Гречневая лузга как сырье: кинетика процесса и путь к биоуглю

Гречневая лузга, которая остаётся после переработки крупы, — это не просто мусор, а крупнотоннажное растительное сырьё. На её долю приходится примерно 20% массы зерна. Такой объём отходов имеет смысл не выбрасывать, а превращать в полезные продукты: биотопливо, биоуголь, удобрение, сорбент для очистки воды и почвы, кормовую добавку. Именно поэтому учёные из Института энергетики и перспективных технологий ФИЦ КазНЦ РАН подробно исследовали, как гречневая лузга разлагается при нагреве без доступа кислорода — то есть в процессе пиролиза.

Пиролиз можно описать просто: биомассу нагревают в инертной среде, без кислорода, и она постепенно распадается на газы, жидкие продукты и твёрдый углеродный остаток — биоуголь. Чтобы понять, как вести такой процесс в промышленных масштабах, нужно знать, при каких температурах и с какой скоростью идёт разложение, сколько образуется газов и какие реакции за этим стоят. В исследовании использовали термогравиметрию: образец нагревали с разной скоростью — 5, 10 и 20 °С в минуту — и непрерывно взвешивали. Одновременно с помощью ИК-Фурье-спектроскопии смотрели, какие газы выделяются. Это позволило увидеть процесс не как «чёрный ящик», а по стадиям.

Оказалось, что у гречневой лузги, как и у многих лигноцеллюлозных материалов, три основные стадии. Сначала идёт сушка: удаляется влага, потеря массы небольшая. Затем начинается активное удаление летучих веществ — самая важная стадия, когда разлагаются гемицеллюлоза, целлюлоза и часть лигнина. Именно здесь теряется основная часть массы. Большая часть газообразных продуктов — углекислого газа и угарного газа — выделялась при температуре примерно 270–440 °С. При более высоких температурах, выше 520 °С, идёт карбонизация: остаются более термостойкие соединения, формируется твёрдый углеродный остаток, похожий на биоуголь.

Отдельно учёные рассчитали кинетические параметры — те характеристики, которые описывают, насколько легко и быстро идёт реакция. Для этого применяли интегральный метод Озава — Флинн — Уолла и метод Коутса — Редферна. Средние значения энергии активации для трёх скоростей нагрева составили 29,88–37,04 кДж/моль. Простыми словами, энергия активации показывает, какой «барьер» нужно преодолеть, чтобы реакция пошла; полученные значения говорят о том, что процесс можно описывать достаточно простыми моделями. Лучше всего экспериментальные данные описывались моделями химической реакции первого и второго порядка. Это важно для инженеров: такие модели удобны для расчёта реакторов и масштабирования технологии.

Ещё один любопытный момент — визуализация связей между тремя ключевыми параметрами процесса: энергией активации, предэкспоненциальным множителем и моделью реакции. Для этого использовали геостатистический метод Кригинга, который строит трёхмерные поверхности и позволяет увидеть, как эти параметры связаны между собой. На полученных поверхностях были и почти линейные области, и локальные максимумы. Область максимальных значений пришлась на степень конверсии 0,7–0,8 — то есть на ту стадию, когда процесс разложения уже близок к завершению. Такие «карты» помогают лучше понять, какие режимы нагрева и какие условия стоит выбирать для получения нужного продукта.

Практическая польза исследования шире одной лаборатории. Понимание кинетики пиролиза позволяет точнее проектировать промышленные установки, подбирать температуру и скорость нагрева, прогнозировать выход биоугля и газов. А биоуголь — это не только топливо или удобрение. Его внесение в почву улучшает её структуру, помогает удерживать влагу и может надолго связывать углерод, снижая его поступление в атмосферу. Так что гречневая лузга из отхода превращается в ресурс для энергетики, сельского хозяйства и даже для смягчения климатических изменений. Исследование показывает: у такой привычной крупы, как гречка, есть полезное «второе дно» — точнее, лузга, которая может работать на пользу людям и окружающей среде.

Исследование опубликовано в журнале «Химия растительного сырья»

Изображение на обложке: разработано Magnific