东京工业大学的椿俊太郎助教和和田雄二教授等人与产业技术综合研究所的高级主任研究员西冈将辉合作，利用微波成功实现了生物质的超快速热解。研究团队通过利用半导体式微波振荡器和圆柱型谐振腔精确控制微波的照射条件，并向生物质施加强电场，最快能使稻草的升温速度达到每秒330℃。
利用以往的磁控管式微波装置的生物质热解由于聚集到生物质上的电场强度低，需要添加微波吸收性高的热介质。此次通过采用半导体式微波形成高共振状态，无需使用热介质就能使生物质快速升温至600℃以上。
相关研究成果已于11月22日发布在英国皇家化学学会的期刊《绿色化学》（Green Chemistry）的网络版上。
通过对生物质进行快速热解，可以获得合成气（一氧化碳和氢的混合气体）、生物油（焦油）和生物碳（碳材料）等有用的化学物质。但生物质的导热率比较低，而且水分含量高，因此要想有效加热，需要将生物质制成细粉末以提高导热性，同时使其与高温加热的热介质接触，提高处理效率（图1A）。
作为提高生物质加热效率的方法，业界研究了微波加热。但以往那种使用磁控管的微波加热方式无法获得高电场强度，因此需要添加微波吸收性优异的热介质碳和碳化硅（SiC，图1B）。
此次，研究团队新研究了一种方法，通过利用半导体式微波振荡器精确控制微波的照射条件，使高强度微波集中于生物质，无需使用热介质，即可实现省电的快速生物质热解（图1C）。
图1：以往的外部加热方法和磁控管式微波加热与此次研究的采用半导体式微波的生物质加热方法的比较
本次研究针对生物质模型原料（纤维素和碱木质素）和实际排放的生物质原料（稻草），验证了可自动追踪共振频率的半导体振荡式微波加热的效果。利用该装置时，照射微波后12秒内就能将稻草加热到600℃以上，最大升温速度达到每秒330℃（图2A）。
另外还发现，通过追踪共振频率的变化，可以直接观测生物质热解反应中的碳化过程。经确认，在快速升温的过程中，共振频率会大幅降低，因此随着升温，生物质会急剧碳化（图2B）。
以上结果证明，通过利用由半导体式微波振荡器高度控制的微波，无需使用热介质就可以将微波能量直接传递给生物质，进行超高速热解。新开发的技术不仅是林地残留物和农业残留物等生物质，还能用来分解塑料、食品、污泥和医疗垃圾等废弃物。
图2：利用半导体式微波装置使稻草快速升温。微波加热时的（A）温度变化及（B）共振频率变化
图3：利用半导体式微波加热装置从未利用生物质资源中制造有用碳化物
文：JST客观日本编辑部翻译整理
