Ултразвучна обрада угља за производњу енергије

Соникација суспензија угља доприноси различитим процесима током производње енергије из угља. Ултразвук подстиче каталитичку хидрогенизацију током ликвефакције угља. Поред тога, соникација може повећати површину угља и побољшати његову подложност екстракцији. Нежељене споредне хемијске реакције током уклањања пепела и одсумпоравања могу се избећи – уз завршетак процеса за знатно краће време. Чак и током раздвајања пенастом флотацијом, соникација може значајно побољшати дисперговање ситних честица.

Ликвефакција угља / Процес претварања угља у течност

Течна горива могу се индустријски производити из угља поступком „ликвефакције угља“. Ликвефакција угља може се остварити на два начина – директном (DCL) и индиректном ликвефакцијом (ICL).
Док индиректна ликвефакција углавном обухвата гасификацију угља, процес директне ликвефакције претвара угаљ непосредно у течност. Зато се растварачи (нпр. тетралин) или катализатори (нпр. MoS₂) користе у комбинацији са повишеним притисцима и температурама ради разлагања органске структуре угља. Пошто течни угљоводоници углавном имају већи моларни однос водоника према угљенику него угаљ, и у ICL и у DCL технологијама потребан је процес хидрогенизације или издвајања угљеника.

Директна ликвефакција угља

Истраживања су показала да се директна ликвефакција ултразвучно претходно обрађеног угља може знатно побољшати. Три различите врсте битуминозног угља нижег степена угљенизације подвргнуте су соникацији у растварачу. Ултразвуком изазвано бубрење и дисперговање довели су до знатно већих приноса ликвефакције.

Индиректна ликвефакција угља

Угаљ се може претворити у течна горива поступцима индиректне ликвефакције угља (ICL), гасификацијом након које следи каталитичка конверзија синтезног гаса у чисте угљоводонике и горива за саобраћај која садрже кисеоник, као што су метанол, диметил-етар и горива слична дизелу или бензину добијена Фишер–Тропшовим поступком. Фишер–Тропшова синтеза захтева употребу катализатора, као што су катализатори на бази гвожђа. Ултразвучном фрагментацијом честица, ефикасност катализатора може се значајно побољшати.

Ултразвучна активација катализатора

Ултразвучном обрадом честице се могу дисперговати, деагломерисати и фрагментисати – чиме се повећава површина честица. Код катализатора то значи већу активну површину, која повећава каталитичку реактивност честица.
Пример: катализатор Fe нанометарских димензија
Сонохемијски припремљено нанофазно гвожђе је активан катализатор за Фишер–Тропшову хидрогенизацију CO, као и за хидрогенолизу и дехидрогенизацију алкана, углавном захваљујући својој великој површини (>120mg^-1). Брзине конверзије CO и H₂ у алкане мале молекулске масе биле су приближно 20 пута веће по граму Fe него код комерцијалног гвозденог праха са ситним честицама (пречника 5 μm) на 250°C, а активност је била више од 100 пута већа на 200°C.

Примери ултразвучно припремљених катализатора:
нпр. MoS₂, нано-Fe

Регенерација катализатора

Иако се катализатори не троше током хемијских реакција, њихова активност и ефикасност могу се смањити услед агломерације и запрљања. Стога се може уочити да катализатори у почетку показују високу каталитичку активност и селективност према једињењима која садрже кисеоник. Међутим, током реакције може доћи до деградације катализатора услед агрегације. Ултразвучним озрачивањем катализатори се могу регенерисати јер кавитационе силе диспергују честице и уклањају наслаге са површине.

Прање угља: ултразвучно уклањање пепела и одсумпоравање

Ултразвучно кондиционирање може побољшати ефикасност метода флотације угља које се користе за одсумпоравање и уклањање пепела. Највећа предност ултразвучне методе је истовремено уклањање пепела и сумпора.[1] Ултразвук и његово акустичко струјање добро су познати по својим дејствима на честице. Ултразвук велике снаге деагломерише и диспергује честице угља и полира њихову површину. Поред тога, ултразвук чисти матрицу угља уклањањем сумпора и пепела.
При кондиционирању тока пулпе примењује се ултразвук велике снаге ради побољшања уклањања пепела и одсумпоравања пулпе. Соникација утиче на својства пулпе смањењем садржаја кисеоника и међуфазног напона, уз истовремено повећање pH вредности и температуре. На тај начин ултразвучна обрада угља са високим садржајем сумпора побољшава одсумпоравање.

Смањење хидрофобности пирита уз помоћ ултразвука

Кисеонични радикали настали дејством ултразвука прекомерно оксидују површину пирита и доводе до тога да се сумпор присутан у пулпи јавља у облику сулфоксидних јединица. Тиме је смањена хидрофобност пирита.

Интензивни услови током колапса ултразвучно створених кавитационих мехурића у течностима могу довести до стварања слободних радикала. То значи да, на пример, соникација воде раскида везе у молекулима, стварајући слободне радикале •OH и •OH.

H₂O → •H + •OH
Настали слободни радикали •OH и •H могу учествовати у следећим секундарним реакцијама:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Настали H2O2 је нестабилан и брзо ослобађа насцентни кисеоник. Зато се садржај кисеоника у води повећава након ултразвучног кондиционирања. Насцентни кисеоник, који је веома активан, може реаговати са минералним честицама присутним у пулпи и смањити садржај кисеоника у пулпи.
Оксидација пирита (FeS₂) одвија се услед реакције O₂ са FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Екстракција угља

За екстракцију угља користе се растварачи који у изабраним условима екстракције могу ослободити водоник за хидрогенизацију угља. Тетралин је проверен растварач који се током екстракције оксидује у нафтален. Нафтален се може издвојити и хидрогенизацијом поново претворити у тетралин. Процес се изводи под притиском, на одређеним температурама које зависе од врсте угља, уз време задржавања од око три сата.

Ултразвучна реактивација оксидованих честица угља

Пенаста флотација је поступак раздвајања који се користи за пречишћавање и оплемењивање угља, користећи разлике у хидрофобности.
Оксидовани угаљ тешко флотира јер се хидрофилност површине угља повећава. Кисеоник везан за површину угља формира поларне фенолне (-OH), карбонилне (-C=O) и карбоксилне (-COOH) групе, које појачавају хидратацију површине угља и тиме повећавају њену хидрофилност, спречавајући адсорпцију флотационих реагенаса.
Ултразвучна обрада честица може се користити за уклањање оксидационих слојева са честица угља, чиме се површина оксидованих честица угља поново активира.

Горива угаљ–вода–уље и угаљ–вода

Ултразвучно млевење и дисперговање користе се за добијање суспензија ситних честица угља у води или уљу. Ултразвучном обрадом ствара се дисперзија ситних честица, а тиме и стабилна суспензија. (За дуготрајну стабилност може бити потребно додавање стабилизатора.) Присуство воде у овим горивима угаљ–вода и угаљ–вода–уље доводи до потпунијег сагоревања и смањује штетне емисије. Поред тога, угаљ диспергован у води постаје безбедан од експлозије, што олакшава руковање.

Референце / литература

1. Ambedkar, B. (2012): Ултразвучно прање угља за уклањање пепела и одсумпоравање: експериментално истраживање и механистичко моделирање. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Утицаји промена својстава пулпе након ултразвучног кондиционирања на флотацију угља са високим садржајем сумпора. Mining Science and Technology 19, 2009. 498–502.