Данг Нян Тхонг

Томский политехнический университет

Студент

Нгуен Мань Хиеу, аспирант кафедры ОХТ

Научный руководитель: профессор, д.т.н. В.В. Коробочкин

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

Аннотация

Данная статья посвящена способу получения активированного угля и диоксида кремния путем утилизацией рисовой шелухи. Приведен анализ влияния температурных факторов на процесс термического разложения органических веществ, с целью определения оптимальных условий технологического процесса.

Ключевые слова: рисовая шелуха; аморфный диоксид кремния; активированный уголь; пиролиз; термогравиметрический анализ; рентгенофазовый анализ; метод электронной микроскопии

Abstract

This article provides a method to produce activated carbon and silica from rice husk. Provides an analysis of the influence of factors on the process of thermal decomposition of organic compounds in order to determine the optimum temperature combustion of rice husk to get active carbon with high activity.

Keywords: rice husks; amorphous silica; charcoal; pyrolysis; thermogravimetric analysis; X-ray analysis; electron microscopy

Рис - один из наиболее ценных пищевых продуктов в мире, он занимает первое место по валовым сборам, и второе место по площади посевов после пшеницы. Наиболее привычным продуктом остается шлифованный белый рис. Вместе с тем возрастает потребление риса-полуфабриката, который получают либо путем обработки риса паром под давлением, что способствует сохранению в нем значительного количества витаминов и минеральных веществ, либо рис предварительно слегка отваривают, а затем обезвоживают, чтобы свести к минимуму время его приготовления.

В процессе переработки рисового зерна в крупу в качестве отходов получают немалое количество рисовой шелухи, а также некоторое количество отрубей. Рисовая шелуха - это внешняя оболочка ядра риса, которая защищает внутренние компоненты от внешних атак насекомых и бактерий. Для выполнения этой функции и одновременного пропускания необходимого для роста зерна воздуха и влаги, рис в процессе естественной эволюции создал в своей шелухе уникальные нанопористые слои кремнезема. Масса шелухи достигает 20% веса необрушенного зерна риса (табл. 1). Она играет исключительно важную роль в жизни растения риса, защищая его от повреждений. Однако после обмолота и обрушения рисовых зерен шелуха становится как бы ненужной и ее чаще всего, просто сжигают в печах. Вместе с тем, рисовая шелуха отличается широким диапазоном полезных для человека свойств, и этот ее потенциал пока недостаточно используется человеком, как в сельском хозяйстве, так и других отраслях экономики [3, с. 325].

Таблица 1. Химическое содержание рисовой шелухи

Ежегодно в мире образуется порядка 200 млн тонн рисовой шелухи, которая из-за наличия диоксида кремния не подвергается гниению. Требуются огромные площади земельных угодий для ее захоронения. Утилизация отхода рисового производства представляет собой важную техническую задачу. В связи с этим утилизация рисовой шелухи стала, жизненно важной задачей для всех стран мира, которые занимаются возделыванием и переработкой риса и число которых превышает 100 (основные производители: Китай (33% мирового урожая) и Индия (25% мирового урожая)); крупные производители: США, Пакистан, Южная Корея, Египет, Камбоджа, страны Африки и Южной Америки; в странах бывшего СССР основными производителями являются Россия, Узбекистан, Казахстан.

В настоящее время существует несколько способов утилизации и переработки рисовой шелухи. Это либо создание специальных отвалов, либо добавление рисовой лузги в строительные материалы в качестве дополнительных присадок, либо сжигание или использование рисовой шелухи в производстве топливных брикетов, в шинной и в цементной промышленности и др. Недостатком этих способов является низкая экономическая эффективность, так как в производстве топливных элементов не утилизируют значительное количество диоксида кремня, который входит в составе риса а наоборот, в шинной и цементной промышленности используют в основном только кремнёвую часть шелухи, поэтому поиск новой пути переработки рисовой шелухи, которая позволяет одновременно утилизировать и кремнёвую и углеводородную часть рисовой шелухи является важной задачей.

