การบำบัดถ่านหินด้วยอัลตราซาวนด์เพื่อการผลิตพลังงาน

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับสารแขวนลอยถ่านหินมีส่วนช่วยในกระบวนการต่าง ๆ ระหว่างการผลิตพลังงานจากถ่านหิน อัลตราซาวนด์ส่งเสริมปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่างการเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลว นอกจากนี้ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ยังสามารถเพิ่มพื้นที่ผิวและความสามารถในการสกัดถ่านหินได้ สามารถหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาเคมีข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างการกำจัดเถ้าและการกำจัดกำมะถันได้ – ทำให้กระบวนการเสร็จสิ้นในเวลาที่สั้นลงมาก แม้แต่ในกระบวนการแยกด้วยการลอยแร่แบบฟอง การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ก็สามารถเพิ่มการกระจายตัวของอนุภาคขนาดละเอียดได้อย่างมีนัยสำคัญ

การเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลว/ กระบวนการเปลี่ยนถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงเหลว

สามารถผลิตเชื้อเพลิงเหลวจากถ่านหินในระดับอุตสาหกรรมได้ด้วยกระบวนการ “การเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลว” การเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลวสามารถทำได้สองแนวทาง – การเปลี่ยนเป็นของเหลวโดยตรง (DCL) และการเปลี่ยนเป็นของเหลวโดยอ้อม (ICL)
โดยทั่วไป การเปลี่ยนเป็นของเหลวโดยอ้อมเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนถ่านหินเป็นก๊าซ ส่วนกระบวนการเปลี่ยนเป็นของเหลวโดยตรงจะเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลวโดยตรง ดังนั้น จึงใช้ตัวทำละลาย (e.g. tetralin) หรือตัวเร่งปฏิกิริยา (e.g. MoS₂) ร่วมกับความดันและอุณหภูมิที่สูงขึ้นเพื่อสลายโครงสร้างอินทรีย์ของถ่านหิน เนื่องจากโดยทั่วไปไฮโดรคาร์บอนเหลวมีอัตราส่วนโมลของไฮโดรเจนต่อคาร์บอนสูงกว่าถ่านหิน จึงจำเป็นต้องมีกระบวนการไฮโดรจิเนชันหรือกระบวนการกำจัดคาร์บอนออกในเทคโนโลยีทั้ง ICL และ DCL

การเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลวโดยตรง

การศึกษาพบว่าสามารถปรับปรุงการเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลวโดยตรงได้อย่างชัดเจนเมื่อถ่านหินผ่านการบำบัดเบื้องต้นด้วยอัลตราซาวนด์ ถ่านหินบิทูมินัสที่มีอันดับต่ำกว่าสามชนิดที่แตกต่างกันได้รับการบำบัดด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ในตัวทำละลาย การพองตัวที่เกิดจากอัลตราซาวนด์และการ กระจายตัว ทำให้ได้ผลได้จากการเปลี่ยนเป็นของเหลวสูงขึ้นอย่างเด่นชัด

การเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลวโดยอ้อม

สามารถเปลี่ยนถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงเหลวด้วยกระบวนการเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลวโดยอ้อม (ICL) ผ่านการเปลี่ยนเป็นก๊าซ ตามด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนก๊าซสังเคราะห์เป็นไฮโดรคาร์บอนสะอาดและเชื้อเพลิงสำหรับการขนส่งที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ เช่น methanol, dimethyl ether และเชื้อเพลิงจากกระบวนการ Fischer-Tropsch ที่มีลักษณะคล้ายดีเซลหรือเบนซิน การสังเคราะห์แบบ Fischer-Tropsch จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก การ ทำให้อนุภาคแตกเป็นชิ้นเล็ก ด้วยอัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างมีนัยสำคัญ

การกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราซาวนด์

การบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์สามารถทำให้อนุภาค กระจายตัว, แยกออกจากกลุ่มอนุภาคที่เกาะกัน และ แตกเป็นชิ้นเล็ก – ส่งผลให้อนุภาคมีพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยา สิ่งนี้หมายถึงพื้นที่ผิวที่ว่องไวต่อปฏิกิริยาสูงขึ้น ซึ่งเพิ่มความสามารถของอนุภาคในการเร่งปฏิกิริยา
ตัวอย่าง: ตัวเร่งปฏิกิริยา Fe ระดับนาโน
เหล็กเฟสนาโนที่เตรียมด้วยวิธีโซโนเคมีเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ว่องไวสำหรับไฮโดรจิเนชันของ CO แบบ Fischer–Tropsch และสำหรับไฮโดรจีโนไลซิสและดีไฮโดรจิเนชันของแอลเคน โดยมีสาเหตุหลักจากพื้นที่ผิวที่สูง (>120mg^-1) อัตราการเปลี่ยน CO และ H₂ เป็นแอลเคนที่มีมวลโมเลกุลต่ำต่อกรัมของ Fe สูงกว่าผงเหล็กเชิงพาณิชย์ที่มีอนุภาคละเอียด (เส้นผ่านศูนย์กลาง 5 μm) ประมาณ 20 เท่าที่ 250°C และมีความว่องไวมากกว่า 100 เท่าที่ 200°C

ตัวอย่างตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมด้วยอัลตราซาวนด์:
e.g. MoS₂, nano-Fe

การฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยา

แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะไม่ถูกใช้หมดไปในระหว่างปฏิกิริยาเคมี แต่ความว่องไวและประสิทธิภาพอาจลดลงเนื่องจากการเกาะกลุ่มและการสะสมของสิ่งสกปรก ดังนั้น จึงสังเกตได้ว่าในระยะแรกตัวเร่งปฏิกิริยามีความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาสูงและมีความเลือกจำเพาะต่อสารประกอบที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม ในระหว่างปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเสื่อมสภาพเนื่องจากการรวมกลุ่ม สามารถฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยาได้ด้วยการฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ เนื่องจากการเกิด คาวิเทชัน ทำให้เกิดแรงที่ กระจาย อนุภาคและกำจัดสิ่งสะสมออกจากพื้นผิว

การล้างถ่านหิน: การกำจัดเถ้าและการกำจัดกำมะถันด้วยอัลตราซาวนด์

การปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของวิธีการลอยแร่ถ่านหินที่ใช้ในการกำจัดกำมะถันและเถ้าได้ ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของวิธีอัลตราซาวนด์คือการกำจัดเถ้าและกำมะถันพร้อมกัน[1] อัลตราซาวนด์และการไหลที่เกิดจากคลื่นเสียงเป็นที่รู้จักกันดีในด้านผลที่มีต่ออนุภาค อัลตราซาวนด์กำลังสูงแยกกลุ่มอนุภาคถ่านหินที่เกาะกัน ทำให้อนุภาคกระจายตัว และขัดผิวอนุภาค นอกจากนี้ อัลตราซาวนด์ยังทำความสะอาดเมทริกซ์ถ่านหินโดยกำจัดกำมะถันและเถ้าออก
มีการใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงเพื่อปรับปรุงการกำจัดเถ้าและกำมะถันจากเยื่อแร่ด้วยการปรับสภาพกระแสเยื่อแร่ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ส่งผลต่อสมบัติของเยื่อแร่โดยลดปริมาณออกซิเจนและแรงตึงระหว่างผิว พร้อมกับเพิ่มค่า pH และอุณหภูมิ ด้วยเหตุนี้ การบำบัดถ่านหินที่มีกำมะถันสูงด้วยอัลตราซาวนด์จึงช่วยปรับปรุงการกำจัดกำมะถัน

การลดความไม่ชอบน้ำของไพไรต์โดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย

อนุมูลออกซิเจนที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ทำให้พื้นผิวไพไรต์เกิดออกซิเดชันมากเกินไป และทำให้กำมะถันที่อยู่ในเยื่อแร่ปรากฏในรูปของหน่วยซัลฟอกไซด์ สิ่งนี้ทำให้ความไม่ชอบน้ำของไพไรต์ลดลง

สภาวะที่รุนแรงระหว่างการยุบตัวของฟอง คาวิเทชัน ที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ในของเหลวสามารถสร้างอนุมูลอิสระได้ กล่าวคือ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับน้ำทำให้พันธะในโมเลกุลแตกและเกิดอนุมูลอิสระ •OH และ •OH

