Lavagem de carvão e cloreto de zinco: uma combinação crucial
O carvão extraído não é um material digno para a combustão moderna, devido à sua grande quantidade de compostos de enxofre, entre outros. Quando queimados, estes libertam gases tóxicos. A lavagem de carvão reduz a quantidade destes gases libertados na queima - ajudando a removê-los do carvão. A adição de cloreto de zinco a um processo de beneficiação de carvão pode levar à produção de produtos de carbono ativados.
Uma introdução à lavagem de carvão
A lavagem de carvão - também conhecida como beneficção do carvão - é um processo pelo qual o carvão extraído é tratado com água para remover enxofre e outras impurezas antes de ser queimado como combustível. A lavagem de carvão faz parte da preparação do carvão, que inclui outros passos, como esmagamento e classificação. As impurezas podem incluir solo e outras rochas, além dos compostos de enxofre. Uma vez lavado, o
carvão
terá um teor global de cinzas mais baixo, o que significa que é mais fácil de transportar e é um combustível de maior qualidade(1). O teor de cinzas pode ser reduzido de cerca de 40 - 45% para 30%. Como parte do processo, o carvão precisa de ser desaguado, o que é geralmente conseguido através de centrifugação, rastreio de slurry ou filtração convencional, dependendo do tipo de carvão.
Os combustíveis de alto teor de enxofre são maus artistas ambientais - libertando óxidos de enxofre para a atmosfera, que conduzem à poluição atmosférica e à chuva ácida.
Uma preocupação com a lavagem de carvão é a quantidade de água que utiliza. Valores de cerca de 45 metros cúbicos por tonelada de carvão são comuns. Ou seja, são necessárias 45 toneladas de água para lavar uma tonelada de carvão. Lavagem de carvão refere-se a todo o espectro de processos de melhoria do carvão.
Lavabilidade
Washability refere-se ao ensaio de uma determinada substância, a fim de determinar as condições ideais para eliminar as impurezas, que são calculadas com base na densidade. Os métodos padrão atuais para o cálculo deste facto, no caso do carvão, incluem a queda de uma amostra num líquido de densidade conhecida e a medição do tempo que demora a afundar. Estes são referidos como testes de "flutuar e afundar". O carvão tem uma densidade de cerca de 1.300 kg m-3, enquanto a matéria mineral (isto é, impurezas presentes, 'cinzas') tem densidades superiores a 2.000 kg m-3(2). Pode, portanto, deduzir-se que uma amostra de carvão de maior densidade terá uma proporção mais elevada de cinzas - porque as cinzas são mais densas do que o carvão(3). O padrão para os líquidos de densidade conhecidos tendem a ser orgânicos na natureza - percloroetileno, bromoforme e tetrabromoethane. A desvantagem para estes é que todos eles são tóxicos e todos eles são voláteis, em relação à água. As soluções concentradas ou saturadas de cloreto de zinco na água estão a tornar-se alternativas populares aos solventes orgânicos para testes de lavagem(4). A diferença no teor de humidade é bem conhecida e contabilizada, com efeitos de superfície como a solubilidade do lado do carvão são mínimos(5). As soluções de cloreto de zinco tendem a ser utilizadas para testes de flutuação e pia no regime de 1.200 a 1.800 kg m-3 (6).
Separação dos media pesados
Com base nos princípios estabelecidos nos testes de lavagem, a separação pesada dos meios de comunicação é um método utilizado para remover certos compostos de uma mistura. Baseia-se na gravidade específica de um material superior ou inferior ao do líquido em que foi colocado. A modulação deste princípio pode resultar na adição de uma amostra a um líquido, com o afundamento de materiais de alta densidade e o material de baixa densidade flutuante(7). Uma simples extensão do próprio processo usado para determinar a lavagem é o processo usado para separar os meios pesados na lavagem de carvão. O maior enxofre que contém minerais dentro do carvão é o pirite, que na forte separação dos meios de comunicação, afunda.
