Ultrazvukové spracovanie uhlia na výrobu energie

Sonikácia uhoľných suspenzií prispieva k rôznym procesom pri výrobe energie z uhlia. Ultrazvuk podporuje katalytickú hydrogenáciu pri skvapalňovaní uhlia. Sonikácia môže navyše zväčšiť povrch uhlia a zlepšiť jeho extrahovateľnosť. Nežiaducim vedľajším chemickým reakciám pri odstraňovaní popola a odsírovaní možno predísť – pričom proces prebehne za oveľa kratší čas. Aj pri separácii penovou flotáciou možno sonikáciou výrazne zlepšiť jemnú disperziu častíc.

Skvapalňovanie uhlia/ Proces premeny uhlia na kvapalné palivá

Kvapalné palivá možno priemyselne vyrábať z uhlia procesom „skvapalňovania uhlia“. Skvapalňovanie uhlia možno uskutočniť dvoma spôsobmi – priamym (DCL) a nepriamym skvapalňovaním (ICL).
Zatiaľ čo nepriame skvapalňovanie vo všeobecnosti zahŕňa splyňovanie uhlia, proces priameho skvapalňovania premieňa uhlie priamo na kvapalinu. Na rozrušenie organickej štruktúry uhlia sa preto používajú rozpúšťadlá (napr. tetralín) alebo katalyzátory (napr. MoS₂) v kombinácii so zvýšeným tlakom a teplotou. Keďže kvapalné uhľovodíky majú vo všeobecnosti vyšší molárny pomer vodíka k uhlíku než uhlie, v technológiách ICL aj DCL je potrebný proces hydrogenácie alebo odstraňovania uhlíka.

Priame skvapalňovanie uhlia

Štúdie ukázali, že priame skvapalňovanie uhlia vopred upraveného ultrazvukom možno výrazne zlepšiť. Tri rôzne druhy čierneho uhlia s nižším stupňom preuhoľnenia sa sonikovali v rozpúšťadle. Napučiavanie vyvolané ultrazvukom a dispergovanie viedli k výrazne vyšším výťažkom skvapalňovania.

Nepriame skvapalňovanie uhlia

Uhlie možno premeniť na kvapalné palivá procesmi nepriameho skvapalňovania uhlia (ICL), a to splyňovaním, po ktorom nasleduje katalytická premena syntézneho plynu na čisté uhľovodíky a kyslíkaté dopravné palivá, ako sú metanol, dimetyléter a palivá podobné nafte alebo benzínu vyrábané Fischerovou–Tropschovou syntézou. Fischerova–Tropschova syntéza vyžaduje použitie katalyzátorov, napríklad katalyzátorov na báze železa. Prostredníctvom ultrazvukovej fragmentácie častíc možno výrazne zvýšiť účinnosť katalyzátorov.

Ultrazvuková aktivácia katalyzátorov

Ultrazvukovým spracovaním možno častice dispergovať, deaglomerovať a fragmentovať – čím sa zväčšuje povrch častíc. Pre katalyzátory to znamená väčší aktívny povrch, ktorý zvyšuje katalytickú reaktivitu častíc.
Príklad: Katalyzátor Fe v nanometrovej mierke
Sonochemicky pripravené nanofázové železo je aktívnym katalyzátorom Fischerovej–Tropschovej hydrogenácie CO a hydrogenolýzy a dehydrogenácie alkánov, najmä vďaka svojmu veľkému povrchu (>120mg^-1). Rýchlosti premeny CO a H₂ na alkány s nízkou molekulovou hmotnosťou boli pri 250°C približne 20-krát vyššie na gram Fe než pri komerčnom železnom prášku s jemnými časticami (s priemerom 5 μm) a pri 200°C bola aktivita viac než 100-krát vyššia.

Príklady katalyzátorov pripravených ultrazvukom:
napr. MoS₂, nano-Fe

Regenerácia katalyzátorov

Hoci sa katalyzátory pri chemických reakciách nespotrebúvajú, ich aktivita a účinnosť sa môžu znižovať v dôsledku aglomerácie a zanášania. Preto možno pozorovať, že katalyzátory spočiatku vykazujú vysokú katalytickú aktivitu a selektivitu voči kyslíkatým zlúčeninám. Počas reakcie však môže v dôsledku agregácie dochádzať k degradácii katalyzátorov. Pôsobením ultrazvuku možno katalyzátory regenerovať, pretože kavitačné sily dispergujú častice a odstraňujú usadeniny z povrchu.

