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Lavado de carbón y cloruro de zinc: una combinación crucial

El carbón extraído no es un material digno para la combustión moderna, debido a su gran cantidad de compuestos de azufre, entre otros. Cuando se queman, estos liberan gases tóxicos. El lavado con carbón reduce la cantidad de estos gases liberados al quemarse, ayudando a eliminarlos del carbón. La adición de cloruro de zinc a un proceso de beneficio de carbón puede conducir a la producción de productos de carbón activado.

Una introducción al lavado de carbón

El lavado del carbón, también conocido como beneficencia del carbón, es un proceso mediante el cual el carbón extraído se trata con agua para eliminar el azufre y otras impurezas antes de quemarlo como combustible. El lavado con carbón es parte de la preparación del carbón, que incluye otros pasos como la trituración y la clasificación. Las impurezas pueden incluir tierra y otras rocas, además de los compuestos de azufre. Una vez lavado, el
carbón
tendrá un contenido general de cenizas más bajo, lo que significa que es más fácil de transportar y es un combustible de mayor calidad(1). El contenido de cenizas se puede reducir de alrededor del 40 al 45% hasta el 30%. Como parte del proceso, el carbón necesita ser deshidratado, lo que comúnmente se logra a través de la centrifugación, el cribado de lodos o la filtración convencional, dependiendo del tipo de carbón.

Los combustibles con alto contenido de azufre tienen un bajo rendimiento ambiental, liberando óxidos de azufre a la atmósfera, lo que conduce a la contaminación del aire y la lluvia ácida.

Una preocupación con el lavado de carbón es la cantidad de agua que utiliza. Los valores de alrededor de 45 metros cúbicos por tonelada de carbón son comunes. Es decir, se necesitan 45 toneladas de agua para lavar una tonelada de carbón. El lavado de carbón se refiere a todo el espectro de procesos de mejora del carbón.

Carbono

Lavabilidad

La lavabilidad se refiere a la prueba de una sustancia en particular para determinar las condiciones ideales para eliminar las impurezas, que se calcula sobre la base de la densidad. Los métodos estándar actuales para calcular esto, en el caso del carbón, incluyen dejar caer una muestra en un líquido de densidad conocida y medir cuánto tiempo tarda en hundirse. Estos se conocen como pruebas de "flotación y hundimiento". El carbón tiene una densidad de alrededor de 1.300 kg m-3, mientras que la materia mineral (es decir, las impurezas presentes, «cenizas») a menudo tienen densidades superiores a 2.000 kg m-3 (2). Por lo tanto, se puede inferir que una muestra de carbón de mayor densidad tendrá una mayor proporción de cenizas, porque las cenizas son más densas que el carbón(3). El estándar para los líquidos de densidad conocidos tiende a ser de naturaleza orgánica: percloroetileno, bromoformo y tetrabromoetano. La desventaja de estos es que todos son tóxicos y todos son volátiles, en relación con el agua. Las soluciones concentradas o saturadas de cloruro de zinc en agua se están convirtiendo en alternativas populares a los solventes orgánicos para las pruebas de lavabilidad(4). La diferencia en el contenido de humedad es bien conocida y contabilizada, con efectos superficiales como la solubilidad en el lado del carbón son mínimos(5). Las soluciones de cloruro de zinc tienden a ser utilizadas para pruebas de flotación y sumidero en el régimen de 1.200 a 1.800 kg m-3 (6).

El agua limpia que vierte después de filtrar a través de los medios filtrantes de vidrio

Separación de medios pesados

Basado en los principios establecidos en las pruebas de lavabilidad, la separación de medios pesados es un método utilizado para eliminar ciertos compuestos de una mezcla. Se basa en que la gravedad específica de un material sea mayor o menor que la del líquido en el que se ha colocado. La modulación de este principio puede resultar en la adición de una muestra a un líquido, con hundimiento del material de alta densidad y flotación del material de baja densidad(7). Una extensión simple del proceso utilizado para determinar la lavabilidad es el proceso utilizado para separar los medios pesados en el lavado con carbón. El principal mineral que contiene azufre dentro del carbón es la pirita, que en la separación de medios pesados, se hunde.

