СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ТОПОЧНОГО ГАЗА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОБОЛОЧКИ РИСОВЫХ ЗЕРЕН
METHOD OF APPLYING INDUSTRIAL FURNACE GAS FOR REMOVAL OF METAL IONS FROM HUSK OF RICE GRAINS

Область изобретения
Изобретение относится к утилизации оболочки рисовых зерен и, более конкретно, к способу удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен, используя промышленный топочный газ.
Предпосылки создания изобретения
Китай является ведущим производителем риса в мире. Площадь, на которой выращивается рис, составляла в 2008 году приблизительно 430 миллионов му (1 му=666 и 1/3 кв.м), и собранный урожай составил 189 млн тонн, что может дать почти 40 млн тонн оболочки рисовых зерен. Мировое производство оболочки рисовых зерен составляет 68 млн тонн в год. Оболочка рисовых зерен содержит воду, органическое вещество (лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозу), аморфный диоксид кремния и небольшое количество ионов металлов. Обычно оболочку рисовых зерен перемалывают для использования в качестве корма. С развитием науки и технологии оболочку рисовых зерен стали использовать для генерирования электроэнергии, производства масла и наноизделий, особенно для производства нанокремнезема.
Типичный способ производства кремнезема из оболочки рисовых зерен содержит этапы, на которых оболочку рисовых зерен вываривают в сильной кислоте (например, в соляной кислоте, серной кислоте, азотной кислоте и т.п.) и промывают в ультрачистой воде; прокаливают оболочку рисовых зерен для удаления большинства примесей; вымачивают в сильной кислоте и повторно промывают водой высокой степени очистки для дальнейшего снижения содержания примесей; сушат оболочку рисовых зерен, транспортируют на электростанцию, использующую в качестве топлива биомассу, для сжигания или подвергают химической термической декомпозиции для получения нанокремнезема.
Вышеописанный способ удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен требует применения сильных кислот. Сильные кислоты вредны для человеческого тела и загрязняют окружающую среду. Кроме того, сточные воды, образующиеся при обработке кислотой, нельзя сбрасывать непосредственно, что увеличивает расходы на их отвод.
Сущность изобретения
Ввиду вышеописанных проблем одной из целей настоящего изобретения является создание высокоэффективного, бережного к окружающей среде и экономичного способа удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен, используя промышленный топочный газ.
Для достижения этой цели согласно одному варианту настоящего изобретения предлагается способ удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен, используя промышленный топочный газ. Этот способ содержит следующие этапы, на которых: 1) обеспечивают реактор, заполненный водой, и помещают на дно реактора, заполненного водой, устройство для дисперсии газа; 2) засыпают оболочку рисовых зерен в мешки и укладывают в реактор, заполненный водой, и прессуют упакованную в мешки оболочку рисовых зерен так, чтобы она оказалась под поверхностью воды в реакторе, заполненном водой; 3) подают промышленный топочный газ в реактор, заполненный водой, через устройство для дисперсии газа; регулируют количество промышленного топочного газа так, чтобы количество диоксида углерода, растворенного в 100 г воды, составляло приблизительно 1 г, тем самым создавая раствор угольной кислоты; 4) дают раствору угольной кислоты вступить в реакцию с ионами металлов, присутствующими в оболочке рисовых зерен для получения осадка; 5) промывают оболочку рисовых зерен, собранную на этапе 4), вновь промывают обессоленной водой, и отжимают оболочку рисовых зерен, тем самым удаляя ионы металлов из оболочки рисовых зерен.
Предпочтительно, реактор, заполненный водой, имеет глубину от 6 до 10 м. Подходящая глубина реактора, заполненного водой, обеспечивает достаточное растворение в воде диоксида углерода, содержащегося в топочном газе, чтобы получить раствор угольной кислоты определенной концентрации.
Предпочтительно, устройство для дисперсии газа содержит газовый жиклер, выполненный с возможностью горизонтального или вертикального перемешивания воды для формирования вихрей, и через этот жиклер распыляется промышленный топочный газ. Вихри воды могут повысить степень дисперсии диоксида углерода в воде, тем самым способствуя формированию угольной кислоты. Газовых жиклеров может быть множество и они могут быть разнесены по кольцу так, чтобы распылять газ наружу по касательной.