Pranie uhlia: Ultrazvukové odstraňovanie popola a odsírovanie

Ultrazvuková úprava môže zvýšiť výkonnosť metód flotácie uhlia, ktoré sa používajú na odsírovanie a odstraňovanie popola. Najväčšou výhodou ultrazvukovej metódy je súčasné odstraňovanie popola a síry.[1] Ultrazvuk a ním vyvolané akustické prúdenie sú dobre známe svojimi účinkami na častice. Výkonový ultrazvuk deaglomeruje a disperguje častice uhlia a vyhladzuje ich povrch. Ultrazvuk navyše čistí uhoľnú matricu odstraňovaním síry a popola.
Pri úprave prúdu rmutu sa používa vysokovýkonný ultrazvuk na zlepšenie odstraňovania popola a odsírovania rmutu. Sonikácia ovplyvňuje vlastnosti rmutu znižovaním obsahu kyslíka a medzifázového napätia, pričom zvyšuje hodnotu pH a teplotu. Ultrazvukové spracovanie uhlia s vysokým obsahom síry tak zlepšuje odsírovanie.

Ultrazvukom podporované znižovanie hydrofóbnosti pyritu

Kyslíkové radikály vytvorené ultrazvukom nadmerne oxidujú povrch pyritu a spôsobujú, že síra prítomná v rmute sa javí ako síra vo forme sulfoxidových jednotiek. Tým sa znížila hydrofóbnosť pyritu.

Extrémne podmienky pri kolapse ultrazvukom vytvorených kavitačných bublín v kvapalinách môžu vytvárať voľné radikály. To znamená, že napríklad sonikácia vody štiepi molekulové väzby a vytvára voľné radikály •OH a •OH.

H₂O → •H + •OH
Vzniknuté voľné radikály •OH a •H môžu podliehať nasledujúcim sekundárnym reakciám:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Vzniknutý H2O2 je nestabilný a rýchlo uvoľňuje kyslík v stave zrodu. Po ultrazvukovej úprave sa tak zvyšuje obsah kyslíka vo vode. Kyslík v stave zrodu je vysoko aktívny a môže reagovať s minerálnymi časticami prítomnými v rmute a znižovať obsah kyslíka v rmute.
K oxidácii pyritu (FeS₂) dochádza v dôsledku reakcie O₂ s FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Extrakcia uhlia

Na extrakciu uhlia sa používajú rozpúšťadlá, ktoré môžu za zvolených extrakčných podmienok uvoľňovať vodík na hydrogenáciu uhlia. Tetralín je osvedčené rozpúšťadlo, ktoré sa počas extrakcie oxiduje na naftalén. Naftalén možno oddeliť a hydrogenáciou opäť premeniť na tetralín. Proces sa vykonáva pod tlakom pri špecifických teplotách v závislosti od druhu uhlia a s časom zdržania približne tri hodiny.

Ultrazvuková reaktivácia oxidovaných častíc uhlia

Penová flotácia je separačný proces, ktorý sa používa na čistenie a zušľachťovanie uhlia využitím rozdielov v hydrofóbnosti.
Oxidované uhlie sa ťažko flotuje, pretože sa zvyšuje hydrofilnosť jeho povrchu. Kyslík naviazaný na povrch uhlia vytvára polárne fenolové (-OH), karbonylové (-C=O) a karboxylové (-COOH) skupiny, ktoré zvyšujú hydratáciu povrchu uhlia, a tým aj jeho hydrofilnosť, čím bránia adsorpcii flotačných činidiel.
Ultrazvukové spracovanie častíc možno použiť na odstránenie oxidačných vrstiev z častíc uhlia, čím sa povrch oxidovaných častíc uhlia opäť aktivuje.

Palivá na báze uhlia, vody a oleja a palivá na báze uhlia a vody

Ultrazvukové mletie a dispergovanie sa používajú na vytváranie suspenzií jemných častíc uhlia vo vode alebo oleji. Pôsobením ultrazvuku vzniká disperzia jemných častíc, a tým stabilná suspenzia. (Na dlhodobú stabilitu môže byť potrebné pridať stabilizátor.) Prítomnosť vody v týchto palivách na báze uhlia a vody a uhlia, vody a oleja vedie k dokonalejšiemu spaľovaniu a znižuje škodlivé emisie. Uhlie dispergované vo vode sa navyše stáva nevýbušným, čo uľahčuje manipuláciu.

Odkazy / literatúra

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrazvukové umývanie uhlia na odpopolňovanie a odsírenie: experimentálne skúmanie a mechanistické modelovanie. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Účinky zmien v povahe buničiny po ultrazvukovom kondicionovaní na plávanie uhlia s vysokým obsahom síry. Banícka veda a technológia 19, 2009. 498-502.