A menudo, se utiliza una combinación de solución saturada de cloruro de zinc con otro disolvente para garantizar una cierta densidad y, por lo tanto, un comportamiento de separación específico. Tal ejemplo es la separación de carbón altamente bituminoso de una mina en Turquía, donde se utilizó una solución de alcohol isopropílico, tetracloruro de carbono y cloruro de zinc con una gravedad específica de 1.400 kg m-3 (8). El carbón, aunque de relativamente mala calidad, flotaba y estaba completamente separado de la ceniza y otros contenidos minerales, que se hundieron.

El uso de una gama de soluciones de cloruro de zinc a densidades que oscilan entre 1.100 y 1.750 kg m-3 se utilizó para investigar los efectos del proceso de flotación de espuma en el lavado del lignito. El proceso de espuma es un desarrollo del proceso convencional de separación de medios pesados, utilizando queroseno para mejorar la recolección del material orgánico deseado, que flota. Se reportó la eliminación de más del 90% de los compuestos de azufre del lignito, aunque con poco efecto derivado de la densidad del cloruro de zinc en solución(9). Parecía no importar mucho cuánto ZnCl2 estaba presente en este estudio.

Fundamentalmente, ambos ejemplos muestran el potencial de mejora de carbones de menor calidad como el lignito. Esto es importante, ya que más del 50% de los depósitos de carbón restantes en el mundo son ejemplos de carbones de menor calidad(10).

polvo de carbón

Cloruro de zinc y carbono: reactividad

Para no quedarse atrás con propiedades y usos basados únicamente en técnicas de separación físico-química, el carbón y el cloruro de zinc son reactivos entre sí. La deshidrogenación específica del carbón cuando se expone al cloruro de zinc representa alrededor del 12% del hidrógeno contenido en el propio carbón(11). Esto es particularmente interesante ya que tal deshidrogenación puede ocurrir a temperaturas inferiores a las que normalmente ocurriría la pirólisis(12). Es este comportamiento reactivo el que conduce, en parte, a la producción de compuestos de carbón activado a partir del carbón. Cabe destacar que en la pirólisis de carbones con contenido de azufre superior al promedio, se puede formar sulfuro de zinc, lo que reduce efectivamente la desulfuración(13).

Producción de compuestos de carbón activado


El
carbón activado (también conocido como carbón activado) es una forma de carbón que se ha procesado de tal manera que tiene muchos poros pequeños y de bajo volumen. La presencia de tales poros crea un área de superficie masiva, que luego está disponible para reacciones químicas o procesos de adsorción. Comúnmente se deriva del carbón vegetal, pero existen métodos para fabricarlo a partir de fuentes de carbono de menor calidad, como el carbón bituminoso, utilizando compuestos como el óxido de zinc.

El cloruro de zinc es clave para la activación del carbón, donde se comporta principalmente como agente deshidratante después de la carbonización (calentamiento a temperatura relativamente baja). La evolución del volumen de poro aumenta con una mayor cantidad de activación del cloruro de zinc, lo que hace que el producto final sea más activo(14). El proceso consiste en mezclar carbón molido o bituminoso con una solución concentrada de cloruro de zinc antes de dejar secar la suspensión resultante a 110 °C durante 14 horas, siendo este método particularmente apreciado debido a la deshidratación uniforme(15). El carbono producido tenía una porosidad bien desarrollada y, lo que es más importante, uniforme en todas partes. El contenido de azufre se redujo significativamente, y la solución de cloruro de zinc proporcionó un efecto de lavado.

Para los carbones activados, un aumento en el tamaño de partícula del precursor del carbón conduce a una reducción en la porosidad del material de carbono resultante(16), incluso cuando se produce bajo temperaturas increíblemente forzadas. Por lo tanto, es imperativo que se produzca suficiente lavado antes.

