КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-79-10113
НазваниеРазработка СО2-нейтральной технологии получения полифункциональных катализаторов на основе металлов с разной электроотрицательностью для СВЧ-пиролиза твердого органического сырья
Руководитель Шаненков Иван Игоревич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл
Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе
Ключевые слова Органические отходы, биомасса, СВЧ-пиролиз, генераторный газ, катализаторы, функциональные материалы, наноматериалы, оксиды металлов, дуговой разряд
Код ГРНТИ61.31.55
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Разработка суверенных ресурсоэффективных и углерод-нейтральных технологий, базирующихся на использовании возобновляемых источников энергии, и, в частности биомассы, является актуальной задачей в связи с необходимостью вовлечения этих потенциально неограниченных и восполняемых запасов в энергетическую деятельность и снижения воздействия на окружающую среду. Традиционные способы термической переработки характеризуются высоким энергопотреблением и наличием балласта в генерируемом газовом продукте, что нивелирует преимущества их использования. В этой связи всё большую популярность набирает СВЧ-переработка органического сырья, которая обеспечивает получение высококалорийных газовых смесей и жидких топлив. Однако не все известные виды биомассы пригодны для такой переработки, что обусловлено особенностями их органического и неорганического состава и взаимодействия с СВЧ-излучением.
Для решения этой проблемы применяются различные катализаторы, в основном, из ферромагнитных металлов и их оксидов, получение которых осуществляется зачастую традиционными методами, не позволяющими достичь углеродной нейтральности вcледствие многостадийности, высоких временных и энергозатрат.
В рамках проекта предлагается разработать научно-технические основы СО2-нейтральной технологии получения дисперсных полифункциональных катализаторов на основе металлов с разной электроотрицательностью и их оксидов в импульсной плазме дугового разряда при использовании углекислого газа в качестве окислителя. Такой подход, как ожидается, позволит осуществлять получение требуемых катализаторов за счёт попутной утилизации части СО2. Разложение СО2 будет осуществляться при использовании импульсной плазменной технологии, обеспечивающей генерацию высоких давлений и температур, а также ударных волн, что позволяет значительно ослабить энергию связи молекул СО2 и использовать их потенциал для окислительных реакций.
Синтез и применение таких катализаторов на основе металлов с разной электроотрицательностью позволит не только осуществить выбор наилучших составов с позиции полифункционального воздействия непосредственно на процесс СВЧ-переработки (увеличение теплоты сгорания топливного газа, снижение общего энергопотребления, низкий выход СО2), но и подобрать варианты композиций, которые дополнительно будут способствовать достижению общей СО2-нейтральности подхода. Предложенное решение является принципиально новым с научной точки зрения, поскольку в литературных данных не обнаружены попытки получения дисперсных функциональных материалов, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве катализаторов СВЧ-пиролиза, при сопутствующей утилизации углекислого газа.
Таким образом, в результате реализации проекта будут:
1) Разработаны научно-технические основы получения металлсодержащих дисперсных материалов в среде углекислого газа плазмодинамическим методом за счет использования электродных систем из металлов с разной электроотрицательностью (W, Cu, Fe, Ti, Al, Zr).
2) Получены полифункциональные катализаторы различного состава на основе металлсодержащих дисперсных материалов, синтезированных плазмодинамическим методом в среде углекислого газа, обеспечивающие повышение эффективности термической переработки органического сырья (снижение энергозатрат и увеличение выхода горючих газообразных компонентов) и снижение выхода СО2;
3) Определены оптимальные составы катализаторов СВЧ-переработки органического сырья (в том числе гибридные металлсодержащие дисперсные материалы) с позиции обеспечения общей СО2-нейтральности предлагаемого подхода.
