AlisaDOROSCHENKO
+33 (0)4 72 01 81 60Pirolisi assistita da microonde
La pirolisi assistita da microonde è un modo efficiente e controllabile di convertire la biomassa in prodotti chimici o combustibili.
Vantaggi del riscaldamento MW
La pirolisi assistita da microonde è un metodo efficiente dal punto di vista energetico e controllabile per convertire la materia prima in prodotti chimici o combustibili. Il riscaldamento a microonde presenta una serie di vantaggi rispetto ai tipi di riscaldamento convenzionali, tra cui l'attivazione selettiva di varie sostanze chimiche.
Un esempio di selettività è la pirolisi della biomassa. I componenti principali della biomassa, come emicellulosa, cellulosa e lignina, vengono attivati a temperature diverse. Ciò consente di aumentare la selettività del bio-olio, raccogliendo frazioni diverse a temperature diverse. Inoltre, la degradazione termica dei polisaccaridi avviene a temperature inferiori rispetto ai metodi convenzionali.
La storia
La bioraffineria lignocellulosica e i suoi ultimi sviluppi sono di grande importanza nei settori economico, ambientale e politico. Esistono due approcci principali all'attivazione e all'utilizzo della biomassa: biochimico (fermentazione) e termochimico (pirolisi della biomassa in bio-olio e bio-char). Attualmente si stanno compiendo notevoli sforzi per aumentare la scala di trasformazione della biomassa.
In alternativa alla biochimica, la scalabilità dell'approccio termochimico è già stata dimostrata dalla produzione millenaria (a partire dall'epoca romana) di biocarbone e bioolio. A metà del XIX secolo, le conoscenze accumulate permisero di ottenere carbone di legna su scala adeguata a soddisfare tutti i tipi di metallurgia, mentre il catrame copriva tutta la domanda di costruzioni navali. Ad esempio, nel 1863, l'esportazione di catrame dalla Finlandia raggiunse i 28 milioni di litri (170.000 barili), mentre gli Stati Uniti producevano quasi 1 milione di tonnellate di biochar all'anno.
Importanza
Nelle condizioni di crescente concorrenza mondiale all'inizio del XX secolo, il carbone da coke e il petrolio greggio a basso costo hanno sostituito il carbone e il catrame dalle loro applicazioni tradizionali. Oggi le questioni legate alla disponibilità di petrolio grezzo, al riscaldamento globale e ai problemi ecologici costringono i metodi termochimici a compiere una rivoluzione tecnologica e a trovare una nuova nicchia nell'economia globale.
Il successo di questa strategia potrebbe basarsi sulla produzione di sostanze chimiche contenenti ossigeno. Grazie all'elevato grado di funzionalizzazione, questi composti non necessitano di trasformazioni in più fasi e sono commercialmente interessanti per le grandi industrie. È importante notare che le industrie attuali producono una quantità significativa di rifiuti lignocellulosici. Solo l'industria della carta e della cellulosa produce 40-50 kg di fanghi secchi per 1 tonnellata di carta e, di conseguenza, genera rifiuti solidi urbani (RSU) contenenti polimeri di cellulosa come componente principale. Nell'UE il problema dei rifiuti solidi urbani ha un profilo politico molto elevato a causa del suo carattere complesso. Negli Stati Uniti ogni anno vengono conferiti in discarica oltre 21 milioni di tonnellate di rifiuti di carta e cartone.
Sfide
Tuttavia, la separazione ex-situ dei componenti contenenti ossigeno (una volta prodotti) rappresenta una sfida per la bio-raffineria. Anche nel caso della pirolisi della cellulosa, il componente più semplice della biomassa, il bio-olio contiene più di 100 composti, la maggior parte dei quali sono sostanze chimiche altamente bollenti e termicamente instabili. Tali composti non possono essere separati per distillazione. Allo stesso tempo, una separazione efficiente delle preziose sostanze chimiche risultanti dalla pirolisi della cellulosa è un compito essenziale a livello mondiale che contribuisce a risolvere i problemi economici e ambientali.
Soluzione e meccanismo delle microonde
La soluzione possibile è la separazione in situ e la pirolisi inizialmente selettiva verso le sostanze chimiche o la frazione mirata (ad esempio carbone/biochar).
I principali componenti strutturali della biomassa sono polimeri solidi contenenti ossigeno. L'irradiazione a microonde interagisce in modo molto efficiente con questi materiali, riducendone la temperatura di decomposizione rispetto alla pirolisi convenzionale. Allo stesso tempo, la maggior parte dei prodotti della pirolisi (ad eccezione del biochar) sono gas o volatili.
A causa della bassa densità di questi prodotti, l'irradiazione a microonde interagisce debolmente con essi, lasciando i composti gassosi e volatili a una temperatura più bassa rispetto al riscaldamento convenzionale. Inoltre, il biochar ottenuto è non conduttivo, poco polare e non interagisce con l'irradiazione a microonde.
La temperatura più bassa del prodotto nel caso del riscaldamento MW porta a una migliore selettività di questo processo rispetto a quello convenzionale. Il calo della selettività del processo principale (pirolisi) è il risultato della decomposizione dei prodotti primari. La riduzione della temperatura del processo principale diminuisce il tasso di degradazione dei prodotti primari e quindi la selettività.
Valutiamo il possibile miglioramento della selettività nel processo a microonde. Secondo la regola di Van't Hoff, la velocità di una reazione elementare aumenta due volte ogni 10 gradi. La letteratura mostra che la pirolisi MW avviene solitamente a 80°C in meno rispetto a quella convenzionale. Pertanto, il tasso di reazione secondaria nel caso della pirolisi MW sarà 28 = 256 volte inferiore rispetto al processo convenzionale. Questo valore è corretto solo per il tasso iniziale e questo effetto diminuisce più vicino alla fine del processo. Tuttavia, se il tempo di permanenza del prodotto primario all'interno della biomassa è breve, la selettività del processo potrebbe essere migliorata di quasi 100 volte.
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