Исследование продуктов термодеструкции верхового торфа микроволновым излучением

   Запасы торфа представляют большой интерес в различных отраслях промышленности (энергетическая, топливная, химическая и др.). Для переработки подобных твердых углеродсодержащих ресурсов с последующим получением топлива и ценных продуктов стандартно используют пиролиз. В настоящее время одним из развивающихся экологически и энергетически выгодных способов осуществления деструкции углеродсодержащего сырья является пиролиз с воздействием электромагнитных волн на материал. Микроволновое излучение обеспечивает нагрев материала непосредственно в объеме, что позволяет значительно повысить равномерность нагрева в объеме облучаемого образца, обеспечить большую эффективность теплопередачи и избежать локального перегрева на поверхности реактора. Так, в ходе проведенного исследования разработана конструкция технологического комплекса для микроволновой обработки органических материалов. Описаны конструктивные элементы комплекса, представлена схема разделения продуктов пиролиза. На основе прототипа разработанного реактора проведены эксперименты по деструкции верхового сфагнового торфа Греко-Ушаковского месторождения в режиме мягкого пиролиза, инициированного сверхвысокочастотным излучением. Методом хромато-масс-спектрометрии проанализирован компонентный состав продуктов реакции, выполнено сравнение с результатами предшествующих экспериментов по «традиционному» термическому пиролизу. Более глубокая переработка торфа осуществляется в условиях мягкого сверхвысокочастотного пиролиза с высоким выходом полезных продуктов за счет более эффективной передачи тепла, равномерного нагрева материала и оптимальной скорости реакции. Показано, что разработанная технология позволяет получать сырье для широкого спектра высокотехнологичных промышленных производств. Обсуждаются перспективы промышленного использования предлагаемой сверхвысокочастотной технологии переработки торфа, в частности, для производства эффективного гидрофобного сорбента.

1. Hakizimana J.D.K., Kim H.-T. Peat briquette as an alternative to cooking fuel: a techno-economic viability assessment in Rwanda // Energy. 2016. Vol. 102. P. 453–464. DOI: 10.1016/j.energy.2016.02.073.

2. Arpia A.A., Chen W.-H., Lam S.S., Rousset P., de Luna M.D.G. Sustainable biofuel and bioenergy production from biomass waste residues using microwave-assisted heating : a comprehensive review // Chemical Engineering Journal. 2021. Vol. 403. P. 126233. DOI: 10.1016/j.cej.2020.126233.

3. Mushtaq F., Mat R., Ani F.N. A review on microwave assisted pyrolysis of coal and biomass for fuel production // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. Vol. 39. P. 555–574. DOI: 10.1016/j.rser.2014.07.073.

4. Demirbas A., Arin G. An overview of biomass pyrolysis // Energy Sources. 2002. Vol. 24, no. 5. P. 471–482. DOI: 10.1080/00908310252889979.

5. Бердоносов С.С. Микроволновая химия // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7. N 1. C. 32–38.

6. Кузнецов Д.В., Раев В.А., Куранов Г.Л., Арапов О.В., Костиков Р.Р. Применение микроволнового излучения в синтезе органических соединений // Журнал общей химии. 2005. Т. 41. N 12. С. 1757–1787. EDN: OYQPTV.

7. Mgbemena C.O., Li D., Lin M.-F., Liddel P.D., Katnam K.B., Thakur V.K., et al. Accelerated microwave curing of fibre-reinforced thermoset polymer composites for structural applications : a review of scientific challenges // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018. Vol. 115. P. 88–103. DOI: 10.1016/j.compositesa.2018.09.012.

8. Морозов О.Г., Самигуллин Р.Р., Насыбуллин А. Р. Микроволновые технологии в процессах переработки и утилизации бытовых полимерных отходов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. N 4-3. С. 580–582. EDN: NXJUTZ.

9. Foong S.Y., Liew R.K., Yang Y., Cheng Y.W., Yek P.N.Y., Wan Mahari W.A., et al. Valorization of biomass waste to engineered activated biochar by microwave pyrolysis: Progress, challenges, and future directions // Chemical Engineering Journal. 2020. Vol. 389. P. 124401. DOI: 10.1016/j.cej.2020.124401.

