Ultrazvočna obdelava premoga za proizvodnjo energije

Sonikacija premogovih suspenzij prispeva k različnim procesom pri proizvodnji energije iz premoga. Ultrazvok spodbuja katalitsko hidrogeniranje med utekočinjanjem premoga. Poleg tega lahko sonikacija poveča površino premoga in izboljša njegovo ekstraktibilnost. Neželenim stranskim kemijskim reakcijam med odstranjevanjem pepela in razžveplanjem se je mogoče izogniti – pri čemer se proces izvede v precej krajšem času. Tudi med ločevanjem s penasto flotacijo je mogoče s sonikacijo znatno izboljšati fino dispergiranje delcev.

Utekočinjanje premoga/ Proces pretvorbe premoga v tekoča goriva

Tekoča goriva je mogoče industrijsko proizvajati iz premoga s procesom »utekočinjanja premoga«. Utekočinjanje premoga je mogoče doseči po dveh poteh – z neposrednim (DCL) in posrednim utekočinjanjem (ICL).
Medtem ko posredno utekočinjanje običajno vključuje uplinjanje premoga, proces neposrednega utekočinjanja premog neposredno pretvori v tekočino. Zato se topila (e.g. tetralin) ali katalizatorji (e.g. MoS₂) uporabljajo v kombinaciji s povišanimi tlaki in temperaturami za razgradnjo organske strukture premoga. Ker imajo tekoči ogljikovodiki običajno višje molsko razmerje med vodikom in ogljikom kot premog, je tako pri tehnologijah ICL kot pri tehnologijah DCL potreben proces hidrogeniranja ali odstranjevanja ogljika.

Neposredno utekočinjanje premoga

Študije so pokazale, da je mogoče neposredno utekočinjanje ultrazvočno predobdelanega premoga občutno izboljšati. V topilu so sonikirali tri različne vrste bituminoznega premoga nižje stopnje pooglenitve. Z ultrazvokom povzročeno nabrekanje in dispergiranje sta omogočili izrazito večje izkoristke utekočinjanja.

Posredno utekočinjanje premoga

Premog je mogoče pretvoriti v tekoča goriva s procesi posrednega utekočinjanja premoga (ICL), pri katerih uplinjanju sledi katalitska pretvorba sinteznega plina v čiste ogljikovodike in goriva za promet, ki vsebujejo kisik, kot so metanol, dimetil eter ter Fischer-Tropscheva goriva, podobna dizelskemu gorivu ali bencinu. Fischer-Tropscheva sinteza zahteva uporabo katalizatorjev, kot so katalizatorji na osnovi železa. Z ultrazvočno fragmentacijo delcev je mogoče znatno izboljšati učinkovitost katalizatorjev.

Ultrazvočna aktivacija katalizatorjev

Z ultrazvočno obdelavo je mogoče delce dispergirati, deaglomerirati in fragmentirati – s čimer se poveča njihova površina. Pri katalizatorjih to pomeni večjo aktivno površino, ki poveča katalitsko reaktivnost delcev.
Primer: Katalizator Fe v nanometrskem merilu
Sonokemijsko pripravljeno nanofazno železo je aktiven katalizator za Fischer–Tropschevo hidrogeniranje CO ter za hidrogenolizo in dehidrogeniranje alkanov, predvsem zaradi svoje velike površine (>120mg^-1). Hitrosti pretvorbe CO in H₂ v alkane z nizko molekulsko maso so bile pri 250°C na gram Fe približno 20-krat višje kot pri komercialnem železovem prahu s finimi delci (premera 5 μm), pri 200°C pa je bila aktivnost več kot 100-krat večja.

Primeri ultrazvočno pripravljenih katalizatorjev:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Regeneracija katalizatorjev

Čeprav se katalizatorji med kemijskimi reakcijami ne porabljajo, se lahko njihova aktivnost in učinkovitost zmanjšata zaradi aglomeracije in nalaganja oblog. Zato je mogoče opaziti, da katalizatorji sprva kažejo visoko katalitsko aktivnost in selektivnost za kisikove spojine. Vendar lahko med reakcijo zaradi agregacije pride do degradacije katalizatorjev. Z ultrazvočnim obsevanjem je mogoče katalizatorje regenerirati, saj kavitacijske sile dispergirajo delce in odstranjujejo obloge s površine.

