透過微波電磁場的空間分離,實現生物質的「超」急速熱分解

 

刊登日期:2024/11/20
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林業殘材、農業剩餘物等木質纖維素或食品廢棄物等區域性未利用的生物質資源可望利用於生物質發電燃料、機能性材料等用途而受關注。而可經由生物質急速熱解分離的碳材料(生物炭)因可長期以固體形式儲存碳,將能有助於脫碳化的落實。日本九州大學與東北大學、產業技術綜合研究所、MINAMO、東京工業大學組成的研究團隊開發了一項透過微波之電場加熱與磁場加熱的空間分離,可將生物質有效率地予以「超」急速熱分解之技術。

利用微波對生物質進行急速熱分解可直接從內部加熱生物質,能急速達到熱分解而不會形成微粉末化,但隨著生物質急速熱分解的進行,樣本碳化也隨之推進,並從介電質變成導體,導致微波的吸收特性發生顯著變化。由於碳化的生物質會反射微波並產生電漿,因此很難利用微波電場的介電加熱進行有效率地加熱。

有鑑於此,九州大學的研究團隊開發了一種熱分解爐,該熱解爐結合了利用微波在空間上分離微波電場與磁場的空腔共振器以及配備半導體發生器之微波振盪器,進而利用微波達成了生物質的「超」急速熱分解。此方法在竹粉、杉木粉、椰子殼、綠球藻(微藻類)、麥稈粉、稻殼粉的急速熱分解方面展現了高度有效性。

研究中以竹粉為樣本原料並透過微波的電場加熱進行介電加熱後,溫度在約30秒左右急速上升,促進了急速熱分解。在此期間,產生了主要由氫氣與一氧化碳組成的合成氣,以及因木質素斷片化生成的焦油,並以氣冷捕集器有效率地予以回收。透過此方式,微波電場促進了生物質快速熱分解,而合成氣與焦油在短時間內分離。

隨著竹粉在微波電場中炭化的進行,微波反射隨之顯著增加。因此,利用微波磁場進行感應加熱,抑制微波的反射,有效率地將碳化竹粉予以加熱。此外,利用微波急速加熱的情況下,可以得到比電爐導熱加熱更多的非晶質生物炭。

研究團隊也透過大型空腔共振器的開發達成了急速加熱方法的擴展,原料的熱分解比先前的報告增加了20倍。此外,研究團隊開發了流動式微波磁場反應裝置,並實證可以獲得更高純度的碳化物。今後此項技術可望應用於木質纖維素、食品廢棄物、醫療廢棄物、污泥等有機廢棄物的急速熱分解,並有效率地分餾出合成氣、焦油、生物炭(Biochar)等物質。


資料來源: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/1163
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