Kohlewäsche und Zinkchlorid: eine entscheidende Kombination
Kohle, wie sie abgebaut wird, ist kein geeignetes Material für die moderne Verbrennung, unter anderem wegen ihrer großen Menge an Schwefelverbindungen. Bei der Verbrennung setzen diese giftige Gase frei. Das Waschen von Kohle reduziert die Menge dieser Gase, die beim Verbrennen freigesetzt werden, indem es hilft, sie aus der Kohle zu entfernen. Die Zugabe von Zinkchlorid zu einem Kohleaufbereitungsprozess kann zur Herstellung von Aktivkohleprodukten führen.
Eine Einführung in die Kohlewäsche
Kohlewäsche - auch bekannt als Kohleaufbereitung - ist ein Prozess, bei dem abgebaute Kohle mit Wasser behandelt wird, um Schwefel und andere Verunreinigungen zu entfernen, bevor sie als Brennstoff verbrannt wird. Das Waschen von Kohle ist Teil der Kohlevorbereitung, die andere Schritte wie Zerkleinern und Sortieren umfasst. Verunreinigungen können neben den Schwefelverbindungen auch Boden und andere Gesteine umfassen. Nach dem Waschen hat die
Kohle
einen insgesamt geringeren Aschegehalt, was bedeutet, dass sie leichter zu transportieren ist und ein hochwertigerer Brennstoff ist(1). Der Aschegehalt kann von ca. 40 - 45% auf bis zu 30% reduziert werden. Im Rahmen des Prozesses muss Kohle entwässert werden, was je nach Kohleart üblicherweise durch Zentrifugieren, Schlammsieb oder konventionelle Filtration erreicht wird.
Kraftstoffe mit hohem Schwefelgehalt sind schlechte Umweltleistungen - sie setzen Schwefeloxide in die Atmosphäre frei, was zu Luftverschmutzung und saurem Regen führt.
Ein Problem beim Waschen von Kohle ist die Menge an Wasser, die es verwendet. Werte von ca. 45 Kubikmetern pro Tonne Kohle sind an der Tagesordnung. Das heißt, es braucht 45 Tonnen Wasser, um eine Tonne Kohle zu waschen. Kohlewäsche bezieht sich auf das gesamte Spektrum der Kohleveredelungsprozesse.
Waschbarkeit
Waschbarkeit bezieht sich auf die Prüfung einer bestimmten Substanz, um ideale Bedingungen zur Entfernung von Verunreinigungen zu bestimmen, die auf der Grundlage der Dichte berechnet wird. Aktuelle Standardmethoden zur Berechnung dieser Methode umfassen im Falle von Kohle das Tropfen einer Probe in eine Flüssigkeit bekannter Dichte und die Messung, wie lange es dauert, bis sie sinkt. Diese werden als "Float and Sink"-Tests bezeichnet. Kohle hat eine Dichte von etwa 1.300 kg m-3, während Mineralstoffe (d.h. vorhandene Verunreinigungen, "Asche") oft Dichten von mehr als 2.000 kg m-3 aufweisen (2). Es kann daher gefolgert werden, dass eine Kohleprobe höherer Dichte einen höheren Ascheanteil aufweist - weil Asche dichter ist als Kohle(3). Der Standard für die bekannten Dichteflüssigkeiten ist tendenziell organischer Natur - Perchlorethylen, Bromoform und Tetrabromethan. Der Nachteil dieser ist, dass sie alle giftig und im Vergleich zu Wasser flüchtig sind. Konzentrierte oder gesättigte Lösungen von Zinkchlorid in Wasser werden zu beliebten Alternativen zu organischen Lösungsmitteln für Waschbarkeitstests(4). Der Unterschied im Feuchtigkeitsgehalt ist bekannt und berücksichtigt, wobei Oberflächeneffekte wie die Löslichkeit auf der Seite der Kohle minimal sind(5). Zinkchloridlösungen werden in der Regel für Schwimmer- und Sinktests im Bereich von 1.200 bis 1.800 kg m-3 verwendet(6).
Starke Medientrennung
Basierend auf den Prinzipien, die in der Waschbarkeitsprüfung festgelegt wurden, ist die schwere Medientrennung eine Methode, mit der bestimmte Verbindungen aus einer Mischung entfernt werden. Es beruht darauf, dass das spezifische Gewicht eines Materials höher oder niedriger ist als das der Flüssigkeit, in die es gelegt wurde. Die Modulation dieses Prinzips kann dazu führen, dass eine Probe zu einer Flüssigkeit gegeben wird, wobei Material mit hoher Dichte sinkt und Material mit niedriger Dichte schwimmt(7). Eine einfache Erweiterung des Verfahrens zur Bestimmung der Waschbarkeit ist das Verfahren zur Trennung schwerer Medien in der Kohlenwäsche. Das wichtigste schwefelhaltige Mineral in der Kohle ist Pyrit, das bei schwerer Medientrennung absinkt.