Предполагается новый метод переработки рисовой шелухи, который позволяет получить и активированный уголь, и диоксид кремния. Сущность метода заключается в следующем. Исходную рисовую шелуху подвергают кислотному травлению, промывают водой, сушат, предварительно сжигают в закрытом реакторе с отсосом дыма и улавливанием аморфного углерода. Процесс окислительного сжигания рисовой шелухи ведут в оптимальном режиме и размоле шелухи с контролем кислорода. После сжигания полученную золу подвергают обработке концентрированной щелочей (NaOH 6M). Дисперсный углерод осаждается в воде и извлекается из нее с помощью центрифугирования или отстоя. Полученный уголь сушат и подвергают активации в регулируемом реакторе водяным паром. Остальная жидкость - жидкое стекло после фильтрования подвергают переработке кислотой, после сушки получают диоксид кремня. Для определения сорбционной ёмкости и качества полученного угля, использовали метод йодного числа.

Технологическая схема процесса иллюстрируется на рисунке 1.

Рис. 1. Технологическая схема процесса переработки рисовой шелухи с получением активного угля и диоксида кремния

Температура сжигания шелухи является важным фактором, виляющим на скорость карбонизации и качество полученного активного угля. В данной работе был исследован процесс термического разложения рисовой шелухи, чтобы определить оптимальный температурный режим сжигания. В качестве исследуемых образцов использовали шелухи, взятые от равнины Красной реке Вьетнама. Эксперимент приведен в котле с регулировкой температур.

Ниже приведена кривая ТГА рисовой шелухи.

рис шелуха уголь диоксид

Рис. 2. Термогравиметрический анализ рисовой шелухи

Из рисунка видно что, при температуре ниже 150оС происходит процесс испарения воды в шелухе, при температуре 250-350оС резко происходит процесс разложения лабильных органических веществ, и большинство органических веществ разложено в этом интервале. При дальнейшем увеличением температуры до 600оС происходит разложение остальных органических соединении.

Чтобы определить количество угля в полученной золе использовали метод абсолютного сжигания, т.е. несколько граммов золы сжигали на длительное время и снижение массы показывает количество угля в золе, результаты анализа показали, что в золе уголь занимает 54-56 % и сумма диоксида кремня и других оксидов занимает 44-46 %.

При температуре сжигания выше 850о С шелуха была перегрета и поверхность золы имеет белый цвет, что говорит о наличии диоксида кремня, отлипавший после сжигания. Вместе с этим, пористость полученного угля сузилась, поэтому его активность уменьшилась. Структура золы после сжигании при температуре 850о С показана на рисунке 3.

Рис. 3. Структура золы после сжигания при температуре 850о С: а - поверхность золы огрубела из- за перегрева; б- головка диоксида кремня отлипала; в- пористость полученного угля сузилась

В результате исследований можно сделать вывод о том что, из рисовой шелухи можно получить и активированный уголь, и диоксид кремня. Режим сжигания играет важную роль в производстве активированного угля из рисовой шелухи, чтобы получить активированного угля с хорошей активностью температура сжигания должна меньшее 850о С.

Все сказанное выше свидетельствует о перспективности технологий, обеспечивающих комплексное использование отходов производства риса, по направлению получения активированного угля и диоксида кремния. Предварительные оценки показывают, что стоимость химических продуктов, которые получены из тонны упомянутых выше отходов (активированный уголь, аморфный диоксид кремния высокой чистоты, жидкое стекло) превышают цену тонны зерна риса в несколько раз.

Библиографический список

1. Ву Ван Тхань, Ву Тхи Фыок, До Куок Хоынг. Исследование повышения активности активированого угля, полученного из рисовой шелухи. Ханойский политехнический университет. 2013 г.

2. Земнухова Л.А., Федорищева Г.А., Егоров А.Г., Сергиенко В.И. Исследование условий получения, состава примесей и свойств аморфного диоксида кремния из отходов производства риса // Журнал прикладной химии. -- 2005. -- Т. 78. -- Вып. 2. -- С. 324--328.

3. Сапрыкина Л.В., Киселева Н.В. Состояние и перспективы термической переработки рисовой шелухи // Химия древесины. 1990. №6. С. 3-7.

4. Сергиенко В. И., Земнухова Л. А., Егоров А. Г., Шкорина Е. Д., Василюк Н. С. Возобновляемые источники химического сырья: комплексная переработка отходов производства риса и гречихи// Российский Химический Журнал. Том XLVIII (2004) № 3.

5. Смирнов В.С. Химический состав и потребительские свойства риса / В.С. Смирнов // Сборник научных трудов, Вып. 3. М., 1989. -- С. 5.

6. Таи Н. К., Нгуен Ван Ту, Нгуен нгок Минь. Исследование и производство активированного угля из рисовой шелухи во Вьетнаме. Журнал наука Техника металлов 38. Ханой 2011.

Размещено на Allbest.ru