Enerji Üretimi için Ultrasonik Kömür İşlemleri

Kömür bulamaçlarının sonikasyonu, kömürden enerji üretimi sırasında çeşitli süreçlere katkıda bulunur. Ultrason, kömürün sıvılaştırılması sırasında katalitik hidrojenasyonu destekler. Ayrıca sonikasyon, kömürün yüzey alanını ve ekstrakte edilebilirliğini iyileştirebilir. Kül giderme ve kükürt giderme sırasında istenmeyen kimyasal yan reaksiyonlar önlenebilir – böylece süreç çok daha kısa sürede tamamlanır. Köpük flotasyonu yoluyla ayırma işlemi sırasında bile parçacıkların ince boyutlu dispersiyonu sonikasyonla önemli ölçüde iyileştirilebilir.

Kömür Sıvılaştırma/ Kömürden Sıvı Yakıt Üretim Süreci

Kömürden, “Kömür Sıvılaştırma” işlemiyle endüstriyel olarak sıvı yakıtlar üretilebilir. Kömür sıvılaştırma iki yolla gerçekleştirilebilir – doğrudan sıvılaştırma (DCL) ve dolaylı sıvılaştırma (ICL).
Dolaylı sıvılaştırma genellikle kömürün gazlaştırılmasını içerirken, doğrudan sıvılaştırma işlemi kömürü doğrudan sıvıya dönüştürür. Bu nedenle, kömürün organik yapısını parçalamak için yüksek basınç ve sıcaklıklarla birlikte çözücüler (e.g. tetralin) veya katalizörler (e.g. MoS₂) kullanılır. Sıvı hidrokarbonlar genellikle kömürden daha yüksek bir hidrojen-karbon molar oranına sahip olduğundan, hem ICL hem de DCL teknolojilerinde hidrojenasyon veya karbon uzaklaştırma işlemi gereklidir.

Doğrudan Kömür Sıvılaştırma

Çalışmalar, ultrasonik ön işlemden geçirilmiş kömürlerin doğrudan sıvılaştırılmasının belirgin biçimde iyileştirilebileceğini göstermiştir. Daha düşük kömürleşme derecesine sahip üç farklı bitümlü kömür türü, çözücü içinde sonikasyona tabi tutulmuştur. Ultrasonun yol açtığı şişme ve dispersiyon sayesinde sıvılaştırma verimleri kayda değer ölçüde artmıştır.

Dolaylı Kömür Sıvılaştırma

Kömür, gazlaştırmanın ardından sentez gazının temiz hidrokarbonlara ve metanol, dimetil eter, Fischer-Tropsch dizel veya benzin benzeri yakıtlar gibi oksijen içeren ulaşım yakıtlarına katalitik olarak dönüştürülmesiyle, dolaylı kömür sıvılaştırma (ICL) işlemleri yoluyla sıvı yakıtlara dönüştürülebilir. Fischer-Tropsch sentezi, demir esaslı katalizörler gibi katalizörlerin kullanılmasını gerektirir. Ultrasonik parçacık parçalama yoluyla katalizörlerin verimliliği önemli ölçüde artırılabilir.

Ultrasonik Katalizör Aktivasyonu

Ultrasonik işlemle parçacıklar disperse edilebilir, deaglomere edilebilir ve parçalanabilir – bunun sonucunda parçacık yüzey alanı artar. Katalizörler açısından bu, parçacıkların katalitik reaktivitesini artıran daha yüksek aktif yüzey alanı anlamına gelir.
Örnek: Nano ölçekli Fe katalizörü
Sonokimyasal olarak hazırlanmış nanofaz demir, esas olarak yüksek yüzey alanı sayesinde CO’nun Fischer–Tropsch hidrojenasyonu ve alkanların hidrojenolizi ve dehidrojenasyonu için aktif bir katalizördür (>120mg^-1). CO ve H₂ düşük molekül ağırlıklı alkanlara dönüştürülürken dönüşüm hızları, 250°C sıcaklıkta ince parçacıklı (5 μm çapında) ticari demir tozuna kıyasla gram Fe başına yaklaşık 20 kat daha yüksekti; 200°C sıcaklıkta ise aktivite 100 kattan daha fazlaydı.

Ultrasonik olarak hazırlanmış katalizör örnekleri:
e.g. MoS₂, nano-Fe

Katalizörlerin geri kazanılması

Katalizörler kimyasal reaksiyonlar sırasında tüketilmese de aglomerasyon ve kirlenme nedeniyle aktiviteleri ve verimlilikleri azalabilir. Bu nedenle, katalizörlerin başlangıçta yüksek katalitik aktivite ve oksijenli bileşik seçiciliği gösterdiği gözlemlenebilir. Ancak reaksiyon sırasında agregasyon nedeniyle katalizörlerde bozunma meydana gelebilir. Ultrasonik ışınlama ile katalizörler rejenere edilebilir; çünkü kavitasyon kuvvetleri parçacıkları disperse eder ve yüzeydeki birikintileri uzaklaştırır.

