vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2019-9-4-750-758vuzbiochemi-268Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯCHEMICAL TECHNOLOGYЭкспериментальное исследование СВЧ-пиролиза торфаMicrowave pyrolysis experimental study of peatКрапивницкаяТ. О.KrapivnitskaiaT. O.

Крапивницкая Татьяна Олеговна, аспирант

603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23

ведущий инженер

603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Tatiana O. Krapivnitskaia, Postgraduate Student

23, Gagarin Ave., Nizhniy Novgorod, 603022, Russian Federation,

Leading Engineer

46, Ul’yanov St., Nizhniy Novgorod 603950

kto465@yandex.ruБогдашовА. А.BogdashovA. A.

Богдашов Александр Александрович, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник

603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Alexander A. Bogdashov, Cand. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

46, Ul’yanov St., Nizhniy Novgorod 603950

bogdash@appl.sci-nnov.ruДенисенкоА. Н.DenisenkoA. N.

Денисенко Андрей Николаевич, ведущий конструктор

603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова,46

Andrey N. Denisenko, Leading Designer

46, Ul’yanov St., Nizhniy Novgorod 603950

androu@appl.sci-nnov.ruГлявинМ. Ю.GlyavinM. Yu.

Глявин Михаил Юрьевич, д.ф.-м.н., заведующий лабораторией микроволновой обработки материалов

603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Mikhail Yu. Glyavin, Dr. Sci. (Physics), Head of Laboratory

46, Ul’yanov St., Nizhniy Novgorod 603950

glyavin@appl.sci-nnov.ruПесковН. Ю.PeskovN. Yu.

Песков Николай Юрьевич, д.ф.-м.н., профессор РАН, ведущий научный сотрудник

603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Nikolai Yu. Peskov, Dr. Sci. (Physics), Professor of Russian Academy of Sciences, Leading Researcher 

46, Ul’yanov St., Nizhniy Novgorod 603950

peskov@appl.sci-nnov.ruСеменычеваЛ. Л.SemenychevaL. L.

Семенычева Людмила Леонидовна, д.х.н., заведующая лабораторией нефтехимии

603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23

Lyudmila L. Semenycheva, Dr. Sci. (Chemistry), Head of Laboratory 

23, Gagarin Ave., Nizhniy Novgorod 603022

llsem@yandex.ruВорожцовД. Л.VorozhtcovD. L.

Ворожцов Дмитрий Леонидович, к.х.н., ведущий инженер

603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23

Dmitriy L. Vorozhtcov Cand. (Chemistry), Leading Engineer 

23, Gagarin Ave., Nizhniy Novgorod 603022

dmvorozh@gmail.comИнститут прикладной физики РАН; Нижегородский государственный университет им. Н.И. ЛобачевскогоРоссияInstitute of Applied Physics Russian Academy of Sciences; Lobachevsky State University of Nizhniy NovgorodRussian FederationИнститут прикладной физики РАНРоссияInstitute of Applied Physics Russian Academy of SciencesRussian FederationНижегородский государственный университет им. Н.И. ЛобачевскогоРоссияLobachevsky State University of Nizhniy NovgorodRussian Federation20190601202094750758Copyright © Крапивницкая Т.О., Богдашов А.А., Денисенко А.Н., Глявин М.Ю., Песков Н.Ю., Семенычева Л.Л., Ворожцов Д.Л., 20202020Крапивницкая Т.О., Богдашов А.А., Денисенко А.Н., Глявин М.Ю., Песков Н.Ю., Семенычева Л.Л., Ворожцов Д.Л.Krapivnitskaia T.O., Bogdashov A.A., Denisenko A.N., Glyavin M.Y., Peskov N.Y., Semenycheva L.L., Vorozhtcov D.L.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/268

