Pirólisis asistida por microondas

La pirólisis asistida por microondas es una forma energéticamente eficiente y controlable de convertir la biomasa en productos químicos o combustibles.

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Ventajas de la calefacción MW

La pirólisis asistida por microondas es una forma energéticamente eficiente y controlable de convertir la materia prima en productos químicos o combustibles. El calentamiento por microondas tiene una serie de ventajas sobre los tipos convencionales de calentamiento, incluida la activación selectiva de varios productos químicos.

 

Un ejemplo de selectividad es la pirólisis de biomasa. Los principales componentes de la biomasa como la hemicelulosa, la celulosa y la lignina se activan a diferentes temperaturas. Esto permite aumentar la selectividad del bio-aceite, recolectando diferentes fracciones a diferentes temperaturas. Además, la degradación térmica de los polisacáridos se produce a temperaturas más bajas en comparación con los métodos convencionales.

La biorrefinería lignocelulósica y su último desarrollo son de gran importancia en los sectores económico, ambiental y político. Hay dos enfoques principales para la activación y utilización de la biomasa: bioquímico (fermentación) y termoquímico (pirólisis de biomasa a bio-aceite y bio-char). Actualmente, se están realizando esfuerzos considerables para aumentar la escala de la transformación de la biomasa.

 

Alternativamente, a lo bioquímico, la escalabilidad del enfoque termoquímico ya ha sido probada por miles de años (desde la época romana) de producción de biocarbón y bioalú.  A mediados del siglo 19, el conocimiento acumulado permitió obtener carbón vegetal a una escala adecuada para satisfacer todos los tipos de metalurgia, mientras que el alquitrán cubrió toda la demanda de la construcción naval. Por ejemplo, en 1863, la exportación de alquitrán de Finlandia alcanzó los 28 millones de litros (170.000 barriles), mientras que los Estados Unidos fabricaban casi 1 millón de toneladas de biocarbón por año.

Bajo las condiciones de la creciente competencia mundial a principios del siglo 20, el carbón de coque barato y el petróleo crudo han sustituido al carbón y al alquitrán de sus aplicaciones tradicionales. Hoy en día, los problemas relacionados con la disponibilidad de petróleo crudo, el calentamiento global y los problemas ecológicos están obligando a los métodos termoquímicos a hacer una revolución tecnológica y encontrar un nuevo nicho en una economía global.

 

El éxito de esta estrategia podría basarse en la producción de productos químicos que contienen oxígeno. Debido a un alto grado de funcionalización, estos compuestos no necesitan una transformación de varios pasos y son comercialmente atractivos para las grandes industrias.  Es importante destacar que las industrias actuales producen una cantidad significativa del flujo de residuos lignocelulósicos. Solo la industria del papel y la celulosa produce 40-50 kg de lodo seco por 1 tonelada de papel y, posteriormente, genera residuos sólidos municipales (RSU) que contienen polímero de celulosa como componente principal. En la UE, el problema de los RSU tiene un perfil político muy alto debido a su carácter complejo. En los Estados Unidos hay más de 21 millones de toneladas de residuos de papel y cartón que van a parar a vertederos cada año.

 

Sin embargo, la separación ex situ de los componentes que contienen oxígeno (una vez que se produjo) es un desafío para la biorrefinería. Incluso para la pirólisis de la celulosa, el componente de biomasa más simple, el bio-aceite contiene más de 100 compuestos, la mayoría de los cuales son productos químicos de alta ebullición y térmicamente inestables. Tales compuestos no pueden separarse por destilación. Al mismo tiempo, la separación eficiente de los valiosos productos químicos resultantes de la pirólisis de celulosa es una tarea esencial en todo el mundo que ayuda a resolver los problemas económicos y ambientales.

 

Solución y mecanismo de microondas

La posible solución es la separación in situ y la pirólisis inicialmente selectiva hacia los productos químicos o la fracción objetivo (por ejemplo, carbón vegetal / biocarbón).

 

Los principales componentes estructurales de la biomasa son polímeros sólidos que contienen oxígeno. La irradiación por microondas interactúa de manera muy eficiente con estos materiales reduciendo su descomposición de temperatura en comparación con la pirólisis convencional. Al mismo tiempo, la mayoría de los productos de pirólisis (excepto el biocarbón) son gas o volátiles.

 

Debido a la baja densidad de estos productos, la irradiación por microondas interactúa débilmente con ellos, dejando los gases y compuestos volátiles a una temperatura más baja que durante el calentamiento convencional. Además, el biocarbón obtenido no es conductor, es de baja polaridad y no interactúa con la irradiación mw.

La temperatura más baja del producto en el caso del calentamiento de MW conduce a una mejor selectividad de este proceso que la convencional. La disminución de la selectividad del proceso principal (pirólisis) es el resultado de la descomposición del producto primario. La reducción de la temperatura del proceso principal disminuye la tasa de degradación de los productos primarios y, por lo tanto, disminuye la selectividad.

 

Vamos a estimar la posible mejora de la selectividad en el proceso de microondas. De acuerdo con la regla de Van't Hoff, la tasa de una reacción elemental aumenta dos veces cada 10 grados. La literatura muestra que la pirólisis MW generalmente ocurre a 80 ° C más bajo que el convencional. Por lo tanto, la velocidad de reacción secundaria en el caso de la pirólisis MW será 28 = 256 veces menor que en el proceso convencional. Este valor es correcto solo para la tasa inicial y este efecto está disminuyendo más cerca del final del proceso. Sin embargo, si el tiempo de residencia del producto primario dentro de la biomasa es corto, entonces la selectividad del proceso podría mejorarse casi 100 veces.

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