Pranje premoga: Ultrazvočno odstranjevanje pepela in razžveplanje

Ultrazvočno kondicioniranje lahko izboljša učinkovitost metod flotacije premoga, ki se uporabljajo za razžveplanje in odstranjevanje pepela. Največja prednost ultrazvočne metode je sočasno odstranjevanje pepela in žvepla.[1] Ultrazvok in njegovo akustično strujanje sta dobro znana po svojih učinkih na delce. Visokoenergijski ultrazvok deaglomerira in dispergira delce premoga ter polira njihovo površino. Poleg tega ultrazvok čisti premogovo matrico, pri čemer odstranjuje žveplo in pepel.
Pri kondicioniranju toka pulpe se ultrazvok visoke moči uporablja za izboljšanje odstranjevanja pepela in razžveplanja pulpe. Sonikacija vpliva na lastnosti pulpe tako, da zmanjša vsebnost kisika in medfazno napetost, hkrati pa zviša vrednost pH in temperaturo. Tako ultrazvočna obdelava premoga z visoko vsebnostjo žvepla izboljša razžveplanje.

Zmanjšanje hidrofobnosti pirita s pomočjo ultrazvoka

Ultrazvočno nastali kisikovi radikali čezmerno oksidirajo površino pirita in povzročijo, da se žveplo v pulpi pojavlja v obliki sulfoksidnih enot. To je zmanjšalo hidrofobnost pirita.

Intenzivni pogoji med implozijo ultrazvočno nastalih kavitacijskih mehurčkov v tekočinah lahko povzročijo nastanek prostih radikalov. To pomeni, da na primer sonikacija vode razcepi vezi v molekulah, pri čemer nastanejo prosti radikali •OH in •OH.

H₂O → •H + •OH
Nastali prosti radikali •OH in •H lahko sodelujejo v naslednjih sekundarnih reakcijah:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Nastali H2O2 je nestabilen in hitro sprošča nascentni kisik. Zato se vsebnost kisika v vodi po ultrazvočnem kondicioniranju poveča. Nascentni kisik je zelo aktiven, zato lahko reagira z mineralnimi delci v pulpi in zmanjša vsebnost kisika v pulpi.
Oksidacija pirita (FeS₂) nastopi zaradi reakcije O₂ s FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Ekstrakcija premoga

Za ekstrakcijo premoga se uporabljajo topila, ki lahko pri izbranih pogojih ekstrakcije sproščajo vodik za hidrogeniranje premoga. Tetralin je preizkušeno topilo, ki se med ekstrakcijo oksidira v naftalen. Naftalen je mogoče ločiti in ga s hidrogeniranjem ponovno pretvoriti v tetralin. Proces poteka pod tlakom pri določenih temperaturah, odvisnih od vrste premoga, in z zadrževalnimi časi približno treh ur.

Ultrazvočna reaktivacija oksidiranih delcev premoga

Penasta flotacija je proces ločevanja, ki se uporablja za čiščenje in bogatenje premoga z izkoriščanjem razlik v hidrofobnosti.
Oksidirani premog je težko flotirati, saj se hidrofilnost njegove površine poveča. Kisik, vezan na površino premoga, tvori polarne fenolne (-OH), karbonilne (-C=O) in karboksilne (-COOH) skupine, ki povečajo hidratacijo površine premoga in s tem njegovo hidrofilnost ter preprečujejo adsorpcijo flotacijskih reagentov.
Ultrazvočna obdelava delcev se lahko uporablja za odstranjevanje oksidacijskih plasti z delcev premoga, s čimer se površina oksidiranih delcev premoga ponovno aktivira.

Goriva iz premoga, vode in olja ter iz premoga in vode

Ultrazvočno mletje in dispergiranje se uporabljata za pripravo suspenzij finih delcev premoga v vodi ali olju. Z ultrazvočno obdelavo nastane disperzija finih delcev in s tem stabilna suspenzija. (Za dolgotrajno stabilnost bo morda treba dodati stabilizator.) Prisotnost vode v teh gorivih iz premoga in vode ter iz premoga, vode in olja omogoča popolnejše zgorevanje in zmanjšuje škodljive emisije. Poleg tega premog, dispergiran v vodi, postane eksplozijsko varen, kar olajša ravnanje z njim.

Viri / literatura

1. Ambedkar, B. (2012): Ultrazvočno pranje premoga za odstranjevanje pepela in razžvepljevanje: eksperimentalna preiskava in mehanistično modeliranje. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Učinki sprememb v naravi celuloze po ultrazvočnem kondicioniranju na plavanje premoga z visoko vsebnostjo žvepla. Rudarska znanost in tehnologija 19, 2009. 498-502.