vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/achb.1003BWZUXRvuzbiochemi-1544Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯCHEMICAL TECHNOLOGYМикроволновый пиролиз древесины дуба: исследование процесса и характеристика продуктовMicrowave pyrolysis of oak wood: Process analysis and product characterizationhttps://orcid.org/0000-0003-3749-7738АлыеваА. Б.AlyevaA. B.

Алыева Алиса Биняминовна, к.х.н., научный сотрудник; доцент

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46;

603155, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Alisa B. Alyeva, Cand. Sci. (Chemistry), Researcher; Associate Professor

46, Ulyanov St., Nizhniy Novgorod, 603950;

24, Minin St., Nizhny Novgorod, 603155

a.alyeva@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4008-3328АнаничеваС. А.AnanichevaS. A.

Ананичева Светлана Андреевна, младший научный сотрудник

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Svetlana A. Ananicheva, Junior Researcher

46, Ulyanov St., Nizhniy Novgorod, 603950

bulanova@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4020-7482КрапивницкаяТ. О.KrapivnitсkaiaT. O.

Крапивницкая Татьяна Олеговна, к.т.н., научный сотрудник

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Tatiana O. Krapivnitckaia, Cand. Sci. (Engineering), Researcher

46, Ulyanov St., Nizhniy Novgorod, 603950

kto@ipfran.ruhttps://orcid.org/0009-0002-2765-252XДенисенкоА. Н.DenisenkoA. N.

Денисенко Андрей Николаевич, ведущий конструктор

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Andrey N. Denisenko, Leading Designer

46, Ulyanov St., Nizhniy Novgorod, 603950

androu@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6503-9454АнаничевА. А.AnanichevA. A.

Ананичев Андрей Алексеевич, младший научный сотрудник

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Andrey A. Ananichev, Junior Researcher

46, Ulyanov St., Nizhniy Novgorod, 603950

a0810@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7441-6354ПреображенскийЕ. И.PreobrazhenskyE. I.

Преображенский Евгений Игоревич, младший научный сотрудник

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Evgenii I. Preobrazhensky, Junior Researcher

46, Ulyanov St., Nizhniy Novgorod, 603950

evgenypr@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2012-8621ШироковД. А.ShirokovD. A.

Широков Дмитрий Алексеевич, ассистент

603155, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dmitry A. Shirokov, Assistant

24, Minin St., Nizhny Novgorod, 603155

dima.shirokov.99@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7896-9212ГлявинМ. Ю.GlyavinM. Yu.

Глявин Михаил Юрьевич, д.ф.-м.н., заместитель директора учреждения по научной работе, заведующий отделом

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Mikhail Yu. Glyavin, Dr. Sci. (Physics & Mathematics), Deputy Director for Research, Head of Department

46, Ulyanov St., Nizhniy Novgorod, 603950

glyavin@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4319-3562ПесковН. Ю.PeskovN. Yu.

Песков Николай Юрьевич, д.ф.-м.н., профессор РАН, заведующий лабораторией

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Nikolai Yu. Peskov, Dr. Sci. (Physics & Mathematics), Professor of Russian Academy of Sciences, Head of Laboratory

46, Ulyanov St., Nizhniy Novgorod, 603950

peskov@ipfran.ruИнститут прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияA.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences; Nizhny Novgorod State Technical UniversityRussian FederationИнститут прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАНРоссияA.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical UniversityRussian Federation202513112025154573581Copyright © Алыева А.Б., Ананичева С.А., Крапивницкая Т.О., Денисенко А.Н., Ананичев А.А., Преображенский Е.И., Широков Д.А., Глявин М.Ю., Песков Н.Ю., 20252025Алыева А.Б., Ананичева С.А., Крапивницкая Т.О., Денисенко А.Н., Ананичев А.А., Преображенский Е.И., Широков Д.А., Глявин М.Ю., Песков Н.Ю.Alyeva A.B., Ananicheva S.A., Krapivnitсkaia T.O., Denisenko A.N., Ananichev A.A., Preobrazhensky E.I., Shirokov D.A., Glyavin M.Y., Peskov N.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/1544

