CC BY
32
УДК 66.092-977
Саввов С.И., Маркова Е.Б., Фоминых Ю.Г., Чередниченко А.Г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА ОБРАЗЦОВ ХВОЙНЫХ ПОРОД ДРЕВЕСИНЫ
Саввов Сергей Игоревич - бакалавр кафедры Физической и коллоидной химии РУДН, Россия, Москва Маркова Екатерина Борисовна - к.х.н., старший преподаватель кафедры Физической и коллоидной химии РУДН, Россия, Москва
Фоминых Юрий Геннадьевич - старший преподаватель кафедры Безопасности жизнедеятельности и управления природными и техногенными рисками РУДН, Россия, Москва
Чередниченко Александр Генрихович - д.х.н., заведующий кафедрой Физической и коллоидной химии РУДН, Россия, Москва
Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва, Россия 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6. *e-mail: sorbotek@yandex.ru
В ходе проведенных исследований был изучен процесс пиролиза образцов древесины ели и сосны при температуре 600 °С в инертной атмосфере методом газо-жидкостной хроматографии. Были идентифицированы образующиеся продукты реакции и определено их количественное содержание. Отмечено, что выход смолы пиролиза во всех случаях составил более 50 % мас. Полученные данные имеют практическое значение для разработки технологий получения «биотоплива», переработки отходов древесины и прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с высокотемпературными поражающими факторами.
Ключевые слова: термическая деструкция, пиролиз древесины, газо-жидкостная хроматография
STUDY OF THE PROCESS OF PYROLYSIS OF SOFTWOOD
Savvov Sergey Igorevich, Markova Ekaterina Borisovna, Fominyh Yiri Gennadievich, Cherednichenko Aleksandr Genrikhovich
Peoples' Friendship University of Russia, 6 Miklukho-Maklaya Street, Moscow, 117198, Russian Federation
The pyrolysis process of samples of fir tree and pine wood at a temperature of 600 oC in an inert atmosphere was studied by gas-liquid chromatography. The final products of the reaction were identified, their yield was determined. The yield of pyrolysis resin was more than 50 %. The results are important for biofuel technology, waste processing technology and the analysis of fire situation.
Key words: thermal destruction, pyrolysis of wood, gas-liquid chromatography
В отличие от горения, где конечными продуктами являются оксиды углерода (СО, СО2) и вода, пиролиз, в зависимости от свойств исходного сырья и условий осуществления процесса, характеризуется значительным разнообразием получаемых соединений, которые могут иметь важное промышленное значение в химическом и нефтехимическом синтезе [1]. В ходе пиролиза под воздействием высокой температуры, в отсутствие кислорода происходит разрушение исходной структуры вещества с образованием продуктов меньшей молекулярной массы. Некоторые из этих веществ могут претерпевать дальнейшие химические превращения. При этом за счет реакций конденсации образуются различные химические соединения с более высокой молекулярной массой.
Все пиролитические процессы могут быть разделены на две большие группы: контролируемые и неконтролируемые. К первой группе можно отнести все промышленные производства, использующие пиролиз в качестве технологического процесса (переработка ископаемого сырья, химический и нефтехимический синтез, переработка отходов). Во вторую группу входят процессы пиролиза, протекающие при возникновении
чрезвычайных ситуаций (пожары, взрывы, аварии промышленного оборудования). Для каждой рассматриваемой группы знание закономерностей протекания пиролиза, состава и свойств образующихся продуктов имеет важное практическое значение [1-2].
В настоящее время кроме ископаемого сырья значительный интерес в качестве исходных продуктов для пиролиза представляют отходы различных пород древесины и материалов на их основе. Дело в том, что технологический процесс переработки древесины всегда связан с получением большого количества отходов. В итоге объем отходов не только сравним с объемом произведенной продукции, но часто и превосходит его. В лесопильном производстве величина отходов составляет 35-42%, а в мебельных - 53-65% от общего количества используемых пиломатериалов. Для рационального использования природных ресурсов значительная часть этих отходов должна быть переработана в ликвидную продукцию. Кроме того, большое количество строительных, отделочных и конструкционных материалов сегодня изготавливаются с использованием древесины. Поэтому при возникновении и развитии пожаров
основными продуктами горения и термического разложения будут соединения, образующиеся при деструкции древесной основы.
В связи с ограниченностью запасов «невозобновляемых» источников энергии одним из ведущих направлений обеспечения мировой энергетической безопасности в настоящее время становится разработка современных технологий на основе «возобновляемых» сырьевых ресурсов. В этой связи прогнозируется быстрое развитие процессов пиролиза древесины в направлении получения «биотоплива» или «бионефти» из растительной био.