Предпочтительно, газовый жиклер расположен по меньшей мере на 1,5 м над дном реактора, заполненного водой. Угольная кислота вступает в реакцию с оболочкой рисовых зерен и формирует осадок. Чтобы этот осадок не блокировал жиклер, газовый жиклер поднят по меньшей мере на 1,5 м над дном реактора, заполненного водой.
Предпочтительно, газовый жиклер имеет размер отверстия от 0,005 до 0,012 мм. Газовый аэрозоль, выходящий из жиклера, соответствует уравнению Лапласа, т.е. дополнительное давление на сферическую поверхность пропорционально коэффициенту поверхностного натяжения и обратно пропорционально радиусу сферы. При постоянном коэффициенте поверхностного натяжения, чем меньше радиус, тем больше дополнительное давление. Чем меньше газовый жиклер, тем меньше распыляемые пузырьки. Когда из газового жиклера распыляются мелкие пузырьки диоксида углерода, эти пузырьки расширяются, и поверхностное натяжение быстро уменьшается, пузырьки взрываются, тем самым увеличивая площадь контакта диоксида углерода с водой, что ускоряет формирование угольной кислоты.
Предпочтительно, устройство для дисперсии газа далее содержит множество микропористых аэраторов, и промышленный топочный газ распыляется из микропористых аэраторов. Микропористые аэраторы выполнены с возможностью улучшения растворения диоксида кислорода в воде.
Согласно настоящему изобретению также предлагается другой способ удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен, используя промышленный топочный газ. Этот способ содержит следующие этапы, на которых: 1) создают реакционный бак, содержащий распределитель газа, расположенный в его нижней части, и распределитель жидкости, расположенный в его верхней части, при этом распределитель газа содержит микропористые аэраторы, выпуск оборотной жидкости расположен на стенке реакционного бака под распределителем газа, выпуск газа расположен на вершине реакционного бака, и выпуск осадка расположен на дне реакционного газа; 2) заполняют реакционный бак оболочкой рисовых зерен и водой, закрывают выпуск газа и распыляют промышленный топочный газ через микропористые аэраторы распределителя газа; 3) дают диоксиду углерода из промышленного топочного газа раствориться в воде в количестве 4 г диоксида углерода на 100 г воды для получения раствора угольной кислоты; 4) дают раствору угольной кислоты вступить в реакцию с ионом металлов оболочки рисовых зерен для получения осадка; и 5) промывают оболочку рисовых зерен, собранную на этапе 4); вновь промывают обессоленной водой и отжимают оборочку рисовых зерен, тем самым удаляя ион металлов из оболочки рисовых зерен.
Принцип, на котором построен способ удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен, используя промышленный топочный газ, заключается в следующем. Диоксид углерода в промышленном топочном газе растворяют в воде для получения угольной кислоты, которая применяется для подкисления оболочки рисовых зерен, когда угольная кислота вступает в реакцию с ионами металлов, таких как алюминий, кальций, магний, железо, марганец, для получения соответствующих нерастворимых солей. Осадком является карбонат или оксид металла. Поэтому ионы металла оболочки рисовых зерен можно эффективно удалять. Диоксид углерода является неполярной молекулой, но растворим в сильном полярном растворителе и его растворимость связана с температурой, давлением и свойствами растворителя. При повышении температуры растворимость диоксида углерода снижается. При нормальных температуре и давлении объем диоксида углерода и объем воды в насыщенном водном растворе относятся почти как 1:1. Большая часть диоксида углерода слабо связана с молекулами воды для формирования молекул гидрата, и лишь небольшая часть диоксида углерода участвует в формировании угольной кислоты. Угольная кислота низкой концентрации не может обработать большое количество оболочки рисовых зерен. Когда давление диоксида углерода составляет менее 0,5 МПа, растворимость остается пропорциональна давлению; когда давление превышает 0,5 МПа, из-за формирования угольной кислоты, с ростом давления растворимость диоксида углерода быстро растет. Поэтому для повышения концентрации угольной кислоты в воде для удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен, ключевым элементом является повышение давления диоксида углерода.
