Tratamentos ultrassônicos de carvão para produção de energia

A sonicação de pastas de carvão contribui para vários processos durante a produção de energia a partir do carvão. O ultrassom promove 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. Reações colaterais químicas indesejadas durante a desincineração e dessulfuração podem ser evitadas – 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 aprimorada pela sonicação.

Liquefação de Carvão/Processo de Carvão-Líquido

Os combustíveis líquidos podem ser produzidos industrialmente a partir do carvão pelo processo de “liquefação de carvão”. A liquefação do carvão pode ser alcançada por duas rotas – a liquefação direta (DCL) e indireta (ICL).
Enquanto a liquefação indireta geralmente envolve a gaseificação do carvão, o processo de liquefação direta converte o carvão diretamente em líquido. Portanto, solventes (por exemplo, tetralina) ou catalisadores (por exemplo, MoS₂) são usados em combinação com pressões e temperaturas elevadas para quebrar a estrutura orgânica do carvão. Como os hidrocarbonetos líquidos geralmente têm uma razão molar hidrogênio-carbono mais alta do que o carvão, um processo de hidrogenação ou rejeição de carbono é necessário nas tecnologias ICL e DCL.

Liquefação direta de carvão

Estudos mostraram que a liquefação direta do carvão de carvões pré-tratados por ultrassom pode ser melhorada acentuadamente. Três tipos diferentes de carvão betuminoso de classificação inferior foram sonicados em solvente. O ultrassom induziu inchaço e Dispersão resultaram em rendimentos de liquefação notavelmente mais altos.

Liquefação indireta de carvão

O carvão pode ser convertido em combustíveis líquidos por processos de liquefação indireta de carvão (ICL) por meio de gaseificação seguida pela conversão catalítica de gás de síntese em hidrocarbonetos limpos e combustíveis de transporte oxigenados, como metanol, éter dimetílico, combustíveis semelhantes a diesel ou gasolina de Fischer-Tropsch. A síntese de Fischer-Tropsch requer o uso de catalisadores, como catalisadores à base de ferro. Via ultrassônico fragmentação de partículas, a eficiência dos catalisadores pode ser significativamente melhorada.

Ativação do catalisador ultrassônico

Pelo tratamento ultrassônico, as partículas podem ser Dispersos, desaglomerado e fragmentado – resultando em uma superfície de partícula mais alta. Para catalisadores, isso significa maior superfície ativa, o que aumenta a reatividade catalítica das partículas.
Exemplo: catalisador de Fe em 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 a baixo peso molecular foram aproximadamente 20 vezes maiores por grama de Fe do que para partículas finas (5 μm de diâmetro) pó de ferro comercial a 250 ° C e mais de 100 vezes mais ativos a 200 ° C.

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

Recuperação do catalisador

Embora os catalisadores não sejam consumidos durante as reações químicas, sua atividade e eficiência podem diminuir devido à aglomeração e incrustação. Portanto, pode-se observar que os catalisadores apresentam inicialmente uma alta atividade catalítica e seletividade oxigenada. No entanto, durante a reação, a degradação dos catalisadores pode ocorrer devido à agregação. Por radiação ultrassônica, os catalisadores podem ser regenerados como o cavitacional Forças dispersar as partículas e remover os depósitos da superfície.

Lavagem de carvão: Descarbonização e dessulfuração ultrassônica

O condicionamento ultrassônico pode melhorar o desempenho dos métodos de flotação de carvão, que são usados para dessulfurização e descongelamento. A maior vantagem do método ultrassônico é a remoção simultânea de cinzas e enxofre. [1] O ultrassom e seu fluxo acústico são bem conhecidos por seus efeitos nas partículas. O ultrassom de potência desaglomera e dispersa as partículas de carvão e poli sua superfície. Além disso, o ultrassom limpa a matriz de carvão removendo enxofre e cinzas.
Ao condicionar o fluxo de celulose, o ultrassom de alta potência é aplicado para melhorar a descarbonização e dessulfuração da polpa. A sonicação influencia a natureza da polpa, diminuindo o teor de oxigênio e a tensão interfacial, enquanto aumenta o valor do pH e a temperatura. Assim, o tratamento ultrassônico do carvão com alto teor de enxofre melhora a dessulfurização.

Diminuição da hidrofobicidade da pirita assistida por ultrassom

Os radicais de oxigênio gerados por ultrassom oxidam demais a superfície da pirita e fazem com que o enxofre existente na polpa pareça estar na forma de unidades de sulfóxido. Isso diminuiu a hidrofobicidade da pirita.

As condições intensas durante o colapso do ultrassom gerado cavitação Bolhas em líquidos são capazes de criar radicais livres. Isso significa que, ou seja, 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 reações secundárias, como segue:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
O H2O2 produzido é instável e descarrega oxigênio nascente rapidamente. Assim, o teor de oxigênio na água aumenta após o condicionamento ultrassônico. O oxigênio nascente, por ser altamente ativo, pode reagir com partículas minerais existentes na polpa e reduzir o teor de oxigênio da polpa.
A oxidação da pirita (FeS₂) ocorre devido à reação de O₂ com o FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂ENTÃO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂ENTÃO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

extração de carvão

Para a extração de carvão, são usados solventes que podem liberar hidrogênio nas condições de extração escolhidas para a hidrogenação do carvão. A tetralina é um solvente comprovado, que é oxidado em naftaleno durante a extração. O naftaleno pode ser separado e convertido, por hidrogenação novamente em tetralina. O processo é realizado sob pressão a temperaturas específicas, dependendo do tipo de carvão e tempos de residência de cerca de três horas.

Reativação ultrassônica de partículas de carvão oxidado

A flutuação da espuma é um processo de separação que é usado para purificar e beneficiar o carvão, aproveitando as diferenças em sua hidrofobicidade.
Os carvões oxidados são difíceis de flutuar, à medida que a hidrofilicidade da superfície do carvão aumenta. O oxigênio ligado na superfície do carvão forma grupos fenol polar (-OH), carbonila (-C=O) e carboxila (-COOH), que aumentam a hidratação da superfície do carvão e, assim, aumentam sua hidrofilicidade, impedindo que os reagentes de flotação sejam adsorvidos.
Um ultrassônico Tratamento de partículas pode ser usado para remover camadas de oxidação de partículas de carvão para que a superfície das partículas de carvão oxidado seja reativada.

Combustíveis Carvão-Água-Óleo e Carvão-Água

ultrassônico Esmerilhação e Dispersão é usado para gerar pastas de tamanho fino de partículas de carvão em água ou óleo. Por ultrassom, uma dispersão de partículas de tamanho fino e, portanto, uma suspensão estável é gerada. (Para estabilidade de longo prazo, pode ser necessária a adição de um estabilizador.) A presença de água nesses combustíveis carvão-água e carvão-água-óleo resulta em uma combustão mais completa e reduz as emissões nocivas. Além disso, o carvão disperso na água torna-se à prova de explosão, o que facilita o manuseio.

Referência/Literatura

1. Ambedkar, B. (2012): Lavagem de carvão ultrassônica para descinzamento e dessulfurização: investigação experimental e modelagem mecanicista. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Efeitos das mudanças na natureza da celulose após o condicionamento ultrassônico na flutuação de carvão com alto teor de enxofre. Ciência e Tecnologia de Mineração 19, 2009. 498-502.