Xử lý than bằng siêu âm để sản xuất năng lượng

Việc xử lý huyền phù than bằng siêu âm góp phần vào nhiều quá trình trong sản xuất năng lượng từ than. Siêu âm thúc đẩy quá trình hydro hóa có xúc tác trong quá trình hóa lỏng than. Ngoài ra, xử lý siêu âm có thể cải thiện diện tích bề mặt và khả năng chiết của than. Có thể tránh các phản ứng phụ hóa học không mong muốn trong quá trình khử tro và khử lưu huỳnh – hoàn thành quá trình trong thời gian ngắn hơn nhiều. Ngay cả trong quá trình phân tách bằng tuyển nổi bọt, khả năng phân tán các hạt ở kích thước nhỏ cũng có thể được tăng cường đáng kể nhờ xử lý siêu âm.

Hóa lỏng than/ Quy trình chuyển than thành nhiên liệu lỏng

Nhiên liệu lỏng có thể được sản xuất ở quy mô công nghiệp từ than bằng quy trình “Hóa lỏng than”. Có thể hóa lỏng than theo hai phương thức – hóa lỏng trực tiếp (DCL) và hóa lỏng gián tiếp (ICL).
Trong khi hóa lỏng gián tiếp thường bao gồm quá trình khí hóa than, quy trình hóa lỏng trực tiếp chuyển than trực tiếp thành chất lỏng. Vì vậy, các dung môi (ví dụ: tetralin) hoặc chất xúc tác (ví dụ: MoS₂) được sử dụng kết hợp với áp suất và nhiệt độ cao để phá vỡ cấu trúc hữu cơ của than. Vì hydrocarbon lỏng thường có tỷ lệ mol hydro trên carbon cao hơn than, cả công nghệ ICL và DCL đều cần một quá trình hydro hóa hoặc loại bỏ carbon.

Hóa lỏng than trực tiếp

Các nghiên cứu đã cho thấy quá trình hóa lỏng trực tiếp các loại than được tiền xử lý bằng siêu âm có thể được cải thiện rõ rệt. Ba loại than bitum khác nhau có cấp biến chất thấp đã được xử lý siêu âm trong dung môi. Sự trương nở và phân tán do siêu âm gây ra đã mang lại hiệu suất hóa lỏng cao hơn rõ rệt.

Hóa lỏng than gián tiếp

Than có thể được chuyển thành nhiên liệu lỏng bằng các quy trình hóa lỏng than gián tiếp (ICL) thông qua khí hóa, sau đó chuyển hóa có xúc tác khí tổng hợp thành hydrocarbon sạch và nhiên liệu vận tải chứa oxy như methanol, dimethyl ether, nhiên liệu kiểu diesel hoặc xăng Fischer-Tropsch. Quá trình tổng hợp Fischer-Tropsch đòi hỏi sử dụng các chất xúc tác như chất xúc tác gốc sắt. Thông qua sự phân mảnh hạtbằng siêu âm, hiệu quả của các chất xúc tác có thể được cải thiện đáng kể.

Hoạt hóa chất xúc tác bằng siêu âm

Thông qua xử lý siêu âm, các hạt có thể được phân tán, phá kết tụ và phân mảnh – tạo ra diện tích bề mặt hạt lớn hơn. Đối với chất xúc tác, điều này đồng nghĩa với diện tích bề mặt hoạt tính lớn hơn, làm tăng khả năng phản ứng xúc tác của các hạt.
Ví dụ: Chất xúc tác Fe ở kích thước nano
Sắt pha nano được điều chế bằng phương pháp hóa siêu âm là chất xúc tác hoạt tính cho quá trình hydro hóa CO theo Fischer–Tropsch cũng như quá trình phân cắt bằng hydro và khử hydro của các alkane, chủ yếu nhờ diện tích bề mặt lớn (>120mg^-1). Tốc độ chuyển hóa CO và H₂ thành các alkane có khối lượng phân tử thấp, tính trên mỗi gam Fe, cao hơn khoảng 20 lần so với bột sắt thương mại dạng hạt mịn (đường kính 5 μm) ở 250°C và có hoạt tính cao hơn 100 lần ở 200°C.

Ví dụ về các chất xúc tác được điều chế bằng siêu âm:
ví dụ: MoS₂, nano-Fe

Tái sinh chất xúc tác

Mặc dù chất xúc tác không bị tiêu hao trong các phản ứng hóa học, hoạt tính và hiệu quả của chúng có thể giảm do kết tụ và bám bẩn. Vì vậy, có thể quan sát thấy các chất xúc tác ban đầu có hoạt tính xúc tác cao và độ chọn lọc cao đối với các hợp chất chứa oxy. Tuy nhiên, trong quá trình phản ứng, chất xúc tác có thể bị suy giảm do kết tụ. Bằng cách chiếu siêu âm, các chất xúc tác có thể được tái sinh vì hiện tượng xâm thực tạo ra các lực giúp phân tán các hạt và loại bỏ các chất lắng đọng khỏi bề mặt.