Развитие методов конверсии сельскохозяйственных отходов в ценные химические продукты является актуальной задачей, направленной на повышение эффективности использования природных ресурсов. Пиролиз с применением микроволнового излучения представляет собой перспективный подход, характеризующийся высокой скоростью нагрева, селективностью воздействия и потенциалом для масштабирования. Для реализации микроволновой обработки древесины дуба была разработана специализированная технологическая установка, ключевым элементом которой является микроволновый реактор с объем загрузки сырья до 3 л. В рамках настоящего исследования было проведено сопоставление инфракрасных спектров древесины дуба до и после воздействия микроволнового излучения, а также полученной газообразной фракции. Анализ инфракрасных спектров исходной древесины и твердого остатка после пиролиза позволил оценить изменения в структуре полимерных компонентов древесины (целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз), а анализ инфракрасного спектра газовой фракции – идентифицировать основные газообразные продукты реакции. Дополнительно был проведен элементный анализ древесины дуба и твердого продукта его микроволновой переработки. Полученные данные свидетельствуют о том, что в ходе процесса пиролиза древесины атомные отношения H/C и O/C уменьшаются на 0,73 и 0,44 соответственно. Расчетная теплотворная способность твердого остатка при этом повысилась в 2 раза, что свидетельствует о перспективности использования продукта пиролиза в качестве топлива благодаря увеличению энергетической ценности. Полученные результаты указывают на перспективность применения микроволнового пиролиза для переработки сельскохозяйственных отходов в высокоуглеродистые материалы с повышенной теплотворной способностью.

Development of methods for converting agricultural waste into valuable chemical products constitutes an important task designed to improve the efficiency of natural resource use. A promising approach is microwave-assisted pyrolysis, which offers high heating rates, selective action, and potential for scaling. In order to implement microwave processing of oak wood, a specialized processing unit was developed; its key element is a microwave reactor with a capacity of up to 3 L. The present study compared the IR spectra of oak wood prior to and after exposure to microwave radiation, as well as that of the obtained gaseous fraction. The IR spectrum analysis of the original wood and the solid residue from pyrolysis revealed structural changes in the polymer components of wood (cellulose, lignin, and hemicelluloses), while the IR spectrum analysis of the gaseous fraction helped identify the main gaseous reaction products. In addition, an elemental analysis of oak wood and the solid product of its microwave processing was conducted. The obtained data indicate a decrease in H/C and O/C atomic ratios by 0.73 and 0.44, respectively, during wood pyrolysis. The estimated calorific value of the solid residue increased twofold, which suggests the potential of using pyrolysis products as fuel due to the increased energy value. The obtained results indicate the potential of microwave pyrolysis in the conversion of agricultural waste into high-carbon materials with increased calorific value.

