Ultrazvukové spracovanie uhlia na výrobu energie

Sonikácia uhoľných suspenzií prispieva k rôznym procesom pri výrobe energie z uhlia. Ultrazvuk podporuje katalytickú hydrogenáciu počas skvapalňovania uhlia. Okrem toho môže sonikácia zlepšiť povrch a extrahovateľnosť uhlia. Je možné zabrániť nežiaducim chemickým vedľajším reakciám počas odpopolňovania a odsírenia – dokončenie procesu za oveľa kratší čas. Dokonca aj počas procesu separácie pomocou flotácie peny je možné ultrazvukom výrazne zvýšiť jemnú disperziu častíc.

Proces skvapalňovania uhlia/premeny uhlia na kvapalinu

Kvapalné palivá sa môžu priemyselne vyrábať z uhlia procesom “Skvapalnenie uhlia”. Skvapalnenie uhlia je možné dosiahnuť dvoma spôsobmi – priame (DCL) a nepriame skvapalnenie (ICL).
Zatiaľ čo nepriame skvapalňovanie vo všeobecnosti zahŕňa splyňovanie uhlia, proces priameho skvapalňovania premieňa uhlie priamo na kvapalné. Preto rozpúšťadlá (napr. tetralín) alebo katalyzátory (napr. MoS₂) sa používajú v kombinácii so zvýšenými tlakmi a teplotami na rozbitie organickej štruktúry uhlia. Keďže kvapalné uhľovodíky majú vo všeobecnosti vyšší molárny pomer vodíka a uhlíka ako uhlie, v technológiách ICL aj DCL je potrebný proces hydrogenácie alebo odmietnutia uhlíka.

Priame skvapalňovanie uhlia

Štúdie ukázali, že priame skvapalnenie uhlia ultrazvukom vopred upraveného uhlia sa dá výrazne zlepšiť. Tri rôzne typy bitúmenového uhlia nižšej triedy boli sonikované v rozpúšťadle. Ultrazvukom vyvolaný opuch a Rozptyľuje viedlo k výrazne vyšším výťažkom skvapalnenia.

Nepriame skvapalnenie uhlia

Uhlie sa môže premeniť na kvapalné palivá procesmi nepriameho skvapalňovania uhlia (ICL) splyňovaním, po ktorom nasleduje katalytická premena syntézneho plynu na čisté uhľovodíky a okysličené dopravné palivá, ako sú metanol, dimetyléter, Fischer-Tropsch naftové alebo benzínové palivá. Fischer-Tropschova syntéza vyžaduje použitie katalyzátorov, ako sú katalyzátory na báze železa. Cez ultrazvuk fragmentácia častíc, účinnosť katalyzátorov sa môže výrazne zlepšiť.

Aktivácia ultrazvukového katalyzátora

Ultrazvukovým ošetrením môžu byť častice Rozptýlené, deaglomerované a Roztrieštené – výsledkom je vyšší povrch častíc. Pre katalyzátory to znamená vyššiu aktívnu plochu, čo zvyšuje katalytickú reaktivitu častíc.
Príklad: Fe katalyzátor v nanomierke
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). Miery prepočtu CO a H₂ alkány s nízkou molekulovou hmotnosťou boli približne 20-krát vyššie na gram Fe ako pre jemné častice (priemer 5 μm) komerčný železný prášok pri 250 °C a viac ako 100-krát aktívnejší pri 200 °C.

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

Rekultivácia katalyzátora

Aj keď sa katalyzátory nespotrebúvajú počas chemických reakcií, ich aktivita a účinnosť sa môže znížiť v dôsledku aglomerácie a znečistenia. Preto možno pozorovať, že katalyzátory spočiatku vykazujú vysokú katalytickú aktivitu a selektivitu okysličovačov. Počas reakcie však môže dôjsť k degradácii katalyzátorov v dôsledku agregácie. Ultrazvukovým ožarovaním je možné katalyzátory regenerovať ako Kavitácia Sily rozptýliť častice a odstráňte usadeniny z povrchu.