Häufig wird eine Kombination aus gesättigter Zinkchloridlösung mit einem anderen Lösungsmittel verwendet, um eine bestimmte Dichte und damit ein spezifisches Trennverhalten zu gewährleisten. Ein solches Beispiel ist die Abtrennung von hochbituminöser Kohle aus einem Bergwerk in der Türkei, wo eine Isopropylalkohol-, Tetrachlorkohlenstoff- und Zinkchloridlösung mit einem spezifischen Gewicht von 1.400 kg m-3 verwendet wurde(8). Die Kohle - obwohl von relativ schlechter Qualität - schwamm und wurde vollständig von der Asche und anderen Mineralien getrennt, die sanken.
Unter Verwendung einer Reihe von Zinkchloridlösungen mit Dichten von 1.100 bis 1.750 kg m-3 wurden die Auswirkungen des Schaumflotationsprozesses auf die Braunkohlewäsche untersucht. Das Aufschäumverfahren ist eine Weiterentwicklung des herkömmlichen Schwermedientrennverfahrens, bei dem Kerosin verwendet wird, um die Sammlung des gewünschten organischen Materials - das schwimmt - zu verbessern. Es wurde berichtet, dass mehr als 90 % der Schwefelverbindungen aus der Braunkohle entfernt wurden, wenn auch mit geringer Wirkung aufgrund der Zinkchloriddichte in Lösung(9). Es schien keine große Rolle zu spielen, wie viel ZnCl2 in dieser Studie vorhanden war.
Entscheidend ist, dass diese beiden Beispiele das Verbesserungspotenzial von Kohlen geringerer Qualität wie Braunkohle zeigen. Dies ist wichtig, da über 50 % der weltweit verbleibenden Kohlevorkommen Beispiele für Kohle geringerer Qualität sind(10).
Zinkchlorid und Kohlenstoff: Reaktivität
Um nicht mit Eigenschaften und Verwendungen übertroffen zu werden, die ausschließlich auf physikalisch-chemischen Trenntechniken basieren, reagieren Kohle und Zinkchlorid miteinander. Die spezifische Dehydrierung von Kohle bei Exposition gegenüber Zinkchlorid macht etwa 12 % des in der Kohle selbst enthaltenen Wasserstoffs aus(11). Dies ist besonders interessant, da eine solche Dehydrierung bei Temperaturen unterhalb derjenigen auftreten kann, bei denen normalerweise eine Pyrolyse stattfinden würde(12). Dieses reaktive Verhalten führt zum Teil zur Herstellung von Aktivkohleverbindungen aus Kohle. Es ist zu beachten, dass bei der Pyrolyse von Kohlen mit überdurchschnittlichem Schwefelgehalt Zinksulfid gebildet werden kann, was die Entschwefelung wirksam reduziert(13).
Herstellung von Aktivkohleverbindungen
Aktivkohle
(auch Aktivkohle genannt) ist eine Form von Kohlenstoff, die so verarbeitet wurde, dass sie viele kleine, kleinvolumige Poren aufweist. Das Vorhandensein solcher Poren erzeugt eine massive Oberfläche - die dann für chemische Reaktionen oder Adsorptionsprozesse zur Verfügung steht. Es wird üblicherweise aus Holzkohle gewonnen, aber es gibt Methoden zur Herstellung aus weniger hochwertigen Kohlenstoffquellen wie bituminöser Kohle unter Verwendung von Verbindungen wie Zinkoxid.
Zinkchlorid ist der Schlüssel zur Aktivierung von Kohle, wo es sich nach der Karbonisierung (relativ niedrige Temperaturerwärmung) hauptsächlich als Entwässerungsmittel verhält. Die Porenvolumenentwicklung wird mit einer größeren Zinkchloridaktivierung erhöht, was zu einem aktiveren Endprodukt führt(14). Das Verfahren besteht darin, gemahlene oder bituminöse Kohle mit einer konzentrierten Lösung von Zinkchlorid zu mischen, bevor die resultierende Aufschlämmung 14 Stunden lang bei 110 °C trocknen lässt - wobei diese Methode besonders beliebt ist, da sie eine gleichmäßige Dehydratisierung bietet(15). Der erzeugte Kohlenstoff hatte durchweg eine gut entwickelte und - entscheidend - gleichmäßige Porosität. Der Schwefelgehalt wurde deutlich reduziert - wobei die Zinkchloridlösung für einen Wascheffekt sorgte.
Bei Aktivkohle führt eine Vergrößerung der Partikelgröße des Kohlevorläufers zu einer Verringerung der Porosität des resultierenden Kohlenstoffmaterials(16), selbst wenn es unter unglaublich zwingenden Temperaturen hergestellt wird. Es ist daher zwingend erforderlich, dass vorher ausreichend gewaschen wird.
