen na powierzchni węgla tworzy polarne grupy fenolowe (-OH), karbonylowe (-C=O) i karboksylowe (-COOH), które zwiększają uwodnienie powierzchni węgla, a tym samym zwiększają jego hydrofilowość, zapobiegając adsorpcji odczynników flotacyjnych.
Ultradźwiękowy obróbka cząstek może być stosowany do usuwania warstw utleniania z cząstek węgla, dzięki czemu powierzchnia utlenionych cząstek węgla jest ponownie aktywowana.

Paliwa węgiel-woda-olej i węgiel-woda

ultradźwiękowy Szlifowanie i Dyspersacja służy do wytwarzania drobnoziarnistych zawiesin cząstek węgla w wodzie lub oleju. Poprzez ultradźwięki generowana jest dyspersja drobnych cząstek, a tym samym stabilna zawiesina. (Obecność wody w tych paliwach węglowo-wodnych i węglowo-wodno-olejowych powoduje pełniejsze spalanie i zmniejsza szkodliwe emisje. Co więcej, węgiel rozproszony w wodzie staje się odporny na eksplozje, co ułatwia obsługę.

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.