H₂O → •H + •OH
อนุมูลอิสระ •OH และ •H ที่เกิดขึ้นสามารถเกิดปฏิกิริยาทุติยภูมิได้ดังนี้:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
H2O2 ที่เกิดขึ้นไม่เสถียรและปล่อยออกซิเจนเกิดใหม่อย่างรวดเร็ว ดังนั้น ปริมาณออกซิเจนในน้ำจึงเพิ่มขึ้นหลังการปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์ ออกซิเจนเกิดใหม่ซึ่งมีความว่องไวสูงสามารถทำปฏิกิริยากับอนุภาคแร่ที่อยู่ในเยื่อแร่และลดปริมาณออกซิเจนของเยื่อแร่ได้
การเกิดออกซิเดชันของไพไรต์ (FeS₂) เกิดจากปฏิกิริยาของ O₂ กับ FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

การสกัดถ่านหิน

การสกัดถ่านหินใช้ตัวทำละลายที่สามารถปล่อยไฮโดรเจนสำหรับปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของถ่านหินภายใต้สภาวะการสกัดที่เลือก Tetralin เป็นตัวทำละลายที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์เป็น naphthalene ระหว่างการสกัด สามารถแยก naphthalene ออกและเปลี่ยนกลับเป็น tetralin ได้ด้วยปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน กระบวนการดำเนินภายใต้ความดันที่อุณหภูมิเฉพาะซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของถ่านหิน โดยมีเวลาพำนักประมาณสามชั่วโมง

การกระตุ้นอนุภาคถ่านหินที่ถูกออกซิไดซ์ให้กลับมาว่องไวด้วยอัลตราซาวนด์

การลอยแร่แบบฟองเป็นกระบวนการแยกที่ใช้ทำให้ถ่านหินบริสุทธิ์และเพิ่มคุณภาพ โดยอาศัยความแตกต่างของความไม่ชอบน้ำ
ถ่านหินที่ถูกออกซิไดซ์ลอยได้ยาก เนื่องจากความชอบน้ำของพื้นผิวถ่านหินเพิ่มขึ้น ออกซิเจนที่เกาะอยู่บนพื้นผิวถ่านหินก่อให้เกิดหมู่ฟีนอล (-OH) คาร์บอนิล (-C=O) และคาร์บอกซิล (-COOH) ที่มีขั้ว ซึ่งเพิ่มการเกิดไฮเดรชันของพื้นผิวถ่านหินและทำให้ความชอบน้ำเพิ่มขึ้น จึงขัดขวางการดูดซับสารเคมีสำหรับการลอยแร่
การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เพื่อ บำบัดอนุภาค สามารถกำจัดชั้นออกซิเดชันออกจากอนุภาคถ่านหิน เพื่อให้พื้นผิวของอนุภาคถ่านหินที่ถูกออกซิไดซ์กลับมาว่องไวอีกครั้ง

เชื้อเพลิงถ่านหิน–น้ำ–น้ำมันและเชื้อเพลิงถ่านหิน–น้ำ

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในการ บด และ กระจายตัว ใช้เพื่อสร้างสารแขวนลอยที่มีอนุภาคถ่านหินขนาดละเอียดในน้ำหรือน้ำมัน การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดการกระจายตัวของอนุภาคขนาดละเอียด จึงได้สารแขวนลอยที่เสถียร (อาจจำเป็นต้องเติมสารเพิ่มความเสถียรเพื่อให้คงความเสถียรในระยะยาว) การมีน้ำอยู่ในเชื้อเพลิงถ่านหิน–น้ำและถ่านหิน–น้ำ–น้ำมันเหล่านี้ทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและลดการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตราย นอกจากนี้ ถ่านหินที่กระจายตัวในน้ำจะมีคุณสมบัติป้องกันการระเบิด ซึ่งทำให้การจัดการสะดวกขึ้น

เอกสารอ้างอิง/วรรณกรรม

1. Ambedkar, B. (2012): การล้างถ่านหินอัลตราโซนิกสําหรับการขจัดขี้เถ้าและการกําจัดกํามะถัน: การตรวจสอบเชิงทดลองและการสร้างแบบจําลองเชิงกลไก สปริงเกอร์, 2012.
2. คัง, ดับเบิลยู.; ซุน, เอช.; คอง, เอ็กซ์.; Li, M. (2009): ผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของธรรมชาติเยื่อกระดาษหลังจากการปรับสภาพอัลตราโซนิกต่อการลอยตัวของถ่านหินกํามะถันสูง วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเหมืองแร่ 19, 2009. 498-502.