переработка органического сырьядревесинамикроволновый пиролизугольмикроволновый реакторprocessing of organic raw materialswoodmicrowave pyrolysiscoalmicrowave reactorРабота выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-19-00763 «Разработка новых физико-химических технологий и СВЧ-комплексов для глубокой переработки целлюлозосодержащих материалов»).The work was carried out with the financial support of a grant from the Russian Science Foundation (project no. 23-19-00763 “Development of new physical and chemical technologies and microwave complexes for deep processing of cellulose-containing materials”).ReferencesMoreira G.D.O., Costa G.F., Cavalcante R.M., Young A.F. Process simulation and economic evaluation of pyrolysis and hydrothermal liquefaction as alternatives for the valorization of wood waste from the pulp and paper industry // Energy Conversion and Management. 2025. Vol. 325. P. 119387. DOI: 10.1016/j.enconman.2024.119387.Moreira G.D.O., Costa G.F., Cavalcante R.M., Young A.F. Process simulation and economic evaluation of pyrolysis and hydrothermal liquefaction as alternatives for the valorization of wood waste from the pulp and paper industry. Energy Conversion and Management. 2025;325:119387. DOI: 10.1016/j.enconman.2024.119387.Marchenko O., Solomin S., Kozlov A., Shamanskiy V., Donskoy I. Economic efficiency assessment of using wood waste in cogeneration plants with multi-stage gasification // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, no. 21. P. 7600. DOI: 10.3390/app10217600.Marchenko O., Solomin S., Kozlov A., Shamanskiy V., Donskoy I. Economic efficiency assessment of using wood waste in cogeneration plants with multi-stage gasification. Applied Sciences. 2020;10(21):7600. DOI: 10.3390/app10217600.Inari G.N., Pétrissans M., Pétrissans A., Gérardin P. Elemental composition of wood as a potential marker to evaluate heat treatment intensity // Polymer Degradation and Stability. 2009. Vol. 94, no. 3. P. 365–368. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2008.12.003.Inari G.N., Pétrissans M., Pétrissans A., Gérardin P. Elemental composition of wood as a potential marker to evaluate heat treatment intensity. Polymer Degradation and Stability. 2009;94(3):365-368. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2008.12.003.Masfuri I., Amrullah A., Farobie O., Anggoro T., Rian S. F., Prabowo W., et al. Temperature effects on chemical reactions and product yields in the co-pyrolysis of wood sawdust and waste tires: an experimental investigation // Results in Engineering. 2024. Vol. 23. P. 102638. DOI: 10.1016/j.rineng.2024.102638.Masfuri I., Amrullah A., Farobie O., Anggoro T., Rian S. F., Prabowo W., et al. Temperature effects on chemical reactions and product yields in the co-pyrolysis of wood sawdust and waste tires: an experimental investigation. Results in Engineering. 2024;23:102638. DOI: 10.1016/j.rineng.2024.102638.Turek-Szytow J., Michalska J., Dudło A., Krzemiński P., Ribeiro A.L., Nowak B., et al. Soil application potential of post-sorbents produced by co-sorption of humic substances and nutrients from sludge anaerobic digestion reject water // Journal of Environmental Management. 2024. Vol. 370. P. 122465. DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.122465.Turek-Szytow J., Michalska J., Dudło A., Krzemiński P., Ribeiro A.L., Nowak B., et al. Soil application potential of post-sorbents produced by co-sorption of humic substances and nutrients from sludge anaerobic digestion reject water. Journal of Environmental Management. 2024;370:122465. DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.122465.Jadlovec M., Honus S., Čespiva J. Pyrolysis solid product as a sorbent for flue gases mercury capture – Part II: Sorbent utilization // Environmental Technology & Innovation. 2024. Vol. 35. P. 103678. DOI: 10.1016/j.eti.2024.103678.Jadlovec M., Honus S., Čespiva J. Pyrolysis solid product as a sorbent for flue gases mercury capture – Part II: Sorbent utilization. Environmental Technology & Innovation. 2024;35:103678. DOI: 10.1016/j.eti.2024.103678.Xiong J., Zhang J., Du J., He C., Zhang Z., Yang Z., et al. Native corncob-derived biosorbent with grafted 1,3,4-thiadiazole for enhanced adsorption of palladium in metallurgical wastewater // Journal of Colloid and Interface Science. 2025. Vol. 681. P. 292–304. DOI: 10.1016/j.jcis.2024.11.157.Xiong J., Zhang J., Du J., He C., Zhang Z., Yang Z., et al. Native corncob-derived biosorbent with grafted 1,3,4-thiadiazole for enhanced adsorption of palladium in metallurgical wastewater. Journal of Colloid and Interface Science. 2025;681:292–304. DOI: 10.1016/j.jcis.2024.11.157.Robinson J.P., Kingman S.W., Barranco R., Snape C.E., Al-Sayegh H. Microwave pyrolysis of wood pellets // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2010. Vol. 49, no. 2. P. 459–463. DOI: 10.1021/ie901336k.Robinson J.P., Kingman S.W., Barranco R., Snape C.E., Al-Sayegh H. Microwave pyrolysis of wood pellets. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2010;49(2):459-463. DOI: 10.1021/ie901336k.Do Nascimento V.R., dos Santos M.B., Diehl L., Paniz J.N.G., de Castilhos F., Bizzi C.A. Microwave-assisted pyrolysis of pine wood waste: system development, biofuels production, and characterization // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2024. Vol. 183. P. 106799. DOI: 10.1016/j.jaap.2024.106799.Do Nascimento V.R., dos Santos M.B., Diehl L., Paniz J.N.G., de Castilhos F., Bizzi C.A. Microwave-assisted pyrolysis of pine wood waste: system development, biofuels production, and characterization. