Ультразвукова обробка вугілля для виробництва енергії

Ультразвукова обробка вугільних суспензій сприяє різноманітним процесам під час виробництва енергії з вугілля. Ультразвук сприяє каталітичному гідрогенуванню під час зрідження вугілля. Крім того, ультразвукова обробка може покращити площу поверхні та екстрагованість вугілля. Небажані хімічні побічні реакції під час видалення золи та десульфуризації можна уникнути – виконуючи процес за значно менший час. Навіть під час процесу розділення за допомогою флотації у піні, дисперсію частинок дрібного розміру можна суттєво покращити за допомогою ультразвукової обробки.

Зрідження вугілля/ процес перетворення вугілля на рідке паливо

Рідке паливо можна промислово виробляти з вугілля за допомогою процесу “Зрідження вугілля”. Зрідження вугілля можна досягти двома шляхами – прямим (DCL) та непрямим зрідженням (ICL).
У той час як непрямі зрідження зазвичай включають газифікацію вугілля, процес прямого зрідження перетворює вугілля безпосередньо на рідку фазу. Тому розчинники (наприклад, тетралін) або каталізатори (наприклад, MoS₂) використовуються в поєднанні з підвищеним тиском і температурою для руйнування органічної структури вугілля. Оскільки рідкі вуглеводні зазвичай мають вище молярне співвідношення водню до вуглецю, ніж вугілля, як у технологіях ICL, так і DCL необхідний процес гідрогенування або відділення вуглецю.

Пряме зрідження вугілля

Дослідження показали, що пряме зрідження вугілля, попередньо обробленого ультразвуком, можна суттєво покращити. Три різні типи вугілля нижчого рангу (бітумінозного) були оброблені ультразвуком у розчиннику. Набухання та диспергування індуковані ультразвуком, призвели до значно вищих виходів зрідження.

Непряме зрідження вугілля

Вугілля можна перетворити на рідке паливо за допомогою процесів непрямого зрідження вугілля (ICL) шляхом газифікації з наступним каталітичним перетворенням синтез-газу на чисті вуглеводні та оксигеновані транспортні палива, такі як метанол, диметиловий етер, дизельне або бензиноподібне паливо за методом Фішера-Тропша. Синтез Фішера-Тропша вимагає використання каталізаторів, таких як залізовмісні каталізатори. За допомогою ультразвукової фрагментації частинок, ефективність каталізаторів можна суттєво покращити.

Ультразвукова активація каталізаторів

За допомогою ультразвукової обробки частинки можна диспергувати, деагломерувати та фрагментувати – що призводить до більшої поверхні частинок. Для каталізаторів це означає більшу активну поверхню, що підвищує каталітичну реакційну здатність частинок.
Приклад: Нанорозмірний Fe-каталізатор
Нанофазне залізо, підготовлене сонохімічним методом, є активним каталізатором для гідрогенування CO за методом Фішера–Тропша та для гідрогенолізу і дегідрогенування алканів, переважно завдяки його високій площі поверхні (>120mg^-1). Швидкості перетворення CO та H₂ на алкани з низькою молекулярною масою були приблизно в 20 разів вищими на грам Fe, ніж для дрібнодисперсного (діаметр 5 μm) комерційного залізного порошку при 250°C, і більш ніж в 100 разів активнішими при 200°C.

Приклади каталізаторів, підготовлених ультразвуком:
наприклад, MoS₂, нано-Fe

Рекуперация каталізаторів

Хоча каталізатори не споживаються під час хімічних реакцій, їхня активність та ефективність можуть знижуватися через агломерацію та забруднення. Тому спостерігається, що каталізатори спочатку демонструють високу каталітичну активність та селективність щодо оксигенатів. Однак під час реакції може відбутися деградація каталізаторів через агрегацію. За допомогою ультразвукового опромінення каталізатори можна регенерувати, оскільки кавітаційні сили диспергують частинки та видаляють відкладення з поверхні.