Экспериментальная часть
Эксперименты проводились на газовом хроматографе Кристалл 5000М с детектором по теплопроводности. Для анализа каждой пробы хроматограф был подключён к персональному компьютеру массы (ПК), имеющего систему сбора и обработки полученных результатов (рис. 1).
Обсуждение результатов
Для определения начального содержания влаги в образцах исследуемых пород древесины был проведен дериватографический анализ (рис. 2 и рис.
3).
Рис. 1. Установка для проведения опытов по пиролизу древесины: 1 - термостат; 2 - трансформатор; 3 - печь; 4 -реактор с образцом; 5 - газ-носитель (вход); 6 - смесь газа-носителя и газообразных продуктов пиролиза (выход); 7 -
манометр; 8 - персональный компьютер (ПК)
Sam pi е: Sa mple 1Е Run Date: 2B-May-201B11:D7
Size: 12 8130 mg Instrument: SDT Q60Q V8.1 Build 9S
Exo Up Temperature (°C)
Рис. 2. Результаты дериватографического анализа образца древесины ели
Рис. 3. Результаты дериватографического анализа образца древесины сосны
В ходе анализа было показано, что исходное содержание воды в предварительно подготовленных образцах ели и сосны составило 6,58 % мас. и 3,38 % мас. соответственно. На диаграммах (рис. 4) представлены результаты определения процентного содержания продуктов пиролиза использованных древесных материалов.
Процентное содержание продуктов пиролиза образца "Ель"
О
159%
%
сухой остаток
■ газообраз ные
вещества
■ смола
(а)
(б)
Рис. 4. Содержание продуктов пиролиза для образцов древесины ели (а) и сосны (б) Как видно из диаграмм, процентное содержание смолы после пиролиза составляет
основную часть в продуктах реакции и превышает значение 50 % мас. Сухой остаток и газообразные продукты пиролиза имеют близкое содержание. Полученные результаты объясняются наличием у древесины хвойных пород значительного содержания живицы.
При анализе массы газообразных веществ, выделяющихся при пиролизе, были получены следующие результаты (рис. 5 и рис. 6). Как видно из диаграмм нет чёткой зависимости между исследуемым образцом материала и выходом конкретного газа. Количество образующихся газов индивидуально для каждого древесного материала, что хорошо согласуется с литературными данными по пиролизу древесины [3-5]. Однако качественный набор газов, которые были проанализированы, оказался одинаков. Необходимо также отметить, что помимо газообразных веществ, представленных на диаграммах, в ходе эксперимента были обнаружены следы других соединений, идентификация которых не проводилась в виду необходимости организации дополнительных аналитических исследований. Однако их процентное содержание было крайне мало и не оказывало существенного влияния на общее формирование картины происходящих во время пиролиза химических превращений.
МАССА ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ, МКГ
(ОБРАЗЕЦ "ЕЛЬ")
т (СО) т(С02} т(Н2] т(СН4] т(СНЗОН] т(ИНЮ)
Рис. 5. Количество образовавшихся газообразных продуктов при ходе пиролизе образца ели
МАССА ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ, МКГ
(ОБРАЗЕЦ "СОСНА")
«7
2,44
1 ЁП] Ц g 0,31
m (СО] m (C02J m(H2] m(CH4] т(СНЗОН) m(C4H10)
Рис. 6. Количество образовавшихся газообразных продуктов при ходе пиролизе образца сосны
Из полученных результатов видно, что при термическом воздействии в условиях недостатка кислорода ель выделяет наибольшее количество углекислого газа и водорода. Газообразные продукты пиролиза сосны, наоборот, имеют высокое содержание метанола и угарного газа, что в условиях пожара представляет большую опасность для здоровья людей.
Выводы
В ходе проведенных исследований был изучен процесс пиролиза образцов древесины ели и сосны при температуре 600 оС методом газо-жидкостной хроматографии. Были идентифицированы образующиеся продукты реакции и определено их количественное содержание. Полученные данные
имеют практическое значение для разработки технологий получения «биотоплива», переработки отходов древесины и прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с высокотемпературными поражающими факторами.
Литература
1. Н.Н.Лебедев. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1988. 592 с.
2. С.В. Пузач, Д.В. Мань, Н.Т. Дат, Е.В. Сулейкин, Р.Г. Акперов. Образование, распространение и воздействие на человека токсичных продуктов горения при пожаре в помещении. М.: Академия ГПС МЧС РФ. 2017. 130 с.
3. Р.Р. Сафин, И.А. Валеев, Р.Г. Сафин. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды // Лесной вестник. 2005. C.168-170.
4. С.А. Забелкин, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование // Вестник Казанского технологического университета. 2011. №5, с.39-42.
5. А.Н. Грачёв, И.А. Валеев, А.А. Макаров. Технология быстрого пиролиза при энергетическом использовании низкокачественной древесины. Казань. Казанский национальный исследовательский технологический университет: 2011, 79 с.
