vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2021-66-1-76-83vestift-651Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERПолучение высокопористого углеродного материала с применением термохимической конверсии древесной биомассы под давлениемObtaining of high porous carbon material using thermochemical conversion of wood biomass under pressureВасилевичС. В.VasilevichS. V.

Василевич Сергей Владимирович – кандидат технических наук, доцент

ул. Уборевича, 77, 220072, Минск, Республика Беларусь

Siarhei V. Vasilevich – Ph. D. (Engineering), Associate Professor

77, Uborevich Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

svasilevich@yandex.ruМалькоМ. В.MalkoM. V.

Малько Михаил Владимирович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

ул. Академическая, 15, корп. 2, 220072, Минск, Республика Беларусь

Mikhail V. Malko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher

15, building 2, Academicheskaya Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

mikhailvm@bas-net.byДегтеровД. В.DegterovD. V.

Дегтеров Дмитрий Валентинович – заведующий сектором

ул. Академическая, 15, корп. 2, 220072, Минск, Республика Беларусь

Dmitry V. Degterov – Head of Sector

15, building 2, Academicheskaya Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

ddegterov@mail.ruАсадчийА. Н.AsadchyiA. N.

Асадчий Андрей Николаевич – старший научный сотрудник

ул. Академическая, 15, корп. 2, 220072, Минск, Республика Беларусь

Andrei N. Asadchyi – Senior Researcher

15, building 2, Academicheskaya Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

asadchyi@tut.byБелорусская государственная академия авиацииBelarusian State Aviation AcademyИнститут энергетики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Power Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus2021310320216617683Copyright © Василевич С.В., Малько М.В., Дегтеров Д.В., Асадчий А.Н., 20212021Василевич С.В., Малько М.В., Дегтеров Д.В., Асадчий А.Н.Vasilevich S.V., Malko M.V., Degterov D.V., Asadchyi A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/651

Представлен метод получения активированных углей (высокопористых углеродных материалов) на базе растительного (древесного) сырья с использованием разработанной и изготовленной экспериментальной установки, состоящей из парогенератора, пароперегревателя, камеры пиролиза и активации и охладителя с теплообменником с принудительной конвекцией. Проведен анализ особенности химической и физической активации древесного угля, получаемого путем пиролиза древесного сырья, и сделан вывод о преимуществе физической активации на основе применения водяного пара в качестве активирующего агента. Дано описание результатов экспериментальных исследований, выполненных с использованием разработанной установки. Эти результаты подтверждают выводы других исследований о том, что избыточное давление повышает массовый выход твердых продуктов, образующихся в процессе термохимической конверсии растительной биомассы. Установлено, что повышение давления, при котором осуществляется пиролиз, приводит к росту содержания углерода в древесном угле. Так, при повышении давления, при котором осуществлялся пиролиз, от 1 до 8 атм содержание углерода в древесном угле возрастало от 88,3 до 93,7 мас.%. Представлены данные по эффективности физической активации твердых продуктов пиролиза древесной биомассы с использованием водяного пара и сделан вывод о перспективности данного направления при разработке основ производства высокопористых углеродных материалов.

A method is presented for obtaining activated carbons (highly porous carbon materials) based on plant (wood) raw materials using a developed and manufactured experimental setup, consisting of a steam generator, a superheater, a pyrolysis and activation chamber and a cooler with a heat exchanger with forced convection. The analysis of the features of chemical and physical activation of charcoal, obtained by pyrolysis of wood raw materials, is carried out, and a conclusion is made about the advantage of physical activation, based on the use of water vapor as an activating agent. A description of the results of experimental studies carried out using the developed installation is given. These results confirm the conclusions of other studies that excessive pressure increases the mass yield of solid products formed during the thermochemical conversion of plant biomass. It was found that an increase in pressure, at which pyrolysis occurs, leads to an increase in the carbon content in charcoal. So, with an increase in pressure at which pyrolysis was carried out, from 1 to 8 atm, the carbon content in charcoal increased from 88.3 to 93.7 wt.%. Data on the efficiency of physical activation of solid products of pyrolysis of woody biomass using water vapor are presented and a conclusion is made that this direction is promising in the development of the foundations for the production of highly porous carbon materials.