Работа посвящена исследованию деструкции верхового сфагнового торфа под воздействием микроволнового излучения. Для анализа физико-химических процессов создана лабораторная установка на основе коаксиального резонатора-реактора, геометрия которого обеспечивает однородное распределение СВЧ-поля в объеме реактора. В качестве источника СВЧ-излучения использовался промышленный магнетрон с частотой 2,45 ГГц мощностью до 1 кВт. При лабораторных исследованиях с относительно небольшим объемом торфа (~100 г) достоинством созданной установки является возможность быстрого достижения температуры, необходимой для осуществления реакции пиролиза при относительно малом уровне СВЧ-мощности, который в данных экспериментах составлял около 100 Вт. Анализ полученных в ходе реакции продуктов производился на хромато-масс-спектрометре. Проводимые исследования направлены на создание высокоэффективных экологически чистых технологий переработки биотоплива с высоким выходом горючих газов, пригодных для дальнейшего использования в промышленных энергетических установках, а также получения смолистой фракции для создания легких углеводородов и углеродистого остатка для современных высокоэффективных сорбентов. На основе созданной экспериментальной установки проведены исследования мягкого СВЧ-пиролиза торфа при температуре 250 °С в условиях постоянного отвода газообразных продуктов реакции. Получены и проанализированы образцы твердой, жидкой и газовой фаз, представляющие собой ценный углеродистый остаток, маслянистую фракцию и пиролизный газ. В статье анализируется возможность промышленного применения продуктов реакции. Проведено сравнение химического состава продуктов реакции при СВЧ-пиролизе и «традиционном» пиролизе с термическим нагревом. Показано, что в составе выделившихся в процессе СВЧ-пиролиза газов отсутствуют тяжелые ядовитые газы, которые во множестве сопровождают процесс «традиционного» термического пиролиза. Снижение количества ядовитых газов улучшает экологическую составляющую производства. Указанное обстоятельство свидетельствует о перспективности СВЧ-пиролиза для промышленной переработки органических материалов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The work is devoted to the study of the destruction of the top sphagnum peat layer due to microwave radiation. For the analysis of physical and chemical processes, a laboratory setup was created on the basis of a coaxial resonator-reactor having a geometry that ensures a uniform distribution of the microwave field in the reactor volume. An industrial magnetron having a frequency of 2.45 GHz and a power of up to 1 kW was used as a source of microwave radiation. In laboratory studies with a relatively small amount of peat (~ 100 g), the advantage of the created setup consists in the ability to quickly achieve the necessary temperature for the pyrolysis reaction at a relatively low level of microwave power (~ 100 W) in these experiments. The analysis of the products obtained during the reaction was carried out using a gas chromatography mass spectrometer. The research was aimed at creating highly-efficient environmentallyfriendly technologies for processing biofuels characterised by a high yield of combustible gases suitable for further use in industrial power plants, as well as for obtaining a resinous fraction for the production of light hydrocarbons and a carbon residue for modern highly efficient sorbents. On the basis of the experimental setup, studies were carried out on soft microwave pyrolysis of peat at a temperature of 250 °C under constant removal of gaseous reaction products. Samples of solid, liquid and gas phases presenting valuable carbon residues, oily fractions and a pyrolysis gas, respectively, were obtained and analysed. The article examines the possibility for industrial application of reaction products. The chemical composition of the r eaction products during both microwave and “traditional” pyrolysis with thermal heating is compared. The composition of the gases released during microwave pyrolysis is characterised by the absence of heavy toxic gases often accompanying the process of “traditional” thermal pyrolysis. Reducing the amount of toxic gases improves the environmental component of production. This circumstance indicates the prospects of microwave pyrolysis for industrial processing of organic materials.