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2024;183:106799. DOI: 10.1016/j.jaap.2024.106799.Undri A., Abou-Zaid M., Briens C., Berruti F., Rosi L., Bartoli M., et al. Bio-oil from pyrolysis of wood pellets using a microwave multimode oven and different microwave absorbers // Fuel. 2015. Vol. 153. P. 464–482. DOI: 10.1016/j.fuel.2015.02.081.Undri A., Abou-Zaid M., Briens C., Berruti F., Rosi L., Bartoli M., et al. Bio-oil from pyrolysis of wood pellets using a microwave multimode oven and different microwave absorbers. Fuel. 2015;153:464-482. DOI: 10.1016/j.fuel.2015.02.081.Aichholzer A., Schuberth C., Mayer H., Arthaber H. Microwave testing of moist and oven-dry wood to evaluate grain angle, density, moisture content and the dielectric constant of spruce from 8 GHz to 12 GHz // European Journal of Wood and Wood Products. 2018. Vol. 76. P. 89–103. DOI: 10.1007/s00107-017-1203-x.Aichholzer A., Schuberth C., Mayer H., Arthaber H. Microwave testing of moist and oven-dry wood to evaluate grain angle, density, moisture content and the dielectric constant of spruce from 8 GHz to 12 GHz. European Journal of Wood and Wood Products. 2018;76:89-103. DOI: 10.1007/s00107-017-1203-x.Salema A.A., Afzal M.T., Bennamoun L. Pyrolysis of corn stalk biomass briquettes in a scaled-up microwave technology // Bioresource Technology. 2017. Vol. 233. P. 353–362. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.02.113.Salema A.A., Afzal M.T., Bennamoun L. Pyrolysis of corn stalk biomass briquettes in a scaled-up microwave technology. Bioresource Technology. 2017;233:353-362. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.02.113.De la Hoz A., Díaz-Ortiz Á., Moreno A. Microwaves in organic synthesis. Thermal and non-thermal microwave effects // Chemical Society Reviews. 2005. Vol. 34, no. 2. P. 164–178. DOI: 10.1039/B411438H.De la Hoz A., Díaz-Ortiz Á., Moreno A. Microwaves in organic synthesis. Thermal and non-thermal microwave effects. Chemical Society Reviews. 2005;34(2):164-178. DOI: 10.1039/B411438H.Zhang X., Hayward D.O., Mingos D.M.P. Apparent equilibrium shifts and hot-spot formation for catalytic reactions induced by microwave dielectric heating // Chemical Communications. 1999. Vol. 11. P. 975–976. DOI: 10.1039/a901245a.Zhang X., Hayward D.O., Mingos D.M.P. Apparent equilibrium shifts and hot-spot formation for catalytic reactions induced by microwave dielectric heating. Chemical Communications. 1999;11:975-976. DOI: 10.1039/a901245a.Ramirez A., Hueso J.L., Mallada R., Santamaria J. In situ temperature measurements in microwave-heated gas-solid catalytic systems. Detection of hot spots and solid-fluid temperature gradients in the ethylene epoxidation reaction // Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 316. P. 50–60. DOI: 10.1016/j.cej.2017.01.077.Ramirez A., Hueso J.L., Mallada R., Santamaria J. In situ temperature measurements in microwave-heated gas-solid catalytic systems. Detection of hot spots and solid-fluid temperature gradients in the ethylene epoxidation reaction. Chemical Engineering Journal. 2017;316:50-60. DOI: 10.1016/j.cej.2017.01.077.Habouria M., Ouertani S., Mansour N.B., Azzouz S., Elaieb M.T. Influence of microwave power and heating time on the drying kinetics and mechanical properties of Eucalyptus gomphocephala wood // Frontiers in Heat and Mass Transfer. 2025. Vol. 23, no. 1. P. 345–360. DOI: 10.32604/fhmt.2024.057387.Habouria M., Ouertani S., Mansour N.B., Azzouz S., Elaieb M.T. Influence of microwave power and heating time on the drying kinetics and mechanical properties of Eucalyptus gomphocephala wood. Frontiers in Heat and Mass Transfer. 2025;23(1):345-360. DOI: 10.32604/fhmt.2024.057387.Xing X., Li S., Jin J., Wang Z., Fu F. Effects of high-intensity microwave (HIMW) treatment on mechanical properties and bending failure mechanisms of radiata pine (Pinus Radiata D. Don) // Wood Science and Technology. 2024. Vol. 58. P. 2073–2096. DOI: 10.1007/s00226-024-01601-x.Xing X., Li S., Jin J., Wang Z., Fu F. Effects of high-intensity microwave (HIMW) treatment on mechanical properties and bending failure mechanisms of radiata pine (Pinus Radiata D. Don). Wood Science and Technology. 2024;58:2073-2096. DOI: 10.1007/s00226-024-01601-x.Colom X., Carrillo F. Comparative study of wood samples of the northern area of catalonia by FTIR // Journal of Wood Chemistry and Technology. 2005. Vol. 25, no. 1–2. P. 1–11. DOI: 10.1081/WCT-200058231.Colom X., Carrillo F. Comparative study of wood samples of the northern area of catalonia by FTIR. Journal of Wood Chemistry and Technology. 2005;25(1-2):1-11. DOI: 10.1081/WCT-200058231.Pandey K.K. A study of chemical structure of soft and hardwood and wood polymers by FTIR spectroscopy // Journal of Applied Polymer Science. 1999. Vol. 71, no. 12. P. 1969–1975. DOI: 10.1002/(SICI)1097-4628(19990321)71:12<1969::AID-APP6>3.0.CO;2-D.Pandey K.K. A study of chemical structure of soft and hardwood and wood polymers by FTIR spectroscopy. Journal of Applied Polymer Science. 1999;71(12):1969-1975. DOI: 10.1002/(SICI)1097-4628(19990321)71:12<1969::AID-APP6>3.0.CO;2-D.Пожидаев В.М., Ретивов В.М., Панарина Е.И., Сергеева Я.Э., Жданович О.А., Яцишина Е.Б. Разработка метода идентификации породы древесины в археологических материалах методом ИК-спектроскопии // Журнал аналитической химии. 2019. Т. 74. N 12. С. 911–921. DOI: 10.1134/s0044450219120107. EDN: GBSFCS.Pozhidaev V.M., Retivov V.M., Panarina E.I., Sergeeva Y.E., Zhdanovich O.A., Yatsishina E.B. Development of a method for identifying wood species in archaeological materials by IR spectroscopy. Zhurnal analiticheskoi khimii. 2019;74(12):911-921. (In Russian). DOI: 10.1134/s0044450219120107. EDN: GBSFCS.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.