экспериментальная установкапарогенераторпароперегревателькамера пиролиза и активацииповышенное давлениетвердые продукты конверсииexperimental setupsteam generatorsuperheaterpyrolysis and activation chamberhigh pressuresolid conversion productsReferencesНовый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ / С. Н. Васильев [и др.]. – СПб.: НПО «Профессионал», 2005. – Ч. 2. – 1144 сVasil’ev S. N., Gamova I. A., Vekki A. V. de, Deineko I. P., Itsko E. F., Kalinskaya T. V., Podkletnova N. M.,. Pokonova Yu. V, Rybakov V. A., Saratov I. E., Filatov B. N., Fomenko V. N., Yudkevich Yu. D. New Handbook of Chemistand Technologist. Raw Materials and Products of the Industry of Organic and Inorganic Substances. Part 2. St. Petersburg, ANO NPO Professional Publ., 2005. 1144 p. (in Russian).Обзор рынка активированного (активного) угля в СНГ / Объединение независимых экспертов в области минеральных ресурсов, металлургии и химической промышленности. – М., 2019. – 193 с.Association of Independent Experts in the Field of Mineral Resources, Metallurgy and Chemical Industry. Market Overview of Activated (Active) Carbon in the CIS. Moscow, 2019. 193 p. (in Russian).Activated Carbon, Biochar and Charcoal: Linkages and Synergies across Pyrogenic Carbon’s ABCs / N. Hagemann [et al.] // Water. – 2018. – Vol. 10, iss. 2. – P. 182. https://doi.org/10.3390/w10020182Hagemann N., Spokas K., Schmidt H. P., Kägi R., Böhler M. A., Bucheli T. D. Activated Carbon, Biochar and Charcoal: Linkages and Synergies across Pyrogenic Carbon’s ABCs. Water, 2018, vol. 10, iss. 2, p. 182. https://doi.org/10.3390/w10020182Молекулярная биология бактерий, взаимодействующих с растениями / под ред. Г. Спайнк, А. Кондороши, П. Хукас. – СПб.: ООО «ИПК “БИОНТ”», 2002. – 567 с.Spink G., Kondoroshi A., Houkas P., eds. Molecular Biology of Bacteria Interacting with Plants. St. Petersburg, “IPK “BIONT” Publ., 2002. 567 p. (in Russian).Smišek, M. Active Carbon, Manufacture, Properties and Applications / M. Smišek, S. Cerný. – Amsterdam ; London ; New York: Elsevier Publ. Co., 1970. – VII, 479 p. https://doi.org/10.1002/ange.19710830820Smišek M., Cerný S. Active Carbon, Manufacture, Properties and Applications. Amsterdam ; London ; New York: Elsevier Publ. Co., 1970. VII, 479 p. https://doi.org/10.1002/ange.19710830820Marsh, H. Activated Carbon / H. Marsh, F. R. Reinoso. – Amsterdam: Elsevier, 2006. – 554 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-044463-5.X5013-4Marsh H., Reinoso F. R. Activated Carbon. Amsterdam, Elsevier, 2006. 554 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-044463-5.X5013-4Daud, W. M. A. W. Textural characteristics, surface chemistry and oxidation of activated carbon / W. M. A. W. Daud, A. H. Houshamnd, // J. Nat. Gas Chem. – 2010. – Vol. 19, iss. 3. – P. 267–279. https://doi.org/10.1016/S1003-9953(09)60066-9Daud W. M. A. W., Houshamnd A. H. Textural characteristics, surface chemistry and oxidation of activated carbon. Journal of Natural Gas Chemistry, 2010, vol. 19, iss. 3, pp. 267–279. https://doi.org/10.1016/S1003-9953(09)60066-9Effect of steam and carbon dioxide activation in the micropore size distribution of activated carbon / M. Molina-Sabio [et al.] // Carbon. – 1996. – Vol. 34, № 4. – P. 505–509. https://doi.org/10.1016/0008-6223(96)00006-1Molina-Sabio M., Gonzalez M., Rodriguez-Reinoso F., Sepúlveda-Escribano A. Effect of steam and carbon dioxide activation in the micropore size distribution of activated carbon. Carbon, 1996, vol. 34, no. 4, pp. 505–509. https://doi.org/10.1016/0008-6223(96)00006-1The role of biochar porosity and surface functionality in augmenting hydrologic properties of a sandy soil / W. Suliman [et al.] // Sci. Total Environ. – 2017. – Vol. 574. – P. 139–147. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.09.025Suliman W., Harsh J. B., Abu-Lail N. I., Fortuna A.-M., Dallmeyer I., Garcia-Pérez M. The role of biochar porosity and surface functionality in augmenting hydrologic properties of a sandy soil. Science of the Total Environment, 2017, vol. 574, pp. 139–147. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.09.025Xiao, F. Effects of post-pyrolysis air oxidation of biomass chars on adsorption of neutral and ionizable compounds / F. Xiao, J. J. Pignatello // Environ. Sci. Technol. – 2016. – Vol. 50, iss. 12. – P 6276–6283. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b00362Xiao F., Pignatello J. J. Effects of post-pyrolysis air oxidation of biomass chars on adsorption of neutral and ionizable compounds. Environmental Science & Technology, 2016, vol. 50, iss. 12, pp. 6276-6283. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b00362Campo, B. G. del. Production of activated carbon from fast pyrolysis biochar and the detoxification of pyrolytic sugars for ethanol fermentation [Electronic resource] / B. G. del Campo // Graduate Thesesand Dissertations. 14691. – 2015. – Mode of access: https://lib.dr.iastate.edu/etd/14691 – Date of access: 12.02.2019.Campo B. G. del. Production of activated carbon from fast pyrolysis biochar and the detoxification of pyrolytic sugars for ethanol fermentation. 2015. Graduate Theses and Dissertations. 14691. Available at: https://lib.dr.iastate.edu/etd/14691 (accessed 12 December 2019).Исследование процесса получения древесного угля путем пиролиза под давлением / С. В. Василевич [и др.] // Весці Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2017. – № 3. – С. 64–71.Vasilevich S. V., Malko M. V., Bogach. N., Degterоv D. V., Asadchiy A.N. Study of the process of obtaining charcoal by pyrolysis under pressure. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2017, no. 3, pp. 64–71 (in Russian).Расчетное исследование выхода твердых продуктов пиролиза древесины при повышенном давлении / С. В. Василевич [и др.] // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – 2020. – Т. 63, № 3. – С. 253–263.Vasilevich S. B., Malko M. V., Degterov D. V., Asadchiy A. N. Computational study of the yield of solid products of wood pyrolysis at elevated pressure. Energetika. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii i energeticheskikh ob"edinenii SNG = ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations, 2020, vol. 63, no. 3, pp. 253–263 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-3-253-263

The authors declare that there are no conflicts of interest present.