Ultraljudsbehandling av kol för energiproduktion

Ultraljudsbehandling av kolsuspensioner bidrar till olika processer vid energiproduktion från kol. Ultraljud främjar katalytisk hydrering vid kolförvätskning. Dessutom kan ultraljudsbehandling förbättra kolets ytarea och extraherbarhet. Oönskade kemiska sidoreaktioner under avaskning och avsvavling kan undvikas – samtidigt som processen genomförs på mycket kortare tid. Även under separationsprocessen genom skumflotation kan finfördelningen av partiklar förbättras avsevärt genom ultraljudsbehandling.

Kolförvätskning/process för omvandling av kol till vätska

Flytande bränslen kan framställas industriellt från kol genom processen ”kolförvätskning”. Kolförvätskning kan åstadkommas på två sätt – genom direkt (DCL) och indirekt förvätskning (ICL).
Medan indirekt förvätskning i allmänhet innefattar förgasning av kol, omvandlar den direkta förvätskningsprocessen kol direkt till vätska. Därför används lösningsmedel (t.ex. tetralin) eller katalysatorer (t.ex. MoS₂) i kombination med förhöjda tryck och temperaturer för att bryta upp kolets organiska struktur. Eftersom flytande kolväten i allmänhet har ett högre molförhållande mellan väte och kol än kol, krävs en process för hydrering eller avskiljning av kol inom både ICL- och DCL-teknikerna.

Direkt kolförvätskning

Studier har visat att direkt kolförvätskning av ultraljudsförbehandlat kol kan förbättras markant. Tre olika typer av bituminöst kol med lägre förkolningsgrad har ultraljudsbehandlats i lösningsmedel. Den ultraljudsinducerade svällningen och dispergeringen resulterade i anmärkningsvärt högre förvätskningsutbyten.

Indirekt kolförvätskning

Kol kan omvandlas till flytande bränslen genom processer för indirekt kolförvätskning (ICL), med förgasning följd av katalytisk omvandling av syntesgas till rena kolväten och syrehaltiga transportbränslen såsom metanol, dimetyleter och diesel- eller bensinliknande Fischer-Tropsch-bränslen. Fischer-Tropsch-syntesen kräver användning av katalysatorer såsom järnbaserade katalysatorer. Genom ultraljudsinducerad partikelfragmenteringkan katalysatorernas effektivitet förbättras avsevärt.

Aktivering av katalysatorer med ultraljud

Genom ultraljudsbehandling kan partiklar dispergeras, deagglomereras och fragmenteras – vilket ger en större partikelyta. För katalysatorer innebär detta en större aktiv yta, vilket ökar partiklarnas katalytiska reaktivitet.
Exempel: Fe-katalysator i nanoskala
Sonokemiskt framställt nanofasjärn är en aktiv katalysator för Fischer–Tropsch-hydrering av CO samt för hydrogenolys och dehydrogenering av alkaner, främst på grund av sin stora ytarea (>120mg^-1). Hastigheterna för omvandling av CO och H₂ till alkaner med låg molekylvikt var ungefär 20 gånger högre per gram Fe än för kommersiellt järnpulver med fina partiklar (5 μm diameter) vid 250°C, och aktiviteten var mer än 100 gånger högre vid 200°C.

Exempel på ultraljudsframställda katalysatorer:
t.ex. MoS₂, nano-Fe

Regenerering av katalysatorer

Även om katalysatorer inte förbrukas under kemiska reaktioner kan deras aktivitet och effektivitet minska på grund av agglomerering och beläggningar. Därför kan man observera att katalysatorer till en början uppvisar hög katalytisk aktivitet och hög selektivitet för syrehaltiga föreningar. Under reaktionen kan katalysatorerna dock försämras på grund av aggregering. Genom ultraljudsbestrålning kan katalysatorer regenereras eftersom de kavitationsrelaterade krafterna dispergerar partiklarna och avlägsnar avlagringar från ytan.