Muitas vezes, uma combinação de solução de cloreto de zinco saturada com outro solvente é usada para garantir uma certa densidade e, portanto, um comportamento específico de separação. Este exemplo está na separação do carvão altamente betuminoso de uma mina na Turquia, onde foi utilizado um álcool isopropílico, tetracloreto de carbono e cloreto de zinco com uma gravidade específica de 1.400 kg m-3 (8). O carvão - embora de qualidade relativamente fraca - flutuava e estava completamente separado das cinzas e de outros conteúdos minerais, que afundaram.
Utilizando uma gama de soluções de cloreto de zinco em densidades que variam entre 1.100 e 1.750 kg m-3 foram usados para sondar os efeitos do processo de flutuação da espuma na lavagem da linhite. O processo de espuma é um desenvolvimento do processo convencional de separação dos meios de comunicação, utilizando querosene para melhorar a recolha do material orgânico desejado - que flutua. Foi reportada a remoção de mais de 90% dos compostos de enxofre da linhite, embora com pouco efeito decorrente da densidade do cloreto de zinco na solução(9). Parecia não importar muito quanto ZnCl2 estava presente neste estudo.
Crucialmente, ambos os exemplos mostram o potencial de melhoria de carvões de menor qualidade como a linhite. Isto é importante, uma vez que mais de 50% dos restantes depósitos de carvão do mundo são exemplos de carvão de menor qualidade(10).
Cloreto de zinco e carbono: reatividade
Para não ser ultrapassado com propriedades e usos baseados apenas em técnicas de separação físico-química, o carvão e o cloreto de zinco são reativos entre si. A desidrogenação específica do carvão quando exposta ao cloreto de zinco representa cerca de 12% do hidrogénio contido no próprio carvão(11). Isto é particularmente interessante, uma vez que tal desidrogenação pode ocorrer a temperaturas inferiores às quais a pirólise ocorreria normalmente(12). É este comportamento reativo que conduz, em parte, à produção de compostos de carbono ativados a partir do carvão. Note-se que na pirólise dos carvões com teor de enxofre superior à média, pode-se formar sulfureto de zinco, o que reduz efetivamente a dessulfurização(13).
Produção de compostos de carbono ativados
O carbono ativado
(também conhecido como carvão ativado) é uma forma de carbono que foi processada de tal forma que tem muitos poros pequenos e de baixo volume. A presença de tais poros cria uma área de superfície maciça - que está então disponível para reações químicas ou processos de adsorção. É comumente derivado do carvão, mas existem métodos para o fabricar a partir de fontes de carbono de menor qualidade, como o carvão betuminoso, utilizando compostos como o óxido de zinco.
O cloreto de zinco é fundamental para a ativação do carvão, onde se comporta principalmente como agente desidratante pós-carbonização (aquecimento a temperatura relativamente baixa). A evolução do volume dos poros é aumentada com uma maior quantidade de ativação de cloreto de zinco, tornando-se um produto final mais ativo(14). O processo consiste em misturar carvão moído ou betuminoso com uma solução concentrada de cloreto de zinco antes de deixar a lama resultante secar a 110 °C durante 14 horas - sendo este método particularmente apreciado devido à desidratação uniforme(15). O carbono produzido tinha-se bem desenvolvido e - crucialmente - porosidade uniforme em toda a parte. O teor de enxofre foi significativamente reduzido - com a solução de cloreto de zinco a proporcionar um efeito de lavagem.
No caso dos carbonos ativados, o aumento do tamanho das partículas do precursor do carvão conduz a uma redução da porosidade do material de carbono resultante(16), mesmo quando produzido sob temperaturas incrivelmente forçar. Por conseguinte, é imperativo que a lavagem suficiente ocorra antes.