Промивання вугілля: ультразвукове видалення золи та десульфуризація

Ультразвукове кондиціонування може покращити ефективність методів флотації вугілля, які використовуються для десульфуризації та видалення золи. Найбільшою перевагою ультразвукового методу є одночасне видалення золи та сірки.[1] Ультразвук та його акустичні потоки добре відомі своїм впливом на частинки. Потужний ультразвуок деагломерує та диспергує частинки вугілля та полірує їхню поверхню. Крім того, ультразвуок очищає вугільну матрицю, видаляючи сірку та золу.
Шляхом кондиціонування потоку пульпи застосовується високопотужний ультразвуок для покращення видалення золи та десульфуризації пульпи. Ультразвукова обробка впливає на природу пульпи, знижуючи вміст кисню та міжфазну натяжність, одночасно підвищуючи значення pH та температуру. Таким чином, ультразвукова обробка вугілля з високим вмістом сірки покращує десульфуризацію.

Ультразвукове зменшення гідрофобності піриту

Ультразвуково згенеровані радикали кисню надмірно окислюють поверхню піриту та змушують сірку, що існує в пульпі, з’являтися у формі сульфоксидних одиниць. Це зменшило гідрофобність піриту.

Інтенсивні умови під час колапсу ультразвуково згенерованих кавітаційних бульбашок у рідинах здатні створювати вільні радикали. Це означає, що, наприклад, ультразвукова обробка води руйнує молекулярні зв’язки, утворюючи вільні радикали •OH та •OH.

H₂O → •H + •OH
Згенеровані вільні радикали •OH та •H можуть зазнавати вторинних реакцій, як зазначено нижче:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
Продукований H2O2 є нестабільним і швидко вивільняє зародковий кисень. Тому вміст кисню у воді зростає після ультразвукового кондиціонування. Зародковий кисень, будучи високоактивним, може реагувати з мінеральними частинками, що існують у пульпі, та зменшувати вміст кисню у пульпі.
Окислення піриту (FeS₂) відбувається внаслідок реакції O₂ з FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Екстракція вугілля

Для екстракції вугілля використовуються розчинники, які за обраних умов екстракції можуть вивільняти водень для гідрогенування вугілля. Тетралін є перевіреним розчинником, який окислюється до нафталіну під час екстракції. Нафталін можна відокремити та перетворити назад у тетралін шляхом гідрогенування. Процес здійснюється під тиском при специфічних температурах, залежно від типу вугілля, та часом перебування близько трьох годин.

Ультразвукова реактивація окислених частинок вугілля

Флотація у піні – це процес розділення, який використовується для очищення та збагачення вугілля, використовуючи різницю в їхній гідрофобності.
Окислене вугілля важко флотувати, оскільки гідрофільність поверхні вугілля зростає. Приєднаний кисень на поверхні вугілля утворює полярні фенольні (-OH), карбонільні (-C=O) та карбоксильні (-COOH) групи, які посилюють гідратацію поверхні вугілля та, таким чином, збільшують її гідрофільність, запобігаючи адсорбції реагентів для флотації.
Ультразвукова обробка частинок може використовуватися для видалення шарів окислення з частинок вугілля, щоб поверхня окислених частинок вугілля була реактивована.

Вугільно-водно-масляні та вугільно-водні палива

Ультразвукове мелення та диспергування використовується для отримання суспензій частинок вугілля дрібного розміру у воді або олії. За допомогою ультразвукової обробки створюється дисперсія частинок дрібного розміру та, таким чином, стабільна суспензія. (Для довготривалої стабільності може знадобитися додавання стабілізатора.) Наявність води у цих вугільно-водних та вугільно-водно-масляних паливах призводить до більш повного згоряння та зменшує шкідливі викиди. Крім того, вугілля, дисперговане у воді, стає вибухобезпечним, що полегшує поводження з ним.

Джерела та література

1. Амбедкар, Б. (2012): Ультразвукова вугільна промивка для видалення золи та десульфурації: експериментальне дослідження та механістичне моделювання. Шпрінгер, 2012.
2. Кан, В.; Сюнь, Х.; Конг, X.; Лі, М. (2009): Вплив змін у природі пульпи після ультразвукового кондиціонування на плавання вугілля з високим вмістом сірки. Гірнича наука і технологія 19, 2009. 498-502.