Kömür Yıkama: Ultrasonik Kül Giderme ve Kükürt Giderme

Ultrasonik koşullandırma, kükürt giderme ve kül giderme için kullanılan kömür flotasyonu yöntemlerinin performansını artırabilir. Ultrasonik yöntemin en büyük avantajı, kül ve kükürdün eş zamanlı olarak giderilmesidir.[1] Ultrason ve onun akustik akışının parçacıklar üzerindeki etkileri iyi bilinmektedir. Güç ultrasonu, kömür parçacıklarını deaglomere eder, disperse eder ve yüzeylerini parlatır. Ayrıca ultrason, kükürt ve külü uzaklaştırarak kömür matrisini temizler.
Pülp akışı koşullandırılarak pülpün kül giderme ve kükürt giderme işlemlerini iyileştirmek için yüksek güçlü ultrason uygulanır. Sonikasyon, oksijen içeriğini ve arayüzey gerilimini azaltırken pH değerini ve sıcaklığı artırarak pülpün özelliklerini etkiler. Böylece, yüksek kükürt içerikli kömürün ultrasonik işlemden geçirilmesi kükürt gidermeyi iyileştirir.

Piritin Hidrofobikliğinin Ultrason Desteğiyle Azaltılması

Ultrasonik olarak oluşturulan oksijen radikalleri, pirit yüzeyini aşırı oksitler ve pülpte bulunan kükürdün sülfoksit birimleri biçiminde görünmesini sağlar. Bu, piritin hidrofobikliğini azaltmıştır.

Sıvılarda ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyon kabarcıklarının çökmesi sırasında oluşan şiddetli koşullar serbest radikaller oluşturabilir. Bu, örneğin suyun sonikasyonunun molekül bağlarını kırarak •OH ve •OH serbest radikallerini oluşturduğu anlamına gelir.

H₂O → •H + •OH
Oluşan •OH ve •H serbest radikalleri, aşağıdaki gibi ikincil reaksiyonlara girebilir:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Üretilen H2O2 kararsızdır ve yeni oluşmuş oksijeni hızla serbest bırakır. Bu nedenle, ultrasonik koşullandırmadan sonra sudaki oksijen içeriği artar. Oldukça aktif olan yeni oluşmuş oksijen, pülpte bulunan mineral parçacıklarıyla reaksiyona girebilir ve pülpün oksijen içeriğini azaltabilir.
Piritin (FeS₂) oksidasyonu, şu maddelerin birbiriyle reaksiyonu sonucunda gerçekleşir: O₂ ve FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Kömür Ekstraksiyonu

Kömür ekstraksiyonu için, seçilen ekstraksiyon koşulları altında kömürün hidrojenasyonu için hidrojen açığa çıkarabilen çözücüler kullanılır. Tetralin, ekstraksiyon sırasında naftalene oksitlenen, etkinliği kanıtlanmış bir çözücüdür. Naftalen ayrılabilir ve hidrojenasyon yoluyla tekrar tetraline dönüştürülebilir. İşlem, basınç altında, kömür türüne bağlı belirli sıcaklıklarda ve yaklaşık üç saatlik kalış süreleriyle gerçekleştirilir.

Oksitlenmiş Kömür Parçacıklarının Ultrasonik Reaktivasyonu

Köpük flotasyonu, hidrofobiklik farklılıklarından yararlanarak kömürü saflaştırmak ve zenginleştirmek için kullanılan bir ayırma işlemidir.
Kömür yüzeyinin hidrofilikliği arttığından, oksitlenmiş kömürlerin flotasyonla yüzdürülmesi zordur. Kömür yüzeyine bağlanmış oksijen, kömür yüzeyinin hidratasyonunu artıran ve dolayısıyla hidrofilikliğini artırarak flotasyon reaktiflerinin adsorbe edilmesini önleyen polar fenol (-OH), karbonil (-C=O) ve karboksil (-COOH) grupları oluşturur.
Ultrasonik parçacık işlemi kömür parçacıklarından oksidasyon tabakalarını uzaklaştırmak ve böylece oksitlenmiş kömür parçacıklarının yüzeyini yeniden aktive etmek için kullanılabilir.

Kömür-Su-Yağ ve Kömür-Su Yakıtları

Ultrasonik öğütme ve dispersiyon suda veya yağda ince boyutlu kömür parçacığı bulamaçları oluşturmak için kullanılır. Ultrasonikasyonla ince boyutlu bir parçacık dispersiyonu ve böylece kararlı bir süspansiyon oluşturulur. (Uzun süreli kararlılık için bir stabilizatör eklenmesi gerekebilir.) Bu kömür-su ve kömür-su-yağ yakıtlarında su bulunması daha tam bir yanma sağlar ve zararlı emisyonları azaltır. Ayrıca, suda disperse edilmiş kömür patlamaya dayanıklı hale gelir ve bu da elleçlemeyi kolaylaştırır.

Kaynaklar / Literatür

1. Ambedkar, B. (2012): Kül giderme ve kükürt giderme için ultrasonik kömür yıkama: deneysel araştırma ve mekanistik modelleme. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Yüksek kükürtlü kömür yüzdürme üzerinde ultrasonik şartlandırmadan sonra hamur yapısındaki değişikliklerin etkileri. Maden Bilimi ve Teknolojisi 19, 2009. 498-502.