Tratamente cu ultrasunete ale cărbunelui pentru producția de energie

Sonicarea suspensiilor de cărbune contribuie la diverse procese din cadrul producției de energie din cărbune. Ultrasunetele favorizează hidrogenarea catalitică în timpul lichefierii cărbunelui. În plus, sonicarea poate îmbunătăți aria suprafeței și extractibilitatea cărbunelui. Reacțiile chimice secundare nedorite din timpul dezcenușării și desulfurării pot fi evitate – procesul fiind realizat într-un timp mult mai scurt. Chiar și în timpul procesului de separare prin flotație cu spumă, dispersia fină a particulelor poate fi îmbunătățită semnificativ prin sonicare.

Lichefierea cărbunelui/ Procesul de conversie a cărbunelui în lichid (Coal-to-Liquid)

Combustibilii lichizi pot fi produși industrial din cărbune prin procesul de „lichefiere a cărbunelui”. Lichefierea cărbunelui poate fi realizată pe două căi – lichefierea directă (DCL) și lichefierea indirectă (ICL).
În timp ce lichefierea indirectă implică în general gazeificarea cărbunelui, procesul de lichefiere directă transformă cărbunele direct în lichid. În acest scop, se utilizează solvenți (e.g. tetralină) sau catalizatori (e.g. MoS₂) în combinație cu presiuni și temperaturi ridicate pentru a descompune structura organică a cărbunelui. Deoarece hidrocarburile lichide au în general un raport molar hidrogen-carbon mai mare decât cărbunele, atât în tehnologiile ICL, cât și în cele DCL este necesar un proces de hidrogenare sau de eliminare a carbonului.

Lichefierea directă a cărbunelui

Studiile au arătat că lichefierea directă a cărbunilor pretratați cu ultrasunete poate fi îmbunătățită considerabil. Trei tipuri diferite de cărbune bituminos de rang inferior au fost sonicate în solvent. Umflarea și dispersarea induse de ultrasunete au condus la randamente de lichefiere remarcabil mai mari.

Lichefierea indirectă a cărbunelui

Cărbunele poate fi transformat în combustibili lichizi prin procese de lichefiere indirectă a cărbunelui (ICL), prin gazeificare urmată de conversia catalitică a gazului de sinteză în hidrocarburi curate și combustibili oxigenați pentru transport, cum ar fi metanolul, dimetileterul și combustibilii Fischer-Tropsch de tip motorină sau benzină. Sinteza Fischer-Tropsch necesită utilizarea unor catalizatori, cum ar fi catalizatorii pe bază de fier. Prin fragmentarea cu ultrasunete a particulelor, eficiența catalizatorilor poate fi îmbunătățită semnificativ.

Activarea catalizatorilor cu ultrasunete

Prin tratament cu ultrasunete, particulele pot fi dispersate, dezaglomerate și fragmentate – rezultând o suprafață mai mare a particulelor. Pentru catalizatori, aceasta înseamnă o suprafață activă mai mare, care crește reactivitatea catalitică a particulelor.
Exemplu: catalizator de Fe la scară nanometrică
Fierul nanofazic preparat sonochimic este un catalizator activ pentru hidrogenarea Fischer–Tropsch a CO și pentru hidrogenoliza și dehidrogenarea alcanilor, în principal datorită ariei mari a suprafeței sale (>120mg^-1). Vitezele de conversie a CO și H₂ în alcani cu masă moleculară mică au fost de aproximativ 20 de ori mai mari per gram de Fe decât în cazul pulberii comerciale de fier cu particule fine (diametru de 5 μm) la 250°C, iar la 200°C de peste 100 de ori mai activ.

Exemple de catalizatori preparați cu ultrasunete:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Regenerarea catalizatorilor

Deși catalizatorii nu sunt consumați în timpul reacțiilor chimice, activitatea și eficiența lor pot scădea din cauza aglomerării și a depunerilor (colmatării). Prin urmare, se poate observa că inițial catalizatorii prezintă o activitate catalitică ridicată și o selectivitate ridicată pentru compuși oxigenați. Totuși, în timpul reacției poate avea loc degradarea catalizatorilor din cauza agregării. Prin iradiere cu ultrasunete, catalizatorii pot fi regenerați, deoarece cavitația produce forțe care dispersează particulele și îndepărtează depunerile de pe suprafață.