Kolt tvättning: avaskning och avsvavling med ultraljud

Ultraljudskonditionering kan förbättra prestandan hos flotationsmetoder för kol som används för avsvavling och avaskning. Den största fördelen med ultraljudsmetoden är att aska och svavel avlägsnas samtidigt.[1] Ultraljud och dess akustiska strömning är välkända för sina effekter på partiklar. Effektultraljud deagglomererar och dispergerar kolpartiklar och polerar deras yta. Dessutom rengör ultraljud kolmatrisen genom att avlägsna svavel och aska.
Genom konditionering av pulpaflödet används högeffektsultraljud för att förbättra avaskningen och avsvavlingen av pulpan. Ultraljudsbehandlingen påverkar pulpans egenskaper genom att minska syrehalten och gränsytspänningen, samtidigt som pH-värdet och temperaturen ökar. Därigenom förbättrar ultraljudsbehandling av kol med hög svavelhalt avsvavlingen.

Ultraljudsassisterad minskning av pyritens hydrofobicitet

Ultraljudsgenererade syreradikaler överoxiderar pyritens yta och får svavel som finns i pulpan att uppträda i form av sulfoxidenheter. Detta minskade pyritens hydrofobicitet.

De intensiva förhållanden som uppstår när bubblor från ultraljudsgenererad kavitation kollapsar i vätskor kan skapa fria radikaler. Detta innebär att exempelvis ultraljudsbehandling av vatten bryter molekylbindningarna och bildar de fria radikalerna •OH och •OH.

H₂O → •H + •OH
De bildade fria radikalerna •OH och •H kan genomgå sekundära reaktioner enligt följande:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Den H2O2 som bildas är instabil och avger snabbt nascent syre. Syrehalten i vattnet ökar alltså efter ultraljudskonditionering. Det nascenta syret, som är mycket reaktivt, kan reagera med mineralpartiklar i pulpan och minska pulpans syrehalt.
Oxidationen av pyrit (FeS₂) sker genom reaktionen mellan O₂ och FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Kolextraktion

Vid kolextraktion används lösningsmedel som under de valda extraktionsbetingelserna kan frigöra väte för hydrering av kolet. Tetralin är ett beprövat lösningsmedel som oxideras till naftalen under extraktionen. Naftalen kan avskiljas och genom hydrering åter omvandlas till tetralin. Processen genomförs under tryck vid specifika temperaturer beroende på koltypen och med uppehållstider på cirka tre timmar.

Återaktivering av oxiderade kolpartiklar med ultraljud

Skumflotation är en separationsprocess som används för att rena och anrika kol genom att utnyttja skillnader i hydrofobicitet.
Oxiderat kol är svårt att flotera eftersom kolytans hydrofilicitet ökar. Det bundna syret på kolytan bildar polära fenolgrupper (-OH), karbonylgrupper (-C=O) och karboxylgrupper (-COOH), vilka ökar kolytans hydratisering och därmed dess hydrofilicitet, vilket förhindrar att flotationsreagenser adsorberas.
En ultraljudsassisterad partikelbehandling kan användas för att avlägsna oxidationsskikt från kolpartiklar så att ytan på oxiderade kolpartiklar återaktiveras.

Kol-vatten-olja- och kol-vattenbränslen

Ultraljudsassisterad malning och dispergering används för att framställa finfördelade suspensioner av kolpartiklar i vatten eller olja. Genom ultraljudsbehandling skapas en finfördelad partikeldispersion och därmed en stabil suspension. (För långvarig stabilitet kan tillsats av ett stabiliseringsmedel krävas.) Förekomsten av vatten i dessa kol-vatten- och kol-vatten-oljebränslen leder till en mer fullständig förbränning och minskar skadliga utsläpp. Dessutom blir kol som dispergerats i vatten explosionssäkert, vilket underlättar hanteringen.

Referenser och litteratur

1. Ambedkar, B. (2012): Ultraljud koltvätt för avaskning och avsvavling: experimentell undersökning och mekanistisk modellering. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Effekter från förändringar i massanaturen efter ultraljudskonditionering på högsvavlig kolflottning. Gruvvetenskap och -teknik 19, 2009. 498-502.