Микроволновый пиролиз древесины дуба: исследование процесса и характеристика продуктов

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.

1. 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. Vol. 325. P. 119387. DOI: 10.1016/j.enconman.2024.119387.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.