AlisaDOROSCHENKO
+33 (0)4 72 01 81 60Mikrowellenunterstützte Pyrolyse
Die mikrowellenunterstützte Pyrolyse ist ein energieeffizientes und kontrollierbares Verfahren zur Umwandlung von Biomasse in Chemikalien oder Brennstoffe.
Vorteile der MW-Heizung
Die mikrowellenunterstützte Pyrolyse ist ein energieeffizientes und kontrollierbares Verfahren zur Umwandlung von Rohstoffen in Chemikalien oder Brennstoffe. Die Mikrowellenerwärmung hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Erhitzungsarten, darunter die selektive Aktivierung verschiedener Chemikalien.
Ein Beispiel für Selektivität ist die Pyrolyse von Biomasse. Die Hauptbestandteile der Biomasse wie Hemicellulose, Cellulose und Lignin werden bei unterschiedlichen Temperaturen aktiviert. Dadurch lässt sich die Selektivität des Bioöls erhöhen, indem verschiedene Fraktionen bei unterschiedlichen Temperaturen gewonnen werden. Außerdem erfolgt der thermische Abbau von Polysacchariden bei niedrigeren Temperaturen als bei herkömmlichen Verfahren.
Geschichte
Die Bioraffinerie für Lignozellulose und ihre jüngste Entwicklung sind von großer Bedeutung für Wirtschaft, Umwelt und Politik. Es gibt zwei Hauptansätze für die Aktivierung und Nutzung von Biomasse: biochemisch (Fermentation) und thermochemisch (Pyrolyse von Biomasse zu Bioöl und Biokohle). Derzeit werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um den Umfang der Biomasseverarbeitung zu erhöhen.
Als Alternative zum biochemischen Ansatz wurde die Skalierbarkeit des thermochemischen Ansatzes bereits durch die tausendjährige (seit der römischen Kaiserzeit) Herstellung von Biokohle und Bioöl bewiesen. In der Mitte des 19. Jahrhunderts ermöglichte das gesammelte Wissen die Herstellung von Holzkohle in einem Umfang, der für alle Arten von Metallurgie geeignet war, während Teer den gesamten Bedarf des Schiffbaus deckte. So erreichte beispielsweise 1863 die Ausfuhr von Teer aus Finnland 28 Millionen Liter (170.000 Fässer), während die USA fast 1 Million Tonnen Biokohle pro Jahr herstellten.
Bedeutung
Unter den Bedingungen des zunehmenden weltweiten Wettbewerbs zu Beginn des 20. Jahrhunderts haben die billige Kokskohle und das Rohöl Holzkohle und Teer aus ihren traditionellen Anwendungen verdrängt. Heutzutage zwingen Fragen im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von Rohöl, der globalen Erwärmung und ökologischen Problemen die thermochemischen Methoden zu einer technologischen Revolution und dazu, eine neue Nische in der globalen Wirtschaft zu finden.
Der Erfolg dieser Strategie könnte auf der Produktion von sauerstoffhaltigen Chemikalien beruhen. Aufgrund ihres hohen Funktionalisierungsgrades müssen diese Verbindungen nicht in mehreren Schritten umgewandelt werden und sind für die Großindustrie kommerziell attraktiv. Wichtig ist, dass die derzeitigen Industriezweige einen erheblichen Teil des lignozellulosehaltigen Abfallstroms erzeugen. Allein die Papier- und Zellstoffindustrie produziert 40-50 kg Trockenschlamm pro Tonne Papier und erzeugt in der Folge feste Siedlungsabfälle, die als Hauptbestandteil Zellulosepolymere enthalten. In der EU hat das Problem der festen Siedlungsabfälle aufgrund seines komplexen Charakters einen sehr hohen politischen Stellenwert. In den USA werden jedes Jahr mehr als 21 Millionen Tonnen Papier- und Pappabfälle auf Deponien entsorgt.
Herausforderungen
Die Ex-situ-Abtrennung der sauerstoffhaltigen Komponenten (sobald sie entstanden sind) stellt jedoch eine Herausforderung für die Bioraffinerie dar. Selbst bei der Pyrolyse von Zellulose, dem einfachsten Biomassebestandteil, enthält das Bioöl mehr als 100 Verbindungen, von denen die meisten hochsiedende, thermisch instabile Chemikalien sind. Solche Verbindungen lassen sich nicht durch Destillation abtrennen. Gleichzeitig ist die effiziente Abtrennung der wertvollen Chemikalien, die bei der Zellulosepyrolyse anfallen, weltweit eine wichtige Aufgabe, um sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Probleme zu lösen.
Mikrowellenlösung und Mechanismus
Eine mögliche Lösung ist die In-situ-Trennung und die anfängliche selektive Pyrolyse für die gewünschten Chemikalien oder Fraktionen (z. B. Holzkohle/Biokohle).
Die wichtigsten strukturellen Bestandteile der Biomasse sind feste sauerstoffhaltige Polymere. Die Mikrowellenbestrahlung interagiert sehr effizient mit diesen Materialien und reduziert ihre Zersetzungstemperatur im Vergleich zur herkömmlichen Pyrolyse. Gleichzeitig sind die meisten Pyrolyseprodukte (außer Biokohle) Gase oder flüchtige Stoffe.
Aufgrund der geringen Dichte dieser Produkte geht die Mikrowellenstrahlung nur eine schwache Wechselwirkung mit ihnen ein und hinterlässt Gas und flüchtige Verbindungen bei einer niedrigeren Temperatur als bei der herkömmlichen Erhitzung. Darüber hinaus ist die gewonnene Biokohle nicht leitend, niedrigpolig und interagiert nicht mit der Mikrowellenbestrahlung.
Die niedrigste Produkttemperatur im Falle der MW-Erhitzung führt zu einer besseren Selektivität dieses Prozesses als des herkömmlichen. Die abnehmende Selektivität des Hauptprozesses (Pyrolyse) ist auf die Zersetzung der Primärprodukte zurückzuführen. Eine Senkung der Temperatur des Hauptprozesses verringert die Abbaugeschwindigkeit der Primärprodukte und damit auch die Selektivität.
Schätzen wir eine mögliche Selektivitätsverbesserung im Mikrowellenverfahren ab. Nach der Van't-Hoff-Regel steigt die Geschwindigkeit einer Elementarreaktion alle 10 Grad um das Doppelte. Aus der Literatur geht hervor, dass die MW-Pyrolyse in der Regel bei 80 °C niedrigeren Temperaturen stattfindet als bei herkömmlichen Verfahren. Daher ist die Sekundärreaktionsrate im Falle der MW-Pyrolyse 28 = 256 mal geringer als beim konventionellen Verfahren. Dieser Wert gilt nur für die Anfangsrate, und dieser Effekt nimmt zum Prozessende hin ab. Wenn jedoch die Verweildauer des Primärprodukts in der Biomasse kurz ist, könnte die Selektivität des Prozesses fast um den Faktor 100 verbessert werden.
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