Bei der Herstellung von Aktivkohlen aus Huminsäuren auf Kohlebasis (d. h. aus Böden) hat sich gezeigt, dass ein Verhältnis von 2:1 Zinkchlorid zu Huminsäure am wirksamsten für die Herstellung von Aktivkohlen ist, die mit Sauerstoff angereichert sind(17), bei einer Temperatur von 500 °C, zur Verwendung als Elektroden. Die Zinkchloridbehandlung der Kohle erwies sich als entscheidend für die Sicherstellung der erforderlichen Porosität. Die Verwendung von Aktivkohleverbindungen, die mit Zinkchlorid hergestellt werden, deutet auf die Entfernung von elementarem Quecksilber aus Rauchgasen hin, wobei der Kohlenstoff mit hoher Oberfläche 91,4 % des Quecksilbers aus dem Gasstrom entfernte - wobei Zinkchlorid für die Gewährleistung einer wirksamen Adsorption verantwortlich ist(18).
Nach dem Waschen von Kohle
Wie bereits erwähnt, verbraucht die Kohlewäsche Unmengen an Wasser - und der Prozess stellt nicht sicher, dass kein "gutes" Kohlematerial ins Abwasser gelangt. Kohlewaschabwasser kann, wie viele andere industrielle Abfallströme, eine Möglichkeit bieten, die Gesamtanlageneffizienz durch einen Behandlungsprozess zu steigern. Der größte Teil der suspendierten oder gelösten Zusammensetzung des Abwassers ist Flugasche. Es wurden Gerinnungsmittel auf Basis von Flugasche und ungiftigen Calciumsalzen(19) entwickelt, die in der Lage sind, mehr als 99% der suspendierten Feststoffe und Restmetallionen aus Kohlewaschabwässern zu entfernen. Aus Kohle gewonnene Flugasche kann zur Verbesserung anaerober Fermenterprozesse verwendet werden(20). Durch die Behandlung von Abwasser kann es in konventionelle Abwasserkanäle eingeleitet werden.
Beratung von Manganoxid
- Kohlewäsche ist der Gesamtprozess der Behandlung von Kohle, um Verunreinigungen zu entfernen und einen Mehrwert zu schaffen
- Schwefel, oft als Pyrit, ist die wichtigste zu entfernende Verunreinigung, da die Verbrennung zu starker Luftverschmutzung führt
- Zinkchloridlösungen werden für Waschbarkeitstests verwendet, um zu bestimmen, wie Kohlematerialien am besten voneinander getrennt werden können, und ersetzen toxische und / oder organische Lösungsmittel
- Die schwere Medientrennung ist die vorherrschende Methode zur Trennung von Kohlengehalten unter Abhängigkeit von der Dichte. Zinkchloridlösung wird als Medium verwendet
- Zinkchlorid und Kohlenstoff sind unter bestimmten Bedingungen reaktiv und ZnCl2 wird in großem Umfang bei der Herstellung von Aktivkohle verwendet, auch aus minderwertigen Kohlen wie Braunkohle.
Verweise
1 A. Bahrami et al., Int. J. Coal Sci. Tech., 2018, 5, 374
2 K. P. Gavin, Int. J. Kohlenvorbereitung. Nutzung, 2006, 4, 209
3 G. H. Luttrell et al., Optimum Cut Points for Heavy Medium Separations, in: R. Q. Honaker und W. R. Forrest, Hrsg., Advances in Gravity Concentration, SME, Colorado, 2003
4 B. van Emden et al., ACARP Report, 1999, C7047
5 J. A. Luppens und A. P. Hoeft, J. Coal Quality, 1991, 10, 133
6 S. Pradhan und S. Mohanta, IOPSci Notes, 2020, 1, 24403
7 E. Karami et al., Trennung Sci. Tech., 2020, 55, 386
8 Z. Aktaś et al., Kraftstoffprozess. Tech., 1998, 55, 235
9 K. Ceylan und M. Z. Küçük, Energ. Konservieren. Management, 2004, 45, 1407
10 W. Xia et al., Powder Tech., 2015, 277, 206
11 B. Xing et al., Curr. Nanosci., 2015, 11, 439
12 G. Ghosh et al., Energy Fuels, 1988, 2, 224
13 A. Linares-Solano et al., Energy Fuels, 1996, 10, 1108.
14 J. M. Palacios et al., Fuel, 1991, 70, 727
15 A. Ahmadpour und D. D. Do, Carbon, 1996, 34, 471
16 M. M. Dubinin et al., Carbon, 1989, 27, 457
17 H. Teng und T.-S. Yeh Ind. Eng. Chem. Res., 1998, 37, 58
18 C.-G. Yuan et al., Kraftstoff, 2019, 239 830
19 L. Yan et al., J. Hazardous Mater., 2012, 203, 221
20 C. Huiliñir et al., J. Environ. Chem. Eng., 2021, 9, 106422
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