การบําบัดถ่านหินอัลตราโซนิกสําหรับการผลิตพลังงาน

การ sonication ของสารละลายถ่านหินมีส่วนช่วยในกระบวนการต่างๆในระหว่างการผลิตพลังงานจากถ่านหิน อัลตราซาวนด์ส่งเสริมการเติมไฮโดรเจนแบบเร่งปฏิกิริยาระหว่างการทําให้ถ่านหินเป็นของเหลว นอกจากนี้การ sonication ยังสามารถปรับปรุงพื้นที่ผิวและความสามารถในการสกัดของถ่านหิน สามารถหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาข้างเคียงทางเคมีที่ไม่พึงประสงค์ในระหว่างการขจัดขี้เถ้าและการกําจัดซัลเฟอร์ได้ – ทําให้กระบวนการสําเร็จในเวลาที่น้อยลงมาก แม้ในระหว่างกระบวนการแยกผ่านการลอยฟองการกระจายตัวของอนุภาคขนาดละเอียดสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมีนัยสําคัญโดยการ sonication

ถ่านหินเหลว / กระบวนการถ่านหินเป็นของเหลว

เชื้อเพลิงเหลวสามารถผลิตจากถ่านหินในเชิงอุตสาหกรรมได้โดยกระบวนการ “ถ่านหินเหลว”. การทําให้ถ่านหินเหลวสามารถทําได้สองเส้นทาง – การทําให้เป็นของเหลวทางตรง (DCL) และทางอ้อม (ICL)
ในขณะที่การทําให้เป็นของเหลวทางอ้อมโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการทําให้เป็นแก๊สของถ่านหิน แต่กระบวนการทําให้เป็นของเหลวโดยตรงจะเปลี่ยนถ่านหินเป็นของเหลวโดยตรง ดังนั้นตัวทําละลาย (เช่น tetralin) หรือตัวเร่งปฏิกิริยา (เช่น MoS₂) ใช้ร่วมกับความดันและอุณหภูมิที่สูงขึ้นเพื่อทําลายโครงสร้างอินทรีย์ของถ่านหิน เนื่องจากไฮโดรคาร์บอนเหลวโดยทั่วไปมีอัตราส่วนโมลาร์ไฮโดรเจน-คาร์บอนสูงกว่าถ่านหิน จึงจําเป็นต้องมีกระบวนการเติมไฮโดรเจนหรือการปฏิเสธคาร์บอนทั้งในเทคโนโลยี ICL และ DCL

ถ่านหินเหลวโดยตรง

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการทําให้ถ่านหินเหลวโดยตรงของถ่านหินที่ผ่านการบําบัดด้วยอัลตราโซนิกสามารถปรับปรุงได้อย่างเห็นได้ชัด ถ่านหินบิทูมินัสระดับล่างสามประเภทที่แตกต่างกันได้รับการ sonicated ในตัวทําละลาย อัลตราซาวนด์ทําให้เกิดอาการบวมและ สลาย ส่งผลให้ผลผลิตของเหลวสูงขึ้นอย่างน่าทึ่ง

การทําให้เป็นของเหลวถ่านหินทางอ้อม

ถ่านหินสามารถเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงเหลวได้โดยกระบวนการทําให้เป็นของเหลวของถ่านหินทางอ้อม (ICL) ผ่านการทําให้เป็นแก๊สตามด้วยการแปลงตัวเร่งปฏิกิริยาของซินแก๊สเป็นไฮโดรคาร์บอนที่สะอาดและเชื้อเพลิงการขนส่งที่มีออกซิเจน เช่น เมทานอล ไดเมทิลอีเธอร์ เชื้อเพลิงดีเซลหรือน้ํามันเบนซิน การสังเคราะห์ Fischer-Tropsch ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีธาตุเหล็กเป็นส่วนประกอบ ผ่านอัลตราโซนิก การกระจายตัวของอนุภาคประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสําคัญ

การเปิดใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยาอัลตราโซนิก

โดยการบําบัดด้วยอัลตราโซนิกอนุภาคสามารถ กระจายตัว, แยกก้อน และ กระจัดกระจาย – ส่งผลให้มีพื้นผิวของอนุภาคสูงขึ้น สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยา นี่หมายถึงพื้นผิวที่ใช้งานได้สูงขึ้น ซึ่งเพิ่มจำนวนอนุภาค’ ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา
ตัวอย่าง: ตัวเร่งปฏิกิริยา Fe ระดับนาโน
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). อัตราการแปลง CO และ H₂ อัลเคนที่มีน้ําหนักโมเลกุลต่ําสูงกว่าผงเหล็กเชิงพาณิชย์ประมาณ 20 เท่าต่อกรัมของ Fe เมื่อเทียบกับผงเหล็กเชิงพาณิชย์ที่มีอนุภาคละเอียด (เส้นผ่านศูนย์กลาง 5 μm) ที่ 250 °C และออกฤทธิ์มากกว่า 100 เท่าที่ 200 °C

ตัวอย่างสําหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมด้วยอัลตราโซนิก:
เช่น MoS₂, นาโน-เฟ

การถมตัวเร่งปฏิกิริยา

แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะไม่ถูกใช้ในระหว่างปฏิกิริยาเคมี แต่กิจกรรมและประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาอาจลดลงเนื่องจากการรวมตัวกันและการเปรอะเปื้อน ดังนั้นจึงสามารถสังเกตได้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาในตอนแรกแสดงฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาสูงและการคัดเลือกออกซิเจน อย่างไรก็ตามในระหว่างปฏิกิริยาการย่อยสลายของตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากการรวมตัว โดยตัวเร่งปฏิกิริยาการฉายรังสีอัลตราโซนิกสามารถสร้างขึ้นใหม่เป็น โพรงอากาศ พล กระจาย อนุภาคและขจัดการสะสมออกจากพื้นผิว

ล้างถ่านหิน: อัลตราโซนิก De-Ashing และ Desulfurization

การปรับสภาพอัลตราโซนิกสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของวิธีการลอยตัวถ่านหินซึ่งใช้สําหรับการขจัดกํามะถันและการขจัดขี้เหล็ก ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของวิธีอัลตราโซนิกคือการกําจัดขี้เถ้าและกํามะถันพร้อมกัน อัลตราซาวนด์และการสตรีมอะคูสติกเป็นที่รู้จักกันดีในด้านผลกระทบต่ออนุภาค อัลตราซาวนด์กําลังแยกตัวและกระจายอนุภาคถ่านหินและขัดพื้นผิว นอกจากนี้อัลตราซาวนด์ยังทําความสะอาดเมทริกซ์ถ่านหินขจัดกํามะถันและขี้เถ้า
ด้วยการปรับสภาพกระแสเยื่อกระดาษอัลตราซาวนด์กําลังสูงจะถูกนําไปใช้เพื่อปรับปรุงการขจัดขี้เถ้าและการกําจัดกํามะถันของเยื่อกระดาษ การ sonication มีอิทธิพลต่อธรรมชาติของเยื่อกระดาษโดยการลดปริมาณออกซิเจนและความตึงเครียดของส่วนหน้าในขณะที่เพิ่มค่า pH และอุณหภูมิ ด้วยเหตุนี้การบําบัดด้วยอัลตราโซนิกของถ่านหินกํามะถันสูงจึงช่วยเพิ่มการขจัดกํามะถัน

อัลตราโซนิกช่วยลดความไม่ชอบน้ําของไพไรต์

อนุมูลออกซิเจนที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกทําให้พื้นผิวไพไรต์ออกซิไดซ์มากเกินไปและทําให้กํามะถันที่มีอยู่ในเยื่อกระดาษดูเหมือนจะอยู่ในรูปของหน่วยซัลฟออกไซด์ สิ่งนี้ช่วยลดความไม่ชอบน้ําของไพไรต์

สภาวะที่รุนแรงระหว่างการล่มสลายของอัลตราโซนิกที่สร้างขึ้น โพรงอากาศ ฟองอากาศในของเหลวสามารถสร้างอนุมูลอิสระได้ ซึ่งหมายความว่าการ sonication ของน้ําจะทําลายพันธะโมเลกุลที่ก่อให้เกิดอนุมูลอิสระของ •OH และ •OH