10. Patel A., Agrawal B., Rawal B.R. Pyrolysis of biomass for efficient extraction of biofuel // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2020. Vol. 42, no. 13. P. 1649–1661. DOI: 10.1080/15567036.2019.1604875.

11. Fernandez A., Palacios C., Echegaray M., Mazza G., Rodriguez R. Pyrolysis and combustion of regional agro-industrial wastes: thermal behavior and kinetic parameters comparison // Combustion Science and Technology. 2018. Vol. 190, no. 1. P. 114–135. DOI: 10.1080/00102202.2017.1377701.

12. Dupont C., Chiriac R., Gauthier G., Toche F. Heat capacity measurements of various biomass types and pyrolysis residues // Fuel. 2014. Vol. 115. P. 644–651. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.07.086.

13. Karimi M., Aminzadehsarikhanbeglou E., Vaferi B. Robust intelligent topology for estimation of heat capacity of biochar pyrolysis residues // Measurement. 2021. Vol. 183. P. 109857. DOI: 10.1016/j.measurement.2021.109857.

14. Li F., Feng J., Zhang H., Li W.-Y. Particle-scale heat and mass transfer processes during the pyrolysis of millimeter-sized lignite particles with solid heat carriers // Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 219. P. 119372. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119372.

15. Sharifzadeh M., Sadeqzadeh M., Guo M., Borhani T.N., Murthy Konda N.V.S.N., Garcia M.C., et al. The multi-scale challenges of biomass fast pyrolysis and bio-oil upgrading: Review of the state of art and future research directions // Progress in Energy and Combustion Science. 2019. Vol. 71. P. 1–80. DOI: 10.1016/j.pecs.2018.10.006.

16. Papari S., Hawboldt K. A review on the pyrolysis of woody biomass to bio-oil: focus on kinetic models // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 52. P. 1580–1595. DOI: 10.1016/j.rser.2015.07.191.

17. Kan T., Strezov V., Evans T.J. Lignocellulosic biomass pyrolysis : a review of product properties and effects of pyrolysis parameters // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 57. P. 1126–1140. DOI: 10.1016/j.rser.2015.12.185.

18. Пат. № 2737007, Российская Федерация, H05B 6/64. Комплекс для микроволнового пиролиза органических материалов / Н.Ю. Песков, Т.О. Крапивницкая, Д.И. Соболев, М.Ю. Глявин, А.Н. Денисенко. Заявл. 29. 06. 2020; опубл. 24. 11. 2020. Бюл. № 33.

19. Исламова С.И., Тимофеева С.С., Хаматгалимов А.Р., Ермолаев Д.В. Кинетический анализ термического разложения низинного и верхового торфа // Химия твердого топлива. 2020. № 3. С. 32–41. DOI: 10.31857/S0023117720030044. EDN: UASEBA.

20. Крапивницкая Т.О., Ананичева С.А., Алыева А.Б., Вихарев А.А., Глявин М.Ю., Денисенко А.Н. [и др.]. Сравнительные эксперименты по микроволновой и термической деструкции торфа в лабораторных установках с малым объемом загрузки // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2023. Т. 1. С. 565–568. EDN: ZYESIH.

21. Bogdashov A.A., Denisenko A.N., Glyavin M.Yu., Krapivnitskaia T.O., Peskov N.Yu., et al. Experimental study of the dynamics of microwave pyrolysis of peat // ITM Web of Conferences. 2019. Vol. 30. P. 12006. DOI: 10.1051/itmconf/20193012006.

22. Krapivnitskaia T.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. 2017. Vol. 149. P. 02023. DOI: 10.1051/epjconf/201714902023.

23. Zhang J., Tahmasebi A., Omoriyekomwan J.E., Yu J. Production of carbon nanotubes on bio-char at low temperature via microwave-assisted CVD using Ni catalyst // Diamond and Related Materials. 2019. Vol. 91. P. 98–106. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.11.012.