Analysis of the products of low-temperature microwave pyrolysis of peat

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

To increase the efficiency and intensity of processing of organic natural caustobiolite or peat, a prototype laboratory microwave reactor with an increased loading volume of the processed material has been developed. The modernized experimental setup is a microwave reactor under reduced pressure with a constant removal of pyrolysis gases through a trap with liquid nitrogen into a gas sampler. The increase in the volume of the microwave reactor was achieved through the use of additional systems for transporting microwave radiation and a special system of absorption of reflected power from the reactor volume. The reactor was connected to a microwave source (industrial magnetron) with a frequency of 2.45 GHz, with a total power of 1 kW. The duration of microwave irradiation of peat in the reactor was 16 minutes. As a result of a series of experiments, samples of three fractions – solid, liquid, and gaseous – were obtained and analyzed. A comparative analysis of the products of low-temperature pyrolysis of bog sphagnum peat obtained by heating based on heat transfer from the walls of the reactor (conventional thermal heating) and heating by microwave radiation. The main difference between heating by radiation and heat transfer is that in the first case there is an increase in temperature throughout the volume, and not just in the zone of the phase boundary, which increases the intensification and the efficiency of the process. This is especially evident when heating solid objects in which there is no heat transfer by convection. Comparison of the products of the three fractions obtained was carried out using gas chromatography analysis data with massspectrometric detection, as well as using the results of elemental analysis. The study has shown that microwave heating causes a deeper destruction of the initial substrate – to the carbon residue and low molecular weight products of inorganic and organic nature. In addition, the surface of the solid fraction was examined using a scanning electron microscope; the presence of porous structures with pore sizes from 5 to 7 μm has been detected.

About the authors

T. O. Krapivnitskaia

Lobachevsky State University of Nizhniy Novgorod; Institute of Applied Physics RAS

Email: kto465@yandex.ru

S. A. Bulanova

Institute of Applied Physics RAS

Email: bulanovasveta@mail.ru

A. A. Sorokin

Institute of Applied Physics Russian Academy of Sciences

Email: asorok@appl.sci-nnov.ru

A. N. Denisenko

Institute of Applied Physics RAS

Email: androu@appl.sci-nnov.ru

D. L. Vorozhtcov

Lobachevsky State University of Nizhniy Novgorod

Email: dmvorozh@gmail.com

L. L. Semenycheva

Lobachevsky State University of Nizhniy Novgorod

Email: llsem@yandex.ru

References

  1. Москаленко Т.В., Михеев В.А., Ворсина Е.В. Искусственно полученные гуминовые вещества для восстановления почв // Успехи современного естествознания. 2018. N 1. С. 109–114. https://doi.org/10.17513/use.36659
  2. Степанов А.А., Шульга П.С., Госсе Д.Д., Смирнова М.Е. Применение природных гуматов для ремедиации загрязненных городских почв и стимулирования роста растений // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. 2018. N 2. С. 30–34.
  3. Спиридонова А.М., Жернов Ю.В., Аввакумова Н.П., Зотова Л.М., Трошкина Н.П. Антивирусная активность фракций гуминовых веществ пелоидов в отношении штаммов вируса иммунодефицита человека 1 типа // Инфекция и иммунитет. 2012. Т. 1. N 1-2. С. 424.
  4. Пат. № 2071490, Российская Федерация. Способ производства торфяного красителя на основе гуминовых кислот / О.И. Квасенков; патентообладатель ВНИИ консервной и овощесушильной промышленности; заявл. 22.07.1993, опубл. 10.01.1997.
  5. Никифоренков М.И. Преимущества использования торфяных таблеток сухого прессования для выращивая рассады // Гавриш. 2011. N 6. С. 35–36.
  6. Маслов С.Г., Инишева Л.И. Торф – как растительное сырье и направления его химической переработки // Химия растительного сырья. 1998. N 4. С. 5–7.
  7. Штин С.М. Применение торфа как топлива для малой энергетики // ГИАБ – Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. N 7. С. 82–96.
  8. Куликова М.П., Куликова М.П., Куулар Л.Л. Исследование химического состава торфа // Фундаментальные исследования. 2013. N 4-1. С. 90–94;
  9. Алферов В.В., Косивцов Ю.Ю., Чалов К.В., Луговой Ю.В. Термокаталитическая переработка торфа в присутствии алюмосиликатных катализаторов // Труды Инсторфа. 2013. N 8 (61). С. 18–22.
  10. Пат. № 2259385, Российская Федерация. Способ переработки торфа / В.А. Котельников, А.И. Подзоров; заявл. 11.03.2004; опубл. 27.08.2005.
  11. Удалов Е.И., Болотов В.А., Танашев Ю.Ю., Черноусов Ю.Д., Пармон В.Н. Пиролиз жидкого гексадекана в условиях селективного нагрева катализатора СВЧ-излучением // Теоретическая и экспериментальная химия. 2010. Т. 46. N 6. С. 370–377.
  12. Чумаков Ю.А., Князева А.Г. Влияние сжимаемости тяжелых углеводородов на макрокинетику их разложения под действием СВЧизлучения // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15. N 2. С. 179–187.
  13. Передерий М.А., Хаджиев С.Н., Цодиков М.В. Деструкция токсичных соединений и нефтяных загрязнений при воздействии СВЧизлучений // Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. 2011. N 4 (72). С. 52–62.
  14. Лиштван И.И. Физико-химические свойства торфа, химическая и термическая его переработка // Химия твердого топлива. 1996. N 3. С. 3–23.
  15. Богдашов 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.
  16. 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 fuel. EPJ Web of Conferences. 10th International Workshop 2017 “Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and opplications”. 2017. Vol. 49. Article Number 02023. 2 p. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714902023
  17. Крапивницкая Т.О., Богдашов А.А., Денисенко А.Н., Песков Н.Ю., Глявин М.Ю., Семенычева Л.Л., Ворожцов Д.Л. Экспериментальное исследование СВЧ- пиролиза торфа // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 2019. Т. 9. N 4. С. 750–758. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-4-750-758
  18. Чухарева Н.В., Шишмина Л.В., Новиков А.А. Физико-химические характеристики торфяных гуминовых кислот и остатков их кислотного гидролиза // Химия растительного сырья. 2003. N 3. С. 11–15.
  19. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1989. 592 с.
  20. Неймарк Н.Е. Синтетические минеральные адсорбенты и носители катализаторов. Киев: Навукова думка,1982. 216 с.
  21. Земскова Л.А. Модифицированные углеродные волокна: сорбенты, электродные материалы, катализаторы // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2009. N 2 (144). С. 39–52.
  22. Патент № 2620404, Российская Федерация. Способ получения мезопористого углерода / А.Г. Ткачев, А.В. Мележик, Г.В. Соломахо; патентообладатель ООО «НаноТехЦентр»; заявл. 26.01.2016; опубл. 25.05.2017.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).