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

микроволновый пиролиз торфавысокотехнологичная обработка органических материаловмощное микроволновое излучениевозобновляемые источники энергииэнергосберегающие экологически чистые технологииmicrowave pyrolysispeathigh-tech processing of organic materialspowerful microwave radiationrenewable energy sourcesenergy-saving environmentally friendly technologiesРабота выполнена с использованием оборудования ЦКП «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии» и при поддержке гранта «Умник-2017» № 13188/2018 и программы фундаментальных научных исследований № 0035-2019-0001.the work was carried out using the equipment of the CCP "New materials and resource-saving technologies" and with the support of the grant "Umnik-2017" No. 13188/2018 and programs of fundamental scientific research No. 0035-2019-0001.ReferencesГунич С.В., Янчуковская Е.В. Анализ процессов пиролиза отходов производства и потребления // Известия Вузов. Прикладная химия и биотехнология 2016. Т. 6. N 1 (16). С. 86–93.Gunich SV, Yanchukovskaya EV. Analysis of processes of pyrolysis of wastes of production and consumption. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2916;6(1):86–93. (In Russian)Куряева Т.А. Исследование состава углеметановых геоматериалов с помощью СВЧ пиролиза каменного угля // Интерэкспо ГеоСибирь. 2015. Т. 2. N 3. С. 93–96.Kiryaeva TA. Analysis of coal-and-methane geomaterial composition using microwave-assisted pyrolysis of black coal. Interekspo Geo-Sibir'. 2015;2(3):93–96. (In Russian)Яцун А.В., Коновалов П.Н., Коновалов Н.П. СВЧ-пиролиз изношенных автомобильных шин в присутствии гидроксида калия // Современные наукоемкие технологии. 2017. N 2 (13). С. 83–87.Yatsun AV, Konovalov PN, Konovalov NP. Microwavepyrolysis ofscraptires in the presence of potassium hydroxide. Sovremennye naukoemkie tekhnologii = Modern high technologies. 2017;2(13):83–87. (In Russian)Гунич С.В., Янчуковская Е.В., Днепровская Н.И. Анализ современных методов переработки твердых бытовых отходов // Известия Вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. N 2 (13). С. 110–115.Gunich SV, Yanchukovskaya EV, Dneprovskaya NI. Analysis of modern methods of hard domestic wastes processing. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2015;(2):110–115. (In Russian)Полищук Т.С., Череватюк Г.В., Патрушева О.В. Использование микроволнового излучения в нефтехимии // Молодой ученый. 2017. N 2-1 (136). С. 23–27.Polishchuk TS, Cherevatyuk GV, Patrusheva OV. The use of microwave radiation in petrochemistry. Molodoi uchenyi = Young scientist. 2017;(2-1):23–27. (In Russian)Yang J., Chen H., Zhao W., Zhou J. TG– FTIR-MS study of pyrolysis products evolving from peat // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2016. Vol. 117. P. 296–309. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2015.11.002Yang J, Chen H, Zhao W, Zhou J. TG–FTIRMS study of pyrolysis products evolving from peat. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2016;117:296–309. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2015.11.002Chen X., Che Q., Li S., Liu Z., Yang H., Chen Y., et al. Recent developments in lignocellulosic biomass catalytic fast pyrolysis: Strategies for the optimization of bio-oil quality and yield // Fuel Processing Technology. 2019. Vol. 196. 106180.ChenX, Che Q, Li S, Liu Z, Yang H, Chen Y, et al. Recent developments in lignocellulosic biomass catalytic fast pyrolysis: Strategies for the optimization of bio-oil quality and yield. Fuel Processing Technology. 2019;196:106180.Makkawi Y.T., Sayed Y.El., Salih M., Nancarrow P., Banks S.W., Bridgwater T. Fast pyrolysis of date palm (Phoenix dactylifera) waste in a bubbling fluidized bed reactor // Renewable Energy. 2019. Vol. 43. P. 719–730. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.05.028Makkawi YT, Sayed YEl, Salih M, Nancarrow P, Banks SW, Bridgwater T. Fast pyrolysis of date palm (Phoenix dactylifera) waste in a bubbling fluidized bed reactor. Renewable Energy. 2019;43: 719–730. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.05.028LamS.S., Wan Mahari W.A., Ok Y.S., Peng W., Chong C.T., Ma N.L., et al. Microwave vacuum pyrolysis of waste plastic and used cooking oil for simultaneous waste reduction and sustainable energy conversion: Recovery of cleaner liquid fuel and techno-economic analysis // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 115. P. 109359. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109359Lam SS, Wan Mahari WA, Ok YS, Peng W, Chong CT, Ma NL, et al. Microwave vacuum pyrolysis of waste plastic and used cooking oil for simultaneous waste reduction and sustainable energy conversion: Recovery of cleaner liquid fuel and techno-economic analysis. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019;115:109359. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109359Khiari B., Jeguirim M. Tunisian agro-food wastes recovery by pyrolysis: Thermogravimetric analysis and kinetic study // 10th International Renewable Energy Congress (IREC). 26–28 March 2019, Sousse, Tunisia. https://doi.org/10.1109/IREC.2019.8754614Khiari B, Jeguirim M. Tunisian agro-food wastes recovery by pyrolysis: Thermogravimetric analysis and kinetic study. 10th International Renewable Energy Congress (IREC). 26–28 March 2019, Sousse, Tunisia. https://doi.org/10.1109/IREC.2019.8754614Zhang Y., Cheng Q., Wang D., Xia D., Zheng X., Li Z., et al. Preparation of Pyrolytic Carbon from Waste Tires for Methylene Blue Adsorption // JOM. Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 2019. Vol. 71. Issue 10. P. 3658–3666. https://doi.org/10.1007/s11837-019- 03658-7ZhangY, ChengQ, Wang D, Xia D, Zheng X, Li Z, et al. Preparation of Pyrolytic Carbon from Waste Tires for Methylene Blue Adsorption. JOM. Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 2019;71(10):3658–3666. https://doi.org/10.1007/s11837-019-03658-7Lambert A., Anawati J., Walawalkar M., Tam J., Azimi G. Innovative Application of Microwave Treatment for Recovering of Rare Earth Elements from Phosphogypsum // ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2018. Vol 6. Issue 12. P. 16471–16481. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b03588Lambert A, Anawati J, Walawalkar M, Tam J, Azimi G. Innovative Application of Microwave Treatment for Recovering of Rare Earth Elements from Phosphogypsum. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2018;6(12):16471–16481. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b03588Wahi R., Abdul Aziz S.M., Hamdan S., Ngaini Z. Biochar production from agricultural wastes via low-temperature microwave carbonization // IEEE International RF and Microwave Conference. 2015. Vol. 4. P. 250–253. https://doi.org/10.1109/RFM.2015.7587754Wahi R, Abdul Aziz SM, Hamdan S, Ngaini Z. Biochar production from agricultural wastes via low-temperature microwave carbonization. IEEE International RF and Microwave Conference. 2015;4:250–253. https://doi.org/10.1109/RFM.2015.7587754Klinger J., Bar-Ziv E., Shonnard D.R., Westover T., Emerson R. Predicting Properties of Gas and Solid Streams by Intrinsic Kinetics of Fast Pyrolysis of Wood // Energy and Fuels. 2016. Vol. 30. Issue 1. P. 318–325. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5b01877Klinger J, Bar-Ziv E, Shonnard DR, Westover T, Emerson R. Predicting Properties of Gas and Solid Streams by Intrinsic Kinetics of Fast Pyrolysis of Wood. Energy and Fuels. 2016;30(1):318–325. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5b01877Markin V.I., Cheprasova M.Yu., Bazarnova N.G. General areas of the use of a microwave radiation for processing of plant raw materials (review) // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2015. Vol. 41. Issue 7. P. 686–699. https://doi.org/10.1134/S1068162015070110Markin VI, Cheprasova MYu, Bazarnova NG. General areas of the use of a microwave radiation for processing of plant raw materials (review). Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2015;41(7):686–699. https://doi.org/10.1134/S1068162015070110BorgesF.C., Du Z-Y., Xie Q., Trierweiler J.O., Cheng Y., Wan Y., et al. Fast microwave assisted pyrolysis of biomass using microwave absorbent // Bioresource Technology. 2014. Vol. 56. P. 267–274. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.01.038Borges FC, Du Z-Y, Xie Q, Trierweiler JO, Cheng Y, Wan Y, et al. Fast microwave assisted pyrolysis of biomass using microwave absorbent. Bioresource Technology. 2014;156:267–274. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.01.038Ren S., Lei H., Wang L., Bu Q., Chen S., Wu J., et al. Microwave pyrolysis of Douglas fir sawdust pellet // American Society of Agricultural and Biological Engineers Annual International Meeting. 2011. Vol. 2. P. 1334–1348. https://doi.org/10. 13031/2013.37300Ren S, Lei H, Wang L, Bu Q, Chen S, Wu J, et al. Microwave pyrolysis of Douglas fir sawdust pellet. American Society of Agricultural and Biological Engineers Annual International Meeting. 2011;2:1334–1348. https://doi.org/10.13031/2013.37300Богдашов А.А., Крапивницкая Т.О., Песков Н.Ю. Моделирование тепловых и электродинамических процессов при СВЧ-пиролизе торфа // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо’2018): материалы 28-й Междунар. Крымской конф. (Севастополь, 9–15 сентября 2018 г.). Севастополь, 2018. Т. 6. С. 1381–1387.Bogdashov AA, Krapivnitskaya TO, Peskov NYu. Simulation of microwave pyrolysis of peat. In: SVCh-tekhnika i telekommunikatsionnye tekhnologii (CriMiCo’2018): materialy 28-i Mezhdunarodnoi Krymskoi konferentsii = Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo2018): Proceedings of the 28th International Crimean Conference. 9–15 September 2018, Sevastopol. Sevastopol, 2018, vol. 6, p. 1381–1387. (In Russian)KrapivnitskaiaT.O., Bogdashov A.A., Denisenko A.N., Glyavin M.Yu., Kalynov Yu.K., Kuzikov S.V., et al. High-temperature microwave pyrolysis of peat as a method to obtaining liquid and gaseous fuels // EPJ Web of Conferences. 10th International Workshop 2017 “Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications”. 2017. Vol. 149. 02023. 2 p. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714902023Krapivnitskaia TO, Bogdashov AA, Denisenko AN, Glyavin MYu, Kalynov YuK, Kuzikov SV, et al. High-temperature microwave pyrolysis of peat as a method to obtaining liquid and gaseous fuel. EPJ Web of Conferences. 10th International Workshop 2017 “Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications”. 2017. Vol. 49. 02023. 2 p. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714902023Богдашов А.А., Крапивницкая Т.О., Денисенко А.Н., Песков Н.Ю., Глявин М.Ю., Семенычева Л.Л. [и др.]. СВЧ-пиролиз торфа: результаты и перспективы // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо’2018): материалы 28-й Междунар. Крымской конф. (Севастополь, 9–15 сентября 2018 г.). Севастополь, 2018. Т. 6. С. 1394–1399.Bogdashov AA, Krapivnitskaia TO, Denisenko AN, Peskov NYu, Glyavin MYu, Semenycheva LL, et al. Microwave pyrolysis of peat: results and prospects. In: SVCh-tekhnika i telekommunikatsionnye tekhnologii (CriMiCo’2018): materialy 28-i Mezhdunarodnoi Krymskoi konferentsii = Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo’2018): Proceedings of the 28th International Crimean Conference. 9–15 September 2018, Sevastopol. Sevastopol, 2018, vol. 6, p. 1394–1399. (In Russian)

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