Umývanie uhlia: ultrazvukové odpopolňovanie a odsírenie

Ultrazvukové kondicionovanie môže zvýšiť výkon metód flotácie uhlia, ktoré sa používajú na odsírenie a odpopolňovanie. Najväčšou výhodou ultrazvukovej metódy je súčasné odstránenie popola a síry. [1] Ultrazvuk a jeho akustické prúdenie sú dobre známe pre svoje účinky na častice. Výkonový ultrazvuk deaglomeruje a rozptyľuje častice uhlia a leští ich povrch. Okrem toho ultrazvuk čistí uhoľnú matricu a odstraňuje síru a popol.
Kondicionovaním prúdu buničiny sa aplikuje vysokovýkonný ultrazvuk na zlepšenie odpopolňovania a odsírenia buničiny. Sonikácia ovplyvňuje povahu buničiny znížením obsahu kyslíka a medzifázového napätia a zároveň zvyšuje hodnotu pH a teplotu. Ultrazvukové ošetrenie uhlia s vysokým obsahom síry tým zlepšuje odsírenie.

Ultrazvukom asistované zníženie hydrofóbnosti pyritu

Ultrazvukom generované kyslíkové radikály nadmerne oxidujú povrch pyritu a síra existujúca v buničine sa javí ako vo forme sulfoxidových jednotiek. To znížilo hydrofóbnosť pyritu.

Intenzívne podmienky počas kolapsu ultrazvukom generovaného Kavitácie Bubliny v kvapalinách sú schopné vytvárať voľné radikály. To znamená, že sonikácia vody preruší väzby molekúl a vytvorí voľné radikály •OH a •OH.

H₂O → •H + •OH
Vznikajúce voľné radikály •OH a •H môžu podliehať sekundárnym reakciám nasledovne:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•H. O.₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Produkovaný H2O2 je nestabilný a rýchlo vypúšťa vznikajúci kyslík. Obsah kyslíka vo vode sa teda po ultrazvukovej úprave zvyšuje. Rodiaci sa kyslík, ktorý je vysoko aktívny, môže reagovať s minerálnymi časticami existujúcimi v buničine a znižovať obsah kyslíka v buničine.
Oxidácia pyritu (FeS₂) nastáva v dôsledku reakcie O₂ s FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂TAK₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂TAK₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

ťažba uhlia

Na extrakciu uhlia sa používajú rozpúšťadlá, ktoré môžu za zvolených podmienok extrakcie uvoľňovať vodík na hydrogenáciu uhlia. Tetralín je osvedčené rozpúšťadlo, ktoré sa počas extrakcie oxiduje na naftalén. Naftalén sa môže oddeliť a premeniť opäť hydrogenáciou v tetralíne. Proces sa vykonáva pod tlakom pri špecifických teplotách v závislosti od druhu uhlia a doby zotrvania asi tri hodiny.

Ultrazvuková reaktivácia oxidovaných častíc uhlia

Plávanie peny je separačný proces, ktorý sa používa na čistenie a obohacovanie uhlia využitím rozdielov v jeho hydrofóbnosti.
Oxidované uhlie sa ťažko vznáša, pretože sa zvyšuje hydrofilnosť povrchu uhlia. Pripojený kyslík na povrchu uhlia tvorí polárne fenolové (-OH), karbonylové (-C=O) a karboxylové (-COOH) skupiny, ktoré zvyšujú hydratáciu povrchu uhlia a tým zvyšujú jeho hydrofilnosť, čím zabraňujú adsorbácii flotačných činidiel.
Ultrazvuk Spracovanie častíc Môže byť použitý na odstránenie oxidačných vrstiev z častíc uhlia, aby sa povrch oxidovaných častíc uhlia znovu aktivoval.

Uhlie, voda, ropa a uhoľné palivá

nadzvukový Brúsenie a Rozptyľuje sa používa na vytváranie jemných suspenzií uhoľných častíc vo vode alebo oleji. Ultrazvukom sa vytvára jemná disperzia častíc a tým stabilná suspenzia. (Pre dlhodobú stabilitu môže byť potrebné pridanie stabilizátora.) Prítomnosť vody v týchto palivách z uhlia a vody a ropy z uhlia a vody vedie k úplnejšiemu spaľovaniu a znižuje škodlivé emisie. Okrem toho sa uhlie rozptýlené vo vode stáva odolným voči výbuchu, čo uľahčuje manipuláciu.

Referencie/ 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.