Решение указанных выше задач может создать весомый научный и технологический задел для перехода на углеродно-нейтральные технологии термической переработки органического сырья за счёт вовлечения собственных биоресурсов. Результаты проекта буду опубликованы в ведущих российских и зарубежных журналах (не менее 10 публикаций), а также будет подана 1 заявка на РИД.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках реализации отчетного периода работ по проекту осуществлены исследования процессов плазмодинамического синтеза дисперсных оксидосодержащих материалов, полученных при распылении металлической эрозионной импульсной плазмы (W, Cu, Fe, Al, Ti, Zr) в среду углекислого газа, а также СВЧ-пиролиза органического сырья, в роли которого рассмотрены 7 видов биомассы в виде отходов деятельности агропромышленного и лесоперерабатывающего комплексов. Проведенные работы объединены общей целью последующего достижения итоговой углеродной нейтральности как процесса получения дисперсных оксидсодержащих продуктов, планируемых к использованию в качестве полифункциональных катализаторов СВЧ-пиролиза для снижения удельных энергозатрат, так и процесса термической деструкции органического сырья под действием микроволнового излучения с целью получения энергетически ценной продукции за счёт утилизации выбранных видов отходов.
В части исследования плазмодинамического синтеза дисперсных материалов в среде углекислого газа произведена оценка применимости технологии для конверсии СО2, разложение которого приводит к высвобождению кислорода и окислению распыляемых металлических частиц. Полученные результаты убедительно демонстрируют принципиальную возможность генерации, ускорения и распыления эрозионной плазмы во всех выбранных металлических системах (W, Cu, Fe, Al, Ti, Zr) в среду СО2 с последующим формированием оксидов данных металлов. Показано, что изменение режимов работы установки существенно влияет на характеристики наработки дисперсных продуктов синтеза, процесс оксидообразование и степень конверсии СО2. Одним из весомых преимуществ реализации такого процесса является доказанная возможность формирования метастабильных кубических оксидных фаз в системах с алюминием и вольфрамов, а также Магнели-фаз в системе Ti-O, что обусловлено импульсным высокоэнергетическим характером процесса. Подробным образом исследованы фазовый состав и структура получаемых продуктов и сделаны выводы о том, что синтез в системах с Al, Ti и W обеспечивает формирование монокристаллических наноразмерных частиц практически полностью представляющих собой оксидные соединения, что также подтверждает возможность конверсии СО2 в рассматриваемом процессе. Тщательная интерпретация совокупности данных по степени конверсии СО2, оксидообразованию, характеристикам продуктов синтеза, электрофизическим свойствам позволила выявить наиболее перспективные системы, которые будут исследоваться в дальнейшем для достижения заявленных целей проекта: W-O, Fe-O, Al-O, Ti-O.
В части работ по СВЧ-пиролизу биомассы, подробно изучены характеристики исходных проб, проведены натурные эксперименты с использованием установки СВЧ-пиролиза оригинальной конструкции, по результатам которых составлены материальные балансы, определены характерные времена протекания процесса, проанализированы характеристики получаемого газа и сделана оценка энергетических затрат переработки. На основе полученных результатов определены виды биомассы с низкой степенью взаимодействия с СВЧ-излучением (сосновые опилки, свекловичный жом и рисовая шелуха), которые будут рассмотрены в качестве объектов исследования на дальнейших этапах выполнения проекта.
Результаты работы апробированы на трех всероссийских и международных научных мероприятиях, доклады на которых отмечены именными и степенными дипломами.
По результатам выполнения проекта опубликована 1 статья в периодическом издании «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», индексируемого базами данных РИНЦ, RSCI и Scopus. Подготовлены и направлены в журналы первого квартиля (Q1) по WoS/Scopus 2 статьи (Journal of anaytical and applied pyrolysis and Journal of Alloys and Compounds).
Публикации
1.
Шаненков И.И., Никитин Д.С., Насырбаев А.Р., Циммерман А.И., Сивков А.А.
Синтез Магнели-фаз в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов., Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. –2024. –Т. 335. –No 11. –С. 185–196. (год публикации - 2024)
10.18799/24131830/2024/11/4847