Na preparação de carbonos ativados a partir de ácidos hílicos à base de carvão (ou seja, os dos solos), demonstrou-se que uma relação de 2:1 de cloreto de zinco para ácido hírico é a mais eficaz para a produção de carbonos ativados enriquecidos com oxigénio(17), a uma temperatura de 500 °C, para utilização como elétrodos. Verificou-se que o tratamento do cloreto de zinco do carvão era crucial para assegurar a porosidade exigida. As utilizações de compostos de carbono ativados produzidos com cloreto de zinco indicam a remoção do mercúrio elementar dos gases de combustão, onde o carbono da superfície alta removeu 91,4% do mercúrio do fluxo de gás - sendo o cloreto de zinco responsável por garantir uma adsorção eficaz(18).
Depois da lavagem de carvão
Como mencionado, a lavagem de carvão utiliza grandes quantidades de água - e o processo não garante que nenhum material de carvão 'bom' não seja lixiviado nas águas residuais. A lavagem de carvão de águas residuais, tal como muitas outras correntes de resíduos industriais, pode constituir uma oportunidade para aumentar a eficiência global das instalações através de um processo de tratamento. A maior parte da composição suspensa ou dissolvida das águas residuais é cinza-mosca. Foram desenvolvidos coagulantes à base de cinzas de moscas e sais não tóxicos de cálcio(19) que são capazes de remover mais de 99% dos sólidos suspensos e dos iões metálicos residuais provenientes das águas residuais de lavagem de carvão. As cinzas de mosca recuperadas do carvão podem ser utilizadas para melhorar os processos de digestão anaeróbica(20). O tratamento das águas residuais significa que pode ser libertado nos esgotos convencionais.
Resumo
- Lavagem de carvão é o processo geral de tratamento do carvão para remover impurezas e acrescentar valor
- O enxofre, muitas vezes como pirite, é o contaminante mais importante para remover, pois a queima leva a uma poluição atmosférica severa.
- As soluções de cloreto de zinco são utilizadas para testes de lavagem, para determinar a melhor forma de separar os materiais de carvão uns dos outros, e estão a substituir solventes tóxicos e/ou orgânicos
- A forte separação dos meios de comunicação social é o método predominante para separar o teor de carvão, baseando-se na densidade. A solução de cloreto de zinco é usada como meio
- O cloreto de zinco e o carbono são reativos em determinadas condições e o ZnCl2 é utilizado extensivamente na produção de carbono ativado, mesmo a partir de carvões de baixa qualidade, como a linhite
Referências
1 A. Bahrami et al., O Int. J. Coal Sci. A tecnologia., 2018, 5.374
2 K. P. Gavin, O Int. Preparação J. Coal. Utilização, 2006, 4, 209
3 G. H. Luttrell et al., Optimum Cut Points for Heavy Medium Separations, in: R. Q. Honaker and W. R. Forrest, eds., Advances in Gravity Concentration, PME, Colorado, 2003
4 B. van Emden et al., ACARP Report, 1999, C7047
5 J. A. Luppens e A. P. Hoeft, J. Qualidade do Carvão, 1991, 10, 133
6 S. Pradhan e S. Mohanta, Notas IOPSci, 2020, 1, 24403
7 E. Karami et al., Separação Sci. A tecnologia., 2020, 55,386
8 Z. Aktaś et al., Processo de combustível. A tecnologia., 1998, 55, 235
9 K. Ceylan e M. Z. Küçük, O Energ. Conservar. Gestão, 2004, 45, 1407
10 W. Xia et al., Powder Tech., 2015, 277, 206
11 B. Xing et al., O Curr. O 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 e D.D. Do, Carbono, 1996, 34.471
16 M. M. Dubinin et al., Carbono, 1989, 27, 457
17 H. Teng e T.-S. Sim, O Ind. Eng. A quimioterapia. A Res., 1998, 37, 58
18 C.-G. Yuan et al., Fuel, 2019, 239 830
19 L. Yan et al., J. Dangerous Mater., 2012, 203, 221
20 C. Huiliñir et al., J. Environ. A quimioterapia. Eng., 2021, 9, 106422
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