СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ ИЗ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ
METHOD OF PRODUCING AMORPHOUS SILICON DIOXIDE FROM RICE HUSKS

Изобретение относится к технологии переработки минерального сырья и может быть использовано для получения из рисовой шелухи аморфного диоксида кремния, который может найти применение в фармацевтике, пищевой и косметологической промышленности, в электронике, в оптической промышленности, при производстве высококачественной керамики, пластмасс, лакокрасочных и резинотехнических изделий, при этом рисовая шелуха как крупнотоннажные отходы рисового производства являются дешевым и естественно возобновляемым сырьем.
Известно несколько способов получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи, позволяющих получать конечный продукт различной степени чистоты. По патенту Индии №148538, опубликованному 28.03.1981 г., рисовую шелуху обрабатывают 0,3-6 - нормальным раствором неорганических кислот при 100°С в течение 0,2-12 часов, фильтруют, сушат и сжигают на воздухе при 750°С. В результате получают диоксид кремния с чистотой не выше 98%. По патенту ФРГ №2416291, кл. С04В, начиная с температуры 100°С, рисовую шелуху нагревают со скоростью 25 К/мин; в интервале температур 200-450°С нагрев производят в отсутствие воздуха, а в интервале 450-700°С - в присутствии воздуха или водяного пара. В результате получают аморфный диоксид кремния с чистотой не выше 98%. По патенту Великобритании №1508825, МКИ С01В 33/12 рекомендуется нагрев в диапазоне 200-250°С со скоростью 10-40 К/мин; окислительный обжиг ведут при температуре не выше 900°С. В результате получают диоксид кремния. По патенту Китая №86-104705, кл. С01В 33/113 температура окислительного обжига не должна превышать 600°С, что надежно обеспечивает получение аморфного диоксида кремния. По патентам Индии №159066, 159017, МКИ С01 В 33/12 температура окончания процесса окислительного обжига не должна превышать 700°С, а процесс ведут в присутствии пара. Получают аморфный диоксид кремния с чистотой не выше 99%. Известен способ получения высокочистого аморфного диоксида кремния по патенту РФ №2144498. Указанный способ включают рассев шелухи, промывку шелухи водой, кислотное травление, сушку в центрифуге и сушильной камере, предварительный обжиг при 350-400°С с одновременным размолом промежуточного продукта, окислительное сжигание при 700-800°С в токе воздуха и/или кислорода при постоянном перемешивании. По указанному способу получают порошок диоксида кремния в аморфной форме с размером частиц 2-20 мкм, с чистотой 99-99,99%. Использование минеральных кислот и чистого кислорода делает этот способ дорогим и небезопасным.
Таким образом, известные способы получения диоксида кремния из рисовой шелухи недостаточно рациональны и экологически небезопасны либо требуют сложных и дорогостоящих систем очистки.
2
Наиболее близким является способ, описанный в патенте РФ №2061656 С1 от 10.06.1996 г. Способ включает промывку шелухи водой, кислотное травление, промывку деионизированной водой, предварительный обжиг при 120-500°С, измельчение полученного промежуточного продукта и окислительное сжигание при 500-800°С в "кипящем слое". Получают аморфный диоксид кремния с размерами частиц 0,5-10 мкм (удельная поверхность 200-370 м/г) и содержанием основного вещества до 99,99%.
Недостатком этого способа является применение минеральных кислот, что делает способ экологически небезопасным в связи с кислотными отходами, а также низкие удельная поверхность и дисперсность получаемого диоксида кремния, которая ограничивает область его применения. Процесс сопровождается неконтролируемыми выбросами дыма.
Задачей изобретения является создание способа получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи в безотходном и экологически чистом процессе.
2
Технический результат изобретения заключается в экологически чистом получении из рисовой шелухи аморфного диоксида кремния с чистотой до 99,99%, удельной поверхностью до 420 м/г и размерами частиц 10-80 нм.
