Tratamentos ultra-sónicos do carvão para a produção de energia

A sonicação de lamas de carvão contribui para vários processos durante a produção de energia a partir do carvão. Os ultra-sons promovem a hidrogenação catalítica durante a liquefação do carvão. Além disso, a sonicação pode melhorar a área de superfície e a capacidade de extração do carvão. Podem ser evitadas reacções químicas secundárias indesejadas durante a lavagem e a dessulfuração – realizando o processo em muito menos tempo. Mesmo durante o processo de separação por flotação de espuma, a dispersão de partículas de tamanho fino pode ser significativamente melhorada por sonicação.

Liquefação de carvão/ Processo de transformação de carvão em líquido

Os combustíveis líquidos podem ser produzidos industrialmente a partir do carvão através do processo de “Liquefação de carvão”. A liquefação do carvão pode ser realizada por duas vias – a liquefação direta (DCL) e a liquefação indireta (ICL).
Enquanto a liquefação indireta envolve geralmente a gaseificação do carvão, o processo de liquefação direta converte o carvão diretamente em líquido. Por conseguinte, os solventes (por exemplo, a tetralina) ou os catalisadores (por exemplo, MoS₂) são utilizados em combinação com pressões e temperaturas elevadas para quebrar a estrutura orgânica do carvão. Uma vez que os hidrocarbonetos líquidos têm geralmente uma razão molar hidrogénio-carbono mais elevada do que o carvão, é necessário um processo de hidrogenação ou de rejeição de carbono nas tecnologias ICL e DCL.

Liquefação direta de carvão

Estudos demonstraram que a liquefação direta de carvões pré-tratados por ultra-sons pode ser melhorada significativamente. Três tipos diferentes de carvão betuminoso de baixa qualidade foram submetidos a ultra-sons em solvente. O inchaço induzido por ultra-sons e Dispersão resultou em rendimentos de liquefação notavelmente mais elevados.

Liquefação indireta de carvão

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

Ativação do catalisador por ultra-sons

Por tratamento ultrassónico, as partículas podem ser Dispersos, desaglomerado e fragmentado - resultando numa maior superfície das partículas. No caso dos catalisadores, isto significa uma maior superfície ativa, o que aumenta as partículas’ reatividade catalítica.
Exemplo: Catalisador de Fe à escala nanométrica
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). Taxas de conversão de CO e H₂ para alcanos de baixo peso molecular foram aproximadamente 20 vezes mais elevados por grama de Fe do que para partículas finas (5 μm de diâmetro) de pó de ferro comercial a 250°C e mais de 100 vezes mais activos a 200°C.

Exemplos de catalisadores preparados por ultra-sons:
por exemplo, MoS₂, nano-Fe

Recuperação do catalisador

Embora os catalisadores não sejam consumidos durante as reacções químicas, a sua atividade e eficiência podem diminuir devido à aglomeração e incrustação. Por conseguinte, pode observar-se que os catalisadores apresentam inicialmente uma elevada atividade catalítica e seletividade de oxigenados. No entanto, durante a reação, a degradação dos catalisadores pode ocorrer devido à agregação. Por irradiação ultra-sónica, os catalisadores podem ser regenerados, uma vez que a cavitacional forças dispersar as partículas e remover as deposições da superfície.

Lavagem de carvão: Descascamento e dessulfuração por ultra-sons

O condicionamento ultrassónico pode melhorar o desempenho dos métodos de flotação de carvão, que são utilizados para a dessulfuração e desashing. A maior vantagem do método ultrassónico é a remoção simultânea de cinzas e enxofre[1]. Os ultra-sons e o seu fluxo acústico são bem conhecidos pelos seus efeitos sobre as partículas. O ultrassom de potência desaglomera e dispersa as partículas de carvão e polimento sua superfície. Além disso, os ultra-sons limpam a matriz do carvão, removendo o enxofre e as cinzas.
Ao condicionar a corrente de polpa, são aplicados ultra-sons de alta potência para melhorar a desincrustação e a dessulfuração da polpa. A sonicação influencia a natureza da pasta, diminuindo o teor de oxigénio e a tensão interfacial, ao mesmo tempo que aumenta o valor do pH e a temperatura. Deste modo, o tratamento ultrassónico do carvão com alto teor de enxofre melhora a dessulfuração.

Diminuição da hidrofobicidade da pirita assistida por ultra-sons

Os radicais de oxigénio gerados por ultra-sons sobre-oxidam a superfície da pirite e fazem com que o enxofre existente na pasta pareça estar sob a forma de unidades de sulfóxido. Este facto diminui a hidrofobicidade da pirite.

As condições intensas durante o colapso do cavitação As bolhas nos líquidos são capazes de criar radicais livres. Isto significa que a sonicação da água quebra as ligações moleculares produzindo radicais livres de -OH e -OH.

H₂O → -H + -OH
Os radicais livres -OH e -H gerados podem sofrer reacções secundárias, como se segue:
-H + O₂ → -HO₂
-OH + -OH → H₂O₂
-HO₂ + -HO₂ → H2O₂ + O₂
O H2O2 produzido é instável e liberta rapidamente o oxigénio nascente. Assim, o teor de oxigénio na água aumenta após o condicionamento ultrassónico. O oxigénio nascente, sendo altamente ativo, pode reagir com partículas minerais existentes na pasta e reduzir o teor de oxigénio da pasta.
A oxidação da pirite (FeS₂) ocorre devido à reação do 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 de carvão

Para a extração do carvão, são utilizados solventes que, nas condições de extração escolhidas, podem libertar hidrogénio para a hidrogenação do carvão. A tetralina é um solvente comprovado, que é oxidado a naftaleno durante a extração. O naftaleno pode ser separado e convertido, por hidrogenação, novamente em tetralina. O processo é efectuado sob pressão, a temperaturas específicas em função do tipo de carvão e com tempos de permanência de cerca de três horas.

Reativação ultra-sónica de partículas de carvão oxidadas

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

Combustíveis carvão-água-óleo e carvão-água

ultrassónico Retificação e Dispersão é utilizado para gerar pastas de partículas de carvão de tamanho fino em água ou óleo. Por ultra-sons, é gerada uma dispersão de partículas de tamanho fino e, assim, uma suspensão estável. (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.

Referência/ Literatura

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.