Rửa than: Khử tro và khử lưu huỳnh bằng siêu âm

Điều hòa bằng siêu âm có thể nâng cao hiệu quả của các phương pháp tuyển nổi than được sử dụng để khử lưu huỳnh và khử tro. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp siêu âm là loại bỏ đồng thời tro và lưu huỳnh.[1] Siêu âm và dòng chảy âm học do siêu âm tạo ra được biết đến rộng rãi nhờ tác động của chúng lên các hạt. Siêu âm công suất cao phá kết tụ, phân tán các hạt than và đánh bóng bề mặt của chúng. Ngoài ra, siêu âm làm sạch nền than, loại bỏ lưu huỳnh và tro.
Thông qua việc điều hòa dòng bùn than, siêu âm công suất cao được áp dụng để cải thiện khả năng khử tro và khử lưu huỳnh của bùn than. Xử lý siêu âm tác động đến tính chất của bùn than bằng cách giảm hàm lượng oxy và sức căng liên pha, đồng thời tăng giá trị pH và nhiệt độ. Qua đó, xử lý than có hàm lượng lưu huỳnh cao bằng siêu âm giúp cải thiện khả năng khử lưu huỳnh.

Giảm tính kỵ nước của pyrit với sự hỗ trợ của siêu âm

Các gốc oxy được tạo ra bằng siêu âm oxy hóa quá mức bề mặt pyrit và khiến lưu huỳnh có trong bùn than xuất hiện dưới dạng các đơn vị sulfoxide. Điều này làm giảm tính kỵ nước của pyrit.

Các điều kiện khắc nghiệt trong quá trình sụp đổ của các bọt xâm thực được tạo ra bằng siêu âm trong chất lỏng có khả năng tạo ra các gốc tự do. Điều này có nghĩa là, chẳng hạn, việc xử lý nước bằng siêu âm phá vỡ các liên kết phân tử, tạo ra các gốc tự do •OH và •OH.

H₂O → •H + •OH
Các gốc tự do •OH và •H được tạo ra có thể tham gia các phản ứng thứ cấp như sau:
•H + O₂ → •HO₂
•OH + •OH → H₂O₂
•HO₂ + •HO₂ → H2O₂ + O₂
H2O2 được tạo ra không bền và nhanh chóng giải phóng oxy mới sinh. Vì vậy, hàm lượng oxy trong nước tăng sau khi điều hòa bằng siêu âm. Oxy mới sinh có hoạt tính cao, có thể phản ứng với các hạt khoáng có trong bùn than và làm giảm hàm lượng oxy của bùn than.
Sự oxy hóa pyrit (FeS₂) xảy ra do phản ứng của O₂ với FeS₂.
2FeS + 3O₂ + 4H₂O = 2Fe(OH)₂ + 2H₂SO₃
FeS + 2O₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄
2FeS + 2O₂ + 2H+ = 2Fe²⁺ + S₂O^2- + H₂O

Chiết than

Để chiết than, người ta sử dụng các dung môi có thể giải phóng hydro trong những điều kiện chiết đã chọn để hydro hóa than. Tetralin là một dung môi đã được chứng minh hiệu quả, được oxy hóa thành naphthalene trong quá trình chiết. Naphthalene có thể được tách ra và chuyển trở lại thành tetralin bằng cách hydro hóa. Quá trình được thực hiện dưới áp suất ở các nhiệt độ cụ thể tùy thuộc vào loại than, với thời gian lưu khoảng ba giờ.

Tái hoạt hóa các hạt than bị oxy hóa bằng siêu âm

Tuyển nổi bọt là một quá trình phân tách được sử dụng để làm sạch và làm giàu than bằng cách tận dụng sự khác biệt về tính kỵ nước.
Than bị oxy hóa khó tuyển nổi vì tính ưa nước của bề mặt than tăng lên. Oxy gắn trên bề mặt than tạo thành các nhóm phân cực phenol (-OH), carbonyl (-C=O) và carboxyl (-COOH), làm tăng sự hydrat hóa bề mặt than và do đó tăng tính ưa nước, ngăn cản sự hấp phụ của các thuốc tuyển nổi.
Quá trình xử lý hạt bằng siêu âm có thể được sử dụng để loại bỏ các lớp oxy hóa khỏi các hạt than, nhờ đó tái hoạt hóa bề mặt của các hạt than bị oxy hóa.

Nhiên liệu than–nước–dầu và than–nước

Quá trình nghiền và phân tán bằng siêu âm được sử dụng để tạo ra các huyền phù hạt than kích thước nhỏ trong nước hoặc dầu. Xử lý siêu âm tạo ra hệ phân tán hạt kích thước nhỏ và nhờ đó tạo thành huyền phù ổn định. (Để duy trì độ ổn định lâu dài, có thể cần bổ sung chất ổn định.) Sự hiện diện của nước trong các nhiên liệu than–nước và than–nước–dầu này giúp quá trình cháy hoàn toàn hơn và giảm phát thải có hại. Ngoài ra, than phân tán trong nước trở nên chống nổ, giúp việc thao tác thuận tiện hơn.

Tài liệu tham khảo

1. Ambedkar, B. (2012): Rửa than bằng siêu âm để khử tro và khử lưu huỳnh: Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa cơ chế. Springer, 2012.
2. Kang, W.; Xun, H.; Kong, X.; Li, M. (2009): Ảnh hưởng của những thay đổi về tính chất bùn than sau khi điều hòa bằng siêu âm đến quá trình tuyển nổi than có hàm lượng lưu huỳnh cao. Mining Science and Technology 19, 2009. 498–502.