Существует три способа улучшения равновесного давления диоксида углерода на поверхности жидкости. Первый способ заключается в использовании давления воды, второй - в установке устройства для дисперсии газа, а третий - в повышении давления газа на поверхности воды в замкнутом баке. Одним способом по настоящему изобретению является применение реактора, заполненного водой, в котором используется давление воды и применяется устройство для дисперсии газа для улучшения растворимости диоксида углерода в воде. Другой способ по настоящему изобретению основан на применении реакционного бака, в котором используется замкнутое пространство для повышения давления диоксида углерода на поверхности воды, тем самым облегчая растворение диоксида углерода в воде.
Способ по настоящему изобретению, связанный с применением реактора, заполненного водой, за один цикл может обрабатывать большое количество оболочек рисовых зерен, и применяемое оборудование является простым и легким в эксплуатации. Этот способ позволяет удалять ионы металлов и пыль из оболочек рисовых зерен, поэтому он особенно подходит для первичной грубой обработки.
Способ по настоящему изобретению, в котором применяется реакционный бак, позволяет управлять условиями, в которых проходит реакция, обеспечивает высокую растворимость диоксида углерода и обладает высоким кпд, что особенно важно для вторичной тонкой обработки.
По сравнению с обычными способами удаления ионов металлов с применением сильных кислот, настоящее изобретение обладает следующими преимуществами:
1. Угольная кислота имеет слабую кислотность и не является сильным загрязнителем окружающей среды. Диоксид углерода поступает из промышленного топочного газа, к которому относится топочный газ электростанций или выхлопной газ, и применяется для удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен, что сокращает расходы и предотвращает загрязнение окружающей среды. Электростанция, работающая на биомассе мощностью 12 МВт, в год производит 678 тысяч тонн промышленного топочного газа, в котором при содержании по меньшей мере приблизительно 10% содержится 67,8 тысяч тонн диоксида углерода. Полное использование этого диоксида углерода дает существенную экономическую выгоду.
2. Подкисление оболочки рисовых зерен дает осадок и раствор, содержащий растворимые вещества, такие как натрий, калий, азот, фосфор, сера. Этот раствор можно использовать как непосредственный питательный раствор для культивации растений. Осадок можно использовать как строительный материал или добавку, не являющуюся загрязнителем окружающей среды. Сильная кислота, применяемая в известных способах, загрязняет окружающую среду и стоимость ее утилизации очень высока.
3. После двойной промывки, отжима обессоленной воды и сушки, подкисленная оболочка рисовых зерен может непосредственно транспортироваться на электростанцию, работающую на биомассе для сжигания или для термической декомпозиции для получения нанокремнезема. Если оболочку рисовых зерен обработать сильной кислотой, потребуется высокотемпературное прокаливание с последующим вымачиванием в сильной кислоте и промывка водой с высокой степенью очистки с последующей сушкой, что является очень сложной технологией.
Таким образом, согласно настоящему изобретению промышленный топочный газ подают в воду, где диоксид углерода растворяется в воде для получения угольной кислоты. Угольная кислота вступает в реакцию с оболочкой рисовых зерен, замоченных в воде, за счет чего удаляются ионы металлов. После промывки и сушки обработанная оболочка рисовых зерен может транспортироваться непосредственно на электростанцию, работающую на биомассе, для сжигания или термической декомпозиции без необходимости в высокотемпературном прокаливании, для получения нанокремнезема. Способ позволяет повторно использовать топочный газ, сокращает выбросы в атмосферу, поэтому не вредит окружающей среде, сокращает загрязнение среды, имеет низкое потребление энергии и высокий кпд.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - сечение реактора, заполненного водой по варианту настоящего изобретения.
Фиг. 2 - вид сверху реактора по фиг. 1, и
Фиг. 3 - сечение реакционного бака по одному варианту настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов
Для дальнейшей иллюстрации изобретения ниже описаны эксперименты, детализирующие способ удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен с использованием промышленного топочного газа, как описано ниже. Следует отметить, что нижеприведенные примеры предназначены для описания, а не для ограничения настоящего изобретения.
Пример 1
Как показано на фиг. 1 и 2, способ удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен с использованием промышленного топочного газа, заключается в следующем:
1. Был создан заполненный водой реактор 1 глубиной 7 м и длиной и шириной, соответственно, 100 м. На дне заполненного водой реактора 1 было установлено 25 устройств 2 для дисперсии газа для подачи промышленного топочного газа. Устройства 2 для дисперсии газа содержали газовый жиклер (не показан на чертежах), