Tratamentos ultrassónicos do carvão para a produção de energia

A sonicação de suspensões de carvão contribui para vários processos durante a produção de energia a partir do carvão. Os ultrassons promovem a hidrogenação catalítica durante a liquefação do carvão. Além disso, a sonicação pode melhorar a área superficial e a extratibilidade do carvão. Podem evitar-se reações químicas secundárias indesejadas durante a remoção de cinzas e a dessulfuração – concluindo o processo em muito menos tempo. Mesmo durante o processo de separação por flotação por espuma, a dispersão de partículas finas pode ser significativamente melhorada pela sonicação.

Liquefação do carvão/ Processo de conversão de carvão em líquidos

Os combustíveis líquidos podem ser produzidos industrialmente a partir do carvão através do processo de “liquefação do carvão”. A liquefação do carvão pode ser realizada por duas vias – a liquefação direta (DCL) e a indireta (ICL).
Enquanto a liquefação indireta envolve geralmente a gaseificação do carvão, o processo de liquefação direta converte o carvão diretamente em líquido. Por isso, utilizam-se solventes (e.g. tetralina) ou catalisadores (e.g. MoS₂) em combinação com pressões e temperaturas elevadas para decompor a estrutura orgânica do carvão. Como os hidrocarbonetos líquidos apresentam geralmente uma razão molar hidrogénio-carbono superior à do carvão, é necessário um processo de hidrogenação ou de rejeição de carbono tanto nas tecnologias ICL como nas DCL.

Liquefação direta do carvão

Estudos demonstraram que a liquefação direta de carvões pré-tratados por ultrassons pode ser consideravelmente melhorada. Três tipos diferentes de carvão betuminoso de menor grau de carbonificação foram sonicados em solvente. O inchamento induzido pelos ultrassons e a dispersão resultaram em rendimentos de liquefação notavelmente superiores.

Liquefação indireta do carvão

O carvão pode ser convertido em combustíveis líquidos por processos de liquefação indireta do carvão (ICL), através de gaseificação seguida da conversão catalítica do gás de síntese em hidrocarbonetos limpos e combustíveis oxigenados para transportes, como metanol, éter dimetílico e combustíveis Fischer-Tropsch semelhantes ao gasóleo ou à gasolina. A síntese de Fischer-Tropsch exige a utilização de catalisadores, como os catalisadores à base de ferro. Através da fragmentação ultrassónica de partículas, a eficiência dos catalisadores pode ser significativamente melhorada.

Ativação ultrassónica de catalisadores

Através do tratamento ultrassónico, as partículas podem ser dispersas, desaglomeradas e fragmentadas – resultando numa maior área superficial das partículas. Para os catalisadores, isto significa uma maior superfície ativa, o que aumenta a reatividade catalítica das partículas.
Exemplo: catalisador de Fe à escala nanométrica
O ferro em nanofase preparado sonoquimicamente é um catalisador ativo para a hidrogenação de CO por Fischer–Tropsch e para a hidrogenólise e desidrogenação de alcanos, principalmente devido à sua elevada área superficial (>120mg^-1). As taxas de conversão de CO e H₂ em alcanos de baixa massa molecular foram aproximadamente 20 vezes superiores por grama de Fe às obtidas com pó de ferro comercial de partículas finas (5 μm de diâmetro) a 250°C, e a atividade foi mais de 100 vezes superior a 200°C.

Exemplos de catalisadores preparados por ultrassons:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Recuperação de catalisadores

Embora os catalisadores não sejam consumidos durante as reações químicas, a sua atividade e eficiência podem diminuir devido à aglomeração e à incrustação. Por isso, pode observar-se que os catalisadores apresentam inicialmente uma elevada atividade catalítica e seletividade para compostos oxigenados. Contudo, durante a reação, pode ocorrer degradação dos catalisadores devido à agregação. Através da irradiação ultrassónica, os catalisadores podem ser regenerados, uma vez que as forças cavitacionais dispersam as partículas e removem depósitos da superfície.