Указанный технический результат достигается способом получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи, включающим промывку рисовой шелухи деионизированной водой, обугливание, измельчение золы и окислительный обжиг, в котором, в отличие от известного, промывку осуществляют дважды в ультразвуковом поле в режиме кавитации с подогревом до 90°С, в течение 10 мин при частоте 20 кГц и 20 мин при частоте 35-60 кГц соответственно, а окислительный обжиг производят в реакторе, футерованном кварцевым стеклом, при постоянном перемешивании в токе очищенного воздуха и подъеме температуры не более 10°/мин.
2
В соответствии с предлагаемым способом промывку рисовой шелухи проводят в ультразвуковом поле последовательно дважды - в течение 10 мин при частоте 20 кГц и в течение 20 мин при частоте 35-60 кГц при температуре до 90°С. Параметры режима промывки оптимальны для достижения указанного технического результата и экономически целесообразны. Обугливание шелухи проводят при температуре 120-400°С с одновременной подачей воздуха и непрерывным перемешиванием шелухи при равномерном подъеме температуры в течении 60 мин. Добавляемый воздух предварительно очищают от примесей с помощью мембранных фильтров. Полученную золу измельчают до размера частиц 20-200 мкн и подвергают окислительному обжигу при температуре 500-700°С в течение 80 мин, получая диоксид кремния с чистотой до 99, 99% с удельной поверхностью до 420 м/г. При этом окислительный обжиг ведут при постоянном перемешивании в токе очищенного воздуха, что позволяет избежать загрязнения получаемого продукта, а подъем температуры не должен превышать 10°С/мин, что позволяет оптимизировать процесс обжига. Полученный диоксид кремния сепарируют по фракциям. Крупную фракцию перемалывают на мельницах до размера 10-80 нм.
2
Пример 1. Навеску рисовой шелухи массой в 1 кг промывают деионизированной водой и сушат при комнатной температуре. Далее помещают рисовую шелуху в печь и осуществляют обугливание при температуре 120-400°С. Полученную золу размалывают в лабораторной мельнице и помещают в печь из! жаропрочной нержавеющей стали для окислительного обжига при температуре 500-700°С. Выход конечного продукта 180 г, что составляет 18% от массы исходной рисовой шелухи. Чистота аморфного диоксида кремния 95,2%, удельная поверхность 200 м/г, размер частиц 50-100 нм, цвет темно-серый.
2
Пример 2. Процесс осуществляют аналогично примеру 1, за исключением того, что рисовую шелуху промывают дважды в ультразвуковом поле в режиме кавитации с подогревом до 90°С в течение 10 мин при частоте 20 кГц и 20 мин при частоте 35-60 кГц соответственно. Выход конечного продукта 150 г, что составляет 15% от массы исходной рисовой шелухи. Чистота аморфного диоксида кремния 99,2%, удельная поверхность 320 м/г, размер частиц 50-100 нм, цвет кремовый.
2
Пример 3. Процесс осуществляют аналогично примеру 2, за исключением того, что окислительный обжиг ведут в реакторе, футерованном кварцевым стеклом, при постоянном перемешивании в токе очищенного воздуха и подъеме температуры не более 10°С/мин. Выход конечного продукта 140 г, что составляет 14% от массы исходной рисовой шелухи. Чистота аморфного диоксида кремния 99,99%, удельная поверхность 420 м/г, размер частиц 10-80 нм, цвет белый.
2
Пример 4. Процесс осуществляют аналогично примеру 3, за исключением того, что окислительный обжиг ведут в токе неочищенного исходной рисовой шелухи. Чистота аморфного диоксида кремния 99,5%, удельная поверхность 370 м/г, размер частиц 20-90 нм, цвет белый.
2
Пример 5. Процесс осуществляют аналогично примеру 3, за исключением того, что окислительный обжиг ведут при подъеме температуры более 10°С/мин. Выход конечного продукта 150 г, что составляет 15% от массы исходной рисовой шелухи. Чистота аморфного диоксида кремния 99,9%, удельная поверхность 370 м/г, размер частиц 40-100 нм, цвет белый. Рентгеноструктурный анализ показал наличие примеси кристаллического диоксида кремния в количестве до 20%.
2
Таким образом, предлагаемый способ по примеру 3 позволяет получить диоксид кремния с наибольшей чистотой - до 99,99%, удельной поверхностью до 420 м/г и размерами частиц 10-80 нм.