En la preparación de carbones activados a partir de ácidos húmicos a base de carbón (es decir, los de suelos), se ha demostrado que una relación de 2:1 de cloruro de zinc a ácido húmico es la más eficaz para producir carbones activados enriquecidos con oxígeno(17), a una temperatura de 500 °C, para su uso como electrodos. Se encontró que el tratamiento con cloruro de zinc del carbón era crucial para garantizar la porosidad requerida. Los usos de compuestos de carbón activado producidos con cloruro de zinc indican la eliminación de mercurio elemental de los gases de combustión, donde el carbono de alta superficie eliminó 91,4% del mercurio del flujo de gas, siendo el cloruro de zinc responsable de asegurar la adsorción efectiva(18).

cinta transportadora con minerales procesados
tambor principal de la fábrica de procesamiento de minerales

Después del lavado del carbón

Como se mencionó, el lavado de carbón utiliza grandes cantidades de agua, y el proceso no garantiza que ningún material de carbón "bueno" no se filtre en las aguas residuales. El lavado de aguas residuales con carbón, como muchos otros flujos de desechos industriales, puede presentar una oportunidad para aumentar la eficiencia general de la planta a través de un proceso de tratamiento. La mayor parte de la composición suspendida o disuelta de las aguas residuales son cenizas volantes. Se han desarrollado coagulantes basados en cenizas volantes y sales no tóxicas de calcio(19) que son capaces de eliminar más del 99% de los sólidos suspendidos y los iones metálicos residuales de las aguas residuales del lavado del carbón. Las cenizas volantes recuperadas del carbón pueden utilizarse para mejorar los procesos de los digestores anaeróbicos(20). El tratamiento de las aguas residuales significa que pueden ser liberadas en las alcantarillas convencionales.

Consultoría de óxido de manganeso

  • El lavado de carbón es el proceso general de tratamiento del carbón para eliminar las impurezas y agregar valor.
  • El azufre, a menudo como pirita, es el contaminante más importante para eliminar, ya que su quema conduce a una grave contaminación del aire.
  • Las soluciones de cloruro de zinc se utilizan para pruebas de lavabilidad, para determinar la mejor manera de separar los materiales de carbón entre sí, y están reemplazando solventes tóxicos y / u orgánicos
  • La separación de medios pesados es el método predominante para separar el contenido de carbón, confiando en la densidad. La solución de cloruro de zinc se utiliza como medio
  • El cloruro de zinc y el carbono son reactivos bajo ciertas condiciones y el ZnCl2 se usa ampliamente en la producción de carbones activados, incluso a partir de carbones de baja calidad como el lignito.
Carbono

Referencias

1 A. Bahrami y otros, Int. J. Coal Sci. Tecnología., 2018, 5, 374

2 K. P. Gavin, Int. J. Preparación del carbón. Utilización, 2006, 4, 209

3 G. H. Luttrell et al., Optimum Cut Points for Heavy Medium Separations, en: R. Q. Honaker and W. R. Forrest, eds., Advances in Gravity Concentration, SME, Colorado, 2003

4 B. van Emden et al., ACARP Report, 1999, C7047

5 J. A. Luppens y A. P. Hoeft, J. Coal Quality, 1991, 10, 133

6 S. Pradhan y S. Mohanta, IOPSci Notes, 2020, 1, 24403
7 E. Karami y otros, Separación Sci. Tecnología., 2020, 55, 386

8 Z. Aktaś y otros, Proceso de combustible. Tecnología., 1998, 55, 235

9 K. Ceylan y M. Z. Küçük, Energ. Conservar. Administración, 2004, 45, 1407

10 W. Xia et al., Powder Tech., 2015, 277, 206

11 B. Xing y otros, 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 y D. D. Do, Carbono, 1996, 34, 471

16 M. M. Dubinin et al., Carbon, 1989, 27, 457

17 H. Teng y T.-S. Yeh Ind. Eng. Chem. Res., 1998, 37, 58

18 C.-G. Yuan et al., Fuel, 2019, 239 830

19 L. Yan et al., J. Hazardous Mater., 2012, 203, 221

20 C. Huiliñir y otros, J. Environ. Chem. Eng., 2021, 9, 106422