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
เหล็กนาโนเฟสที่เตรียมด้วยวิธีโซโนเคมีเป็นสารเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเกิดฟิชเชอร์-ทรอปช์ด้วยไฮโดรเจนของ CO และการเกิดไฮโดรไลซิสและดีไฮโดรจีเนชันของแอลเคน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากมีพื้นที่ผิวสูง (>120 มก.)^-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.