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

Повышение эффективности переработки органического сырья, прежде всего, полезных ископаемых, является важной задачей для Российской Федерации в условиях импортозамещения. Актуальность исследований в области физико-химической переработки органического сырья обусловлена потребностью в получении низкомолекулярных органических соединений для различных высокотехнологичных производств, широко востребованных современной индустрией (этанол, бутанол, фурфурол). Однако микроволновые методы и технологии переработки органического сырья на данный момент развиты достаточно слабо. В рамках Проекта предлагается провести цикл фундаментальных и прикладных исследований, направленных на развитие новых методов микроволнового воздействия на сырьё растительного происхождения (в частности торф, целлюлоза, древесина) и их термохимической обработки в результате СВЧ-пиролиза. Целью работ является исследование процессов термического разложения целлюлозосодержащих материалов под воздействием СВЧ-излучения, моделирование и создание высокоэффективных пиролизных СВЧ-реакторов и разработка экологически чистых технологий получения из них углеводородного сырья, а также создание основанных на использовании микроволнового излучения высокопроизводительных систем и энергоэффективных экологически чистых технологий обработки данных веществ с высоким выходом высокомолекулярных соединений и горючих газов для дальнейшего использования в энергетических установках. Следует отметить, что проведенные к настоящему времени экспериментальные исследования по воздействию электромагнитного излучения на органические материалы относятся, в основном, к диапазону либо «радиочастот» (десятки и сотни МГц), либо диапазону 2.45 ГГц, освоенному доступными промышленными магнетронами. В то же время, несомненную актуальность имеет продвижение в более высокочастотные диапазоны вплоть до суб-ТГц и ТГц. Одним из важных направлений проекта является исследование воздействия СВЧ-излучения на органическое вещество в широком диапазоне частот, которое в настоящее время изучено слабо, в том числе, из-за эксклюзивности источников излучения в указанных диапазонах. Опыт разработки подобных источников (в частности, гиротронов), имеющийся в ИПФ РАН, позволяет ожидать существенного прогресса в данной области. В рамках проекта предполагается комплексное решение ряда химических и физических задач. Теоретическая программа Проекта предполагает аналитические и численные расчеты электродинамических систем реактора с учетом специфических характеристик облучаемых материалов. Предполагается решение самосогласованной задачи поглощения излучения и нагрева образцов с учетом, изменяющихся во времени характеристик облучаемых материалов (прежде всего, диэлектрической проницаемости) и их пространственной неоднородности (связанной со «случайным» компонентным составом ископаемого сырья). По результатам проведенных исследований будет разработан макет пиролизного СВЧ-реактора для проведения лабораторных исследований различных типов целлюлозосодержащих материалов, а также прототип подобного реактора с перспективой масштабирования для использования в промышленных производствах. Экспериментальная часть Проекта нацелена на исследование специфических особенностей термохимических реакций органических веществ (торфа, целлюлозы, древесины) и динамики этих процессов. Важным направлением работ в рамках Проекта является определение оптимальных физико-химических параметров протекания этих реакций с целью увеличения выхода газа и углеродистого остатка, а также подробное изучение продуктов реакции СВЧ-пиролиза в зависимости от условий ведения процесса. Результаты проведенных исследований призваны служить основой для развития новых эффективных экологически чистых технологий получения широкого спектра продуктов и материалов, востребованных в различных областях промышленности в условиях современных вызовов Российской Федерации.