H₂O → •H + •OH
อนุมูลอิสระ •OH และ •H ที่สร้างขึ้นสามารถได้รับปฏิกิริยาทุติยภูมิได้ดังนี้:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•โฮ₂ + •โฮ₂ → H2O₂ + O₂
H2O2 ที่ผลิตขึ้นไม่เสถียรและปล่อยออกซิเจนที่เพิ่งเกิดได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นปริมาณออกซิเจนในน้ําจึงเพิ่มขึ้นหลังจากการปรับสภาพอัลตราโซนิก ออกซิเจนที่เพิ่งเกิดใหม่ซึ่งมีฤทธิ์สูงสามารถทําปฏิกิริยากับอนุภาคแร่ธาตุที่มีอยู่ในเยื่อกระดาษและลดปริมาณออกซิเจนในเยื่อกระดาษ
การเกิดออกซิเดชันของไพไรต์ (FeS₂) เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาของ O₂ ด้วย FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4 ชม.₂O = 2 เฟ (OH)₂ + 2 ชม.₂ดังนั้น₃
เฟส + 2O₂ + 2 ชม.₂O = เฟ (OH)₂ + H₂ดังนั้น₄
2FeS + 2O₂ + 2 ชม. + = 2 เฟ²⁺ + ส₂O^2- + H₂O

การสกัดถ่านหิน

สําหรับการสกัดถ่านหินจะใช้ตัวทําละลายซึ่งสามารถปล่อยไฮโดรเจนภายใต้เงื่อนไขการสกัดที่เลือกสําหรับไฮโดรเจนของถ่านหิน Tetralin เป็นตัวทําละลายที่ได้รับการพิสูจน์แล้วซึ่งถูกออกซิไดซ์เป็นแนฟทาลีนในระหว่างการสกัด แนฟทาลีนสามารถแยกออกและเปลี่ยนได้โดยการเติมไฮโดรเจนอีกครั้งในเตตราลิน กระบวนการนี้ดําเนินการภายใต้ความกดดันที่อุณหภูมิเฉพาะขึ้นอยู่กับประเภทของถ่านหินและเวลาที่อยู่อาศัยประมาณสามชั่วโมง

การเปิดใช้งานอัลตราโซนิกของอนุภาคถ่านหินออกซิไดซ์

การลอยฟองเป็นกระบวนการแยกที่ใช้ในการทําให้บริสุทธิ์และเป็นประโยชน์ต่อถ่านหินโดยใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของความไม่ชอบน้ํา
ถ่านหินออกซิไดซ์นั้นลอยได้ยาก เนื่องจากความชอบน้ําของพื้นผิวถ่านหินเพิ่มขึ้น ออกซิเจนที่ติดอยู่บนพื้นผิวถ่านหินจะก่อตัวเป็นกลุ่มฟีนอลขั้ว (-OH), คาร์บอนิล (-C=O) และคาร์บอกซิล (-COOH) ซึ่งช่วยเพิ่มความชุ่มชื้นของพื้นผิวถ่านหิน และเพิ่มความชอบน้ํา ป้องกันไม่ให้สารลอยตัวถูกดูดซับ
อัลตราโซนิก การรักษาอนุภาค สามารถใช้เพื่อขจัดชั้นออกซิเดชันออกจากอนุภาคถ่านหินเพื่อให้พื้นผิวของอนุภาคถ่านหินออกซิไดซ์ถูกเปิดใช้งานอีกครั้ง

ถ่านหิน-น้ํา-น้ํามันและถ่านหิน-เชื้อเพลิงน้ํา

เหนือเสียง บด และ สลาย ใช้เพื่อสร้างสารละลายขนาดเล็กของอนุภาคถ่านหินในน้ําหรือน้ํามัน โดยอัลตราโซนิกการกระจายตัวของอนุภาคขนาดละเอียดและด้วยเหตุนี้จึงเกิดสารแขวนลอยที่เสถียร (เพื่อความเสถียรในระยะยาว อาจจําเป็นต้องเพิ่มโคลง) การมีน้ําในเชื้อเพลิงถ่านหิน-น้ําและถ่านหิน-น้ํา-น้ํามันเหล่านี้ส่งผลให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและลดการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตราย นอกจากนี้ถ่านหินที่กระจายตัวในน้ําจะป้องกันการระเบิดซึ่งอํานวยความสะดวกในการจัดการ

ข้อมูลอ้างอิง/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.