Разработка новых физико-химических технологий и СВЧ-комплексов для глубокой переработки целлюлозосодержащих материалов (промежуточный)

1.1. Проведены экспериментальные исследования пиролиза целлюлозосодержащих материалов в кварцевом реакционном сосуде при СВЧ - воздействии на частоте 2.45 ГГц и средней мощности излучения 600 Вт. Максимальный выход твердого вещества (около 67.8%) наблюдался для низинного торфа при температуре ~ 200 - 220 °C. Дальнейшее разложение сырья и повышение содержания углерода возможно при повышении температуры реакции. Продемонстрировано нарастание температуры в кварцевом реакторе до 150 °C в течение первых 15 минут и выход на стационарное значение после 20 минут работы для большинства целлюлозосодержащих материалов. Согласно проведенному моделированию внутри реактора данного типа достигаются более высокие температуры по сравнению с температурой на его поверхности (до 500 °C для кофейных отходов). 1.2. Для исследования фрагментации торфа под воздействием СВЧ-излучения разработан и изготовлен лабораторный реактор на основе коаксиального резонатора. Установка предназначена для быстрого качественного анализа данного процесса и определения оптимальных условий для СВЧ - обработки малых масс органических материалов. В ходе тестирования лабораторного реактора на основе коаксиального резонатора достигнут нагрев сырья в течение 10 минут до достижения температуры 250 °C на внешнем контуре установки при мощности СВЧ - излучения на уровне 0.1 кВт. Для контроля температуры в реакторе были смонтированы термопара и высокотемпературный датчик. Недостатком данной конструкции является неравномерность нагрева образца из-за специфичного распределения поля в коаксиальном резонаторе. 2. Проведен анализ газовой фракции в процессе пиролиза торфа с использованием метода газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием (ХМС). Продемонстрировано высокое содержание смеси газов N2, O2, СО, СО2, воды, фурановых производных. Отмечено отсутствие углеводородов с низким значением углерода и органических соединений с азотом или серой. Проведена предварительная пробоподготовка с использованием н-гексана для улучшения качественной идентификации и снижения вероятности поломки газового хроматографа из-за попадания воды. Показано, что жидкая фракция представлена спиртами, кислотами, фенолами, а смолянистая фракция содержит углеводороды и фенолы. Согласно проведенному элементному CHNS-анализу, содержание углерода в верховом торфе в процессе СВЧ - пиролиза повышается на 28%, содержание водорода снижается в 1.7 раза. 3. Проведено исследование поверхности торфа и углеродистого остатка с использованием сканирующего электронного микроскопа в режиме обратно отраженных электронов и вторичных электронов.  В исходном образце торфа наблюдались микросферы, состоящие из тяжёлых элементов. Размеры пор после СВЧ-облучения, согласно проведенным измерениям, составляли от 8 до 18 мкм.  Пористость образца после СВЧ-облучения достигала 45%.  В исходном образце торфа поры имели размеры от единиц до сотен микрометров.  В процессе СВЧ-пиролиза размер пор уменьшался, но их количество возрастало, как и площадь сорбционной поверхности образца. 4. Продемонстрирована возможность одновременного включения двух магнетронов с поляризационной развязкой для запитки реактора СВЧ - пиролиза.  Показано, что в данном случае максимальное поглощение СВЧ - излучения в обрабатываемом материале достигается при толщине слоя 25.5, 42.5 и 45.5 см.  Использование двух поляризаций (вертикальной и горизонтальной) привлекательно для обеспечения высокого уровня поглощения материала. Предложена геометрия системы ввода излучения, обеспечивающая вращающуюся во времени структуру поля.  Это способствует однородности нагрева материала и, в итоге, высокому качеству обработки органического материала в большом объеме реактора. Для увеличения мощности СВЧ-реактора разработана высоковольтная система питания, позволяющая осуществлять одновременную запитку двух магнетронов, работающих в противофазе. Данная система позволяет осуществлять регулировку мощности излучения магнетронов путем изменения скважности подачи импульсов управления на силовой трансформатор. 5. Проведено моделирование распределения температуры в кварцевом реакторе под воздействием СВЧ - излучения. Отмечено, что в данной конструкции разница температур в зоне реакции и на стенках сосуда может достигать 250 °С. При этом начало нагрева сырья лучше проводить при низкой мощности, а затем ее повышать для выхода на стационарный режим работы. Это позволяет снизить отраженную мощность в процессе протекания реакции пиролиза. 6. Проведен сравнительный анализ разработанных экспериментальных установок пиролиза при одинаковой удельной мощностью облучения на единицу массы топлива (при этом загрузка в реакторах выбиралась в зависимости от мощности установок). Продемонстрированы преимущества экспериментального СВЧ - реактора со сверхразмерным резонатором по сравнению с коаксиальным СВЧ - реактором и лабораторным СВЧ - реактором на основе кварцевой колбы. Высокая мощность СВЧ - излучения в реакторе данного типа позволяет проводить более глубокую переработку веществ и увеличивает конверсию твердого вещества на 17% по сравнению с коаксиальным реактором. 7. Определены сравнительные характеристики целлюлозосодержащих материалов (древесный уголь, верховой и низинный торф, кофейная гуща, декстрин, микрокристаллическая целлюлоза и лигнин): влажность, зольность, теплота сгорания, насыпная плотность, кислотность, степень разложения. Показано, что верховой сфагновый и низинный торф имеют высокую влажность (45.5% и 49.2%, соответственно) и низкую зольность (3.9% и 4.8%). Углеродистые остатки после микроволнового пиролиза торфа обладают высокой теплотой сгорания (около 6600 ккал/кг). Твердый продукт пиролиза имеет сниженную массовую долю влаги (4.2%).  Массовая доля влаги для кофейного жмыха, хвойных опилок и древесного угля составляет 9.6%, 7.7% и 2.4% соответственно.  Древесные опилки хвойного происхождения имеют наименьшую зольность (0.3%).  Элементный состав целлюлозосодержащих материалов и лигнина включает углерод (39.75 - 52.67%), водород (5.57 - 6.91%) и кислород (1.31 - 16.4%).  Древесный уголь имеет высокое содержание углерода (78.5%) и низкое содержание водорода и кислорода (3.6% и 16.4%, соответственно). 8. На основе аддитивных технологий изготовлены макеты поляризатора и перехода с прямоугольного волновода на круглый. В рамках данной технологии на первом этапе был изготовлен каркас волноводных элементов из фотополимера с помощью фотополимерного 3D-принтера с последующим электролитическим меднением внутренней части каркаса.