Lavagem do carvão: remoção ultrassónica de cinzas e dessulfuração

O condicionamento ultrassónico pode melhorar o desempenho dos métodos de flotação do carvão, utilizados para a dessulfuração e a remoção de cinzas. A maior vantagem do método ultrassónico é a remoção simultânea de cinzas e enxofre.[1] Os ultrassons e o escoamento acústico que geram são bem conhecidos pelos seus efeitos nas partículas. Os ultrassons de potência desaglomeram e dispersam as partículas de carvão e polem a sua superfície. Além disso, os ultrassons limpam a matriz do carvão, removendo enxofre e cinzas.
Ao condicionar o fluxo de polpa, aplicam-se ultrassons de alta potência para melhorar a remoção de cinzas e a dessulfuração da polpa. A sonicação influencia a natureza da polpa, diminuindo o teor de oxigénio e a tensão interfacial, ao mesmo tempo que aumenta o valor do pH e a temperatura. Assim, o tratamento ultrassónico de carvão com elevado teor de enxofre melhora a dessulfuração.

Diminuição da hidrofobicidade da pirite assistida por ultrassons

Os radicais de oxigénio gerados por ultrassons oxidam excessivamente a superfície da pirite e fazem com que o enxofre existente na polpa pareça estar sob a forma de unidades de sulfóxido. Isto diminuiu a hidrofobicidade da pirite.

As condições intensas durante o colapso das bolhas de cavitação geradas por ultrassons em líquidos são capazes de criar radicais livres. Isto significa que, por exemplo, a sonicação da água quebra as ligações moleculares, produzindo radicais livres •OH e •OH.

H₂O → •H + •OH
Os radicais livres •OH e •H gerados podem sofrer reações secundárias, como se segue:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
O H2O2 produzido é instável e liberta rapidamente oxigénio nascente. Assim, o teor de oxigénio na água aumenta após o condicionamento ultrassónico. O oxigénio nascente, sendo altamente ativo, pode reagir com as partículas minerais existentes na polpa e reduzir o teor de oxigénio da polpa.
A oxidação da pirite (FeS₂) ocorre devido à reação de O₂ com o FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Extração do carvão

Na extração do carvão, utilizam-se solventes que podem libertar hidrogénio para a hidrogenação do carvão nas condições de extração escolhidas. A tetralina é um solvente comprovado, que é oxidado a naftaleno durante a extração. O naftaleno pode ser separado e convertido novamente em tetralina por hidrogenação. O processo é realizado sob pressão, a temperaturas específicas que dependem do tipo de carvão, e com tempos de residência de cerca de três horas.

Reativação ultrassónica de partículas de carvão oxidadas

A flotação por espuma é um processo de separação utilizado para purificar e beneficiar o carvão, aproveitando as diferenças de hidrofobicidade.
Os carvões oxidados são difíceis de flotar, uma vez que a hidrofilicidade da superfície do carvão aumenta. O oxigénio ligado à superfície do carvão forma grupos polares de fenol (-OH), carbonilo (-C=O) e carboxilo (-COOH), que aumentam a hidratação da superfície do carvão e, consequentemente, a sua hidrofilicidade, impedindo a adsorção dos reagentes de flotação.
Um tratamento ultrassónico de partículas pode ser utilizado para remover as camadas de oxidação das partículas de carvão, de modo a reativar a superfície das partículas de carvão oxidadas.

Combustíveis de carvão-água-óleo e carvão-água

Por ultrassons, a moagem e a dispersão são utilizadas para gerar suspensões de partículas finas de carvão em água ou óleo. Através da sonicação, gera-se uma dispersão de partículas finas e, consequentemente, uma suspensão estável. (Para obter estabilidade a longo prazo, poderá ser necessária a adição de um estabilizante.) A presença de água nestes combustíveis de carvão-água e carvão-água-óleo resulta numa combustão mais completa e reduz as emissões nocivas. Além disso, o carvão disperso em água torna-se à prova de explosão, o que facilita o manuseamento.

Referências bibliográficas

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash para De-Ashing e De-Sulfurização: Investigação Experimental e Modelagem Mecanística. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Efeitos de mudanças na natureza da polpa após o condicionamento ultra-sônico na flutuação de carvão com alto teor de enxofre. Ciência e Tecnologia de Mineração 19, 2009. 498-502.