東京工業大學的椿俊太郎助教和和田雄二教授等人與產業技術綜合研究所的高級主任研究員西岡將輝合作，利用微波成功實現了生物質的超快速熱解。研究團隊通過利用半導體式微波振盪器和圓柱型諧振腔精確控制微波的照射條件，並向生物質施加強電場，最快能使稻草的升溫速度達到每秒330℃。
利用以往的磁控管式微波裝置的生質熱裂解由於聚集到生物質上的電場強度低，需要添加微波吸收性高的熱介質。此次通過採用半導體式微波形成高共振狀態，無需使用熱介質就能使生物質快速升溫至600℃以上。
相關研究成果已於11月22日發布在英國皇家化學學會的期刊《綠色化學》（Green Chemistry）的網路版上。
通過對生物質進行快速熱解，可以獲得合成氣（一氧化碳和氫的氣體混合物）、生物油（焦油）和生物碳（碳材料）等有用的化學物質。但生物質的導熱率比較低，而且水分含量高，因此要想有效加熱，需要將生物質製成細粉末以提高導熱性，同時使其與高溫加熱的熱介質接觸，提高處理效率（圖1A）。
作為提高生物質加熱效率的方法，業界研究了微波加熱。但以往那種使用磁控管的微波加熱方式無法獲得高電場強度，因此需要添加微波吸收性優異的熱介質碳和碳化硅（SiC，圖1B）。
此次，研究團隊新研究了一種方法，通過利用半導體式微波振盪器精確控制微波的照射條件，使高強度微波集中於生物質，無需使用熱介質，即可實現省電的快速生質熱裂解（圖1C）。
圖1：以往的外部加熱方法和磁控管式微波加熱與此次研究的採用半導體式微波的生物質加熱方法的比較
本次研究針對生物質模型原料（纖維素和鹼木質素）和實際排放的生物質原料（稻草），驗證了可自動追蹤共振頻率的半導體振盪式微波加熱的效果。利用該裝置時，照射微波後12秒内就能將稻草加熱到600℃以上，最大升溫速度達到每秒330℃（圖2A）。
另外還發現，通過追蹤共振頻率的變化，可以直接觀測生質熱裂解反應中的碳化過程。經確認，在快速升溫的過程中，共振頻率會大幅降低，因此隨著升溫，生物質會急劇碳化（圖2B）。
以上結果證明，通過利用由半導體式微波振盪器高度控制的微波，無需使用熱介質就可以將微波能量直接傳遞給生物質，進行超高速熱解。新開發的技術不僅是林地殘留物和農業殘留物等生物質，還能用來分解塑料、食品、污泥和醫療垃圾等廢棄物。
圖2：利用半導體式微波裝置使稻草快速升溫。微波加熱時的（A）溫度變化及（B）共振頻率變化
圖3：利用半導體式微波加熱裝置從未利用生物質資源中製造有用碳化物
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