Spălarea cărbunelui: dezcenușarea și desulfurarea cu ultrasunete

Condiționarea cu ultrasunete poate îmbunătăți performanța metodelor de flotație a cărbunelui, care sunt utilizate pentru desulfurare și dezcenușare. Cel mai mare avantaj al metodei cu ultrasunete este îndepărtarea simultană a cenușii și a sulfului.[1] Ultrasunetele și curgerea acustică generată de acestea sunt bine cunoscute pentru efectele lor asupra particulelor. Ultrasunetele de putere dezaglomerează și dispersează particulele de cărbune și le șlefuiesc suprafața. În plus, ultrasunetele curăță matricea cărbunelui, îndepărtând sulful și cenușa.
Prin condiționarea fluxului de pulpă, ultrasunetele de mare putere sunt aplicate pentru a îmbunătăți dezcenușarea și desulfurarea pulpei. Sonicarea influențează natura pulpei prin scăderea conținutului de oxigen și a tensiunii interfaciale, crescând în același timp valoarea pH-ului și temperatura. Astfel, tratamentul cu ultrasunete al cărbunelui cu conținut ridicat de sulf îmbunătățește desulfurarea.

Scăderea hidrofobicității piritei asistată de ultrasunete

Radicalii de oxigen generați cu ultrasunete supraoxidează suprafața piritei și fac ca sulful existent în pulpă să apară sub formă de unități sulfoxid. Aceasta a redus hidrofobicitatea piritei.

Condițiile intense din timpul colapsului bulelor de cavitație generate cu ultrasunete în lichide sunt capabile să creeze radicali liberi. Aceasta înseamnă că, de exemplu, sonicarea apei rupe legăturile moleculare, producând radicali liberi •OH și •OH.

H₂O → •H + •OH
Radicalii liberi •OH și •H generați pot participa la reacții secundare, după cum urmează:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
H2O2 produs este instabil și eliberează rapid oxigen nascent. Astfel, conținutul de oxigen din apă crește după condiționarea cu ultrasunete. Oxigenul nascent, fiind foarte activ, poate reacționa cu particulele minerale existente în pulpă și poate reduce conținutul de oxigen al pulpei.
Oxidarea piritei (FeS₂) are loc datorită reacției O₂ cu FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Extracția cărbunelui

Pentru extracția cărbunelui se utilizează solvenți care, în condițiile de extracție alese, pot elibera hidrogen pentru hidrogenarea cărbunelui. Tetralina este un solvent dovedit, care este oxidat la naftalină în timpul extracției. Naftalina poate fi separată și transformată din nou în tetralină prin hidrogenare. Procesul se desfășoară sub presiune, la temperaturi specifice în funcție de tipul de cărbune, și cu timpi de staționare de aproximativ trei ore.

Reactivarea cu ultrasunete a particulelor de cărbune oxidate

Flotația cu spumă este un proces de separare utilizat pentru purificarea și îmbogățirea cărbunelui, valorificând diferențele de hidrofobicitate ale acestuia.
Cărbunii oxidați flotează greu, deoarece hidrofilicitatea suprafeței cărbunelui crește. Oxigenul atașat pe suprafața cărbunelui formează grupări polare fenol (-OH), carbonil (-C=O) și carboxil (-COOH), care intensifică hidratarea suprafeței cărbunelui și, astfel, cresc hidrofilicitatea acesteia, împiedicând adsorbția reactivilor de flotație.
Un tratament cu ultrasunete al particulelor poate fi utilizat pentru a îndepărta straturile de oxidare de pe particulele de cărbune, astfel încât suprafața particulelor de cărbune oxidate să fie reactivată.

Combustibili cărbune-apă-ulei și cărbune-apă

Procesele cu ultrasunete de măcinare și dispersare sunt utilizate pentru a genera suspensii fine de particule de cărbune în apă sau ulei. Prin ultrasonicare se generează o dispersie fină a particulelor și, astfel, o suspensie stabilă. (Pentru stabilitate pe termen lung, ar putea fi necesară adăugarea unui stabilizator.) Prezența apei în acești combustibili cărbune-apă și cărbune-apă-ulei duce la o ardere mai completă și reduce emisiile nocive. În plus, cărbunele dispersat în apă devine antiexploziv, ceea ce facilitează manipularea.

Referințe bibliografice

1. Ambedkar, B. (2012): Spălarea cărbunelui cu ultrasunete pentru de-cenușă și desulfurizare: investigație experimentală și modelare mecanică. Springer, 2012.
2. Kang, W .; Xun, H.; Kong, X .; Li, M. (2009): Efectele schimbărilor în natura pulpei după condiționarea cu ultrasunete asupra flotării cărbunelui cu conținut ridicat de sulf. Știința și tehnologia minieră 19, 2009. 498-502.