Ултразвучни третмани угља за производњу енергије

Соникација угља доприноси различитим процесима током производње енергије из угља. Ултразвук подстиче каталитичку хидрогенацију током течења угља. Штавише, соникација може побољшати површину и могућност екстракције угља. Могу се избећи нежељене хемијске нуспојаве током уклањања пепела и одсумпоравања – остваривање процеса за много краће време. Чак и током процеса одвајања пенастом флотацијом, дисперзија честица фине величине може се значајно побољшати соникацијом.

Течни процес угља/течност

Течна горива могу се индустријски производити од угља поступком “течење угља”. Утечњавање угља се може постићи на два начина – директна (ДЦЛ) и индиректна течност (ИЦЛ).
Док индиректно течење генерално укључује гасификацију угља, процес директног утечњавања претвара угаљ директно у течност. Стога, растварачи (нпр. тетралин) или катализатори (нпр. МоС₂) се користе у комбинацији са повишеним притисцима и температурама за разбијање органске структуре угља. Како течни угљоводоници генерално имају већи моларни однос водоник-угљеник од угља, потребан је процес хидрогенације или одбацивања угљеника у ИЦЛ и ДЦЛ технологијама.

Директно течење угља

Студије су показале да се директна течност угља ултразвучно претходно обрађеног угља може значајно побољшати. Три различите врсте битуменског угља нижег ранга су сонициране у растварачу. Ултразвук је изазвао оток и Дисперсинг резултирало је значајно већим приносима течности.

Индиректно течење угља

Угаљ се може претворити у течна горива процесима индиректне течности угља (ИЦЛ) кроз гасификацију праћену каталитичком конверзијом сингаса у чисте угљоводонике и оксигенована транспортна горива као што су метанол, диметил етар, Фисцхер-Тропсцх дизел или горива слична бензину. Фишер-Тропшова синтеза захтева употребу катализатора као што су катализатори на бази гвожђа. Преко ултразвука фрагментација честица, ефикасност катализатора може бити значајно побољшана.

Ултразвучна активација катализатора

Ултразвучним третманом честице се могу распршена, деагломерисана и фрагментиран – што резултира вишом површином честица. За катализаторе то значи већу активну површину, што повећава каталитичку реактивност честица.
Пример: Фе катализатор нано-размера
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). Стопе конверзије ЦО и Х₂ алкани мале молекуларне тежине били су приближно 20 пута већи по граму Фе него за комерцијални прах гвожђа са финим честицама (пречника 5 μм) на 250°Ц и више од 100 пута активнији на 200°Ц.

Примери за ултразвучно припремљене катализаторе:
нпр. МоС₂, нано-Фе

Рекламација катализатора

Иако се катализатори не троше током хемијских реакција, њихова активност и ефикасност се могу смањити услед агломерације и прљања. Стога се може приметити да катализатори у почетку показују високу каталитичку активност и селективност оксигената. Међутим, током реакције може доћи до деградације катализатора услед агрегације. Ултразвучним зрачењем катализатори се могу регенерисати као кавитациони силе распршити се честице и уклонити наслаге са површине.

Прање угља: ултразвучно уклањање пепела и одсумпоравање

Ултразвучно кондиционирање може побољшати перформансе метода флотације угља, које се користе за одсумпоравање и одмрзавање. Највећа предност ултразвучне методе је истовремено уклањање пепела и сумпора.[1] Ултразвук и његово акустично струјање су добро познати по својим ефектима на честице. Снажни ултразвук деагломерира и распршује честице угља и полира њихову површину. Штавише, ултразвук чисти матрицу угља уклањајући сумпор и пепео.
Кондиционирањем тока пулпе, ултразвук велике снаге се примењује како би се побољшало уклањање пепела и одсумпоравање пулпе. Соникација утиче на природу пулпе тако што смањује садржај кисеоника и међуфазну напетост, док повећава пХ вредност и температуру. На тај начин, ултразвучни третман угља са високим садржајем сумпора побољшава одсумпоравање.

Ултразвучно потпомогнуто смањење хидрофобности пирита

Ултразвучно генерисани радикали кисеоника прекомерно оксидирају површину пирита и чине да сумпор који постоји у пулпи изгледа да је у облику сулфоксидних јединица. Ово је смањило хидрофобност пирита.

Интензивни услови током колапса ултразвучно генерисани кавитација мехурићи у течностима су способни да створе слободне радикале. То значи да, тј. соникација воде разбија везе молекула стварајући слободне радикале •ОХ и •ОХ.

Х₂О → •Х + •ОХ
Генерисани слободни радикали •ОХ и •Х могу бити подвргнути секундарним реакцијама, као што следи:
•Х + О₂ → •ХО₂
•ОХ + •ОХ → Х₂О₂
•ХО₂ + •ХО₂ → Х2О₂ + О₂
Произведени Х2О2 је нестабилан и брзо испушта настали кисеоник. Дакле, садржај кисеоника у води се повећава након ултразвучног кондиционирања. Настали кисеоник, који је веома активан, може да реагује са минералним честицама које постоје у пулпи и да смањи садржај кисеоника у пулпи.
Оксидација пирита (ФеС₂) настаје услед реакције О₂ са ФеС-ом₂.
2ФеС + 3О₂ + 4Х₂О = 2Фе(ОХ)₂ + 2Х₂ТАКО₃
ФеС + 2О₂ + 2Х₂О = Фе(ОХ)₂ + Х₂ТАКО₄
2ФеС + 2О₂ + 2Х+ = 2Фе²⁺ + С₂О^2- + Х₂О

вађење угља

За екстракцију угља користе се растварачи који под изабраним условима екстракције могу ослободити водоник за хидрогенацију угља. Тетралин је доказани растварач, који се током екстракције оксидује у нафтален. Нафтален се може одвојити и конвертовати поново хидрогенацијом у тетралин. Процес се одвија под притиском на одређеним температурама у зависности од врсте угља и времена задржавања од око три сата.

Ултразвучна реактивација оксидованих честица угља

Плутање пеном је процес сепарације који се користи за пречишћавање и побољшање угља коришћењем предности разлике у њиховој хидрофобности.
Оксидирани угаљ је тешко плутати, јер се хидрофилност површине угља повећава. Везани кисеоник на површини угља формира поларне фенолне (-ОХ), карбонилне (-Ц=О) и карбоксилне (-ЦООХ) групе, које појачавају хидратацију површине угља и на тај начин повећавају њену хидрофилност, спречавајући флотацијске реагенсе да се се адсорбује.
Ултразвучни апарат третман честицама може се користити за уклањање оксидационих слојева са честица угља тако да се површина оксидованих честица угља поново активира.

Угаљ-вода-нафта и угаљ-вода горива

ултразвучни Брушење и Дисперсинг користи се за стварање каше ситних честица угља у води или уљу. Ултразвуком се генерише дисперзија честица фине величине и тиме стабилна суспензија. (За дуготрајну стабилност може бити потребан додатак стабилизатора.) Присуство воде у овим горивима угаљ-вода и угаљ-вода-нафта резултира потпунијим сагоревањем и смањује штетне емисије. Штавише, угаљ распршен у води постаје отпоран на експлозију што олакшава руковање.

Референце/ Литература

1. Амбедкар, Б. (2012): Ултразвучно прање угља за уклањање пепела и сумпоризацију: експериментално истраживање и механичко моделирање. Спрингер, 2012.
2. Канг, В.; Ксун, Х.; Конг, Кс.; Ли, М. (2009): Ефекти промена у природи пулпе након ултразвучног кондиционирања на флоатацију угља са високим садржајем сумпора. Рударска наука и технологија 19, 2009. 498-502.