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
O ferro nanofásico preparado sonoquimicamente é um catalisador ativo para a hidrogenação Fischer-Tropsch do CO e para a hidrogenólise e desidrogenação de alcanos, principalmente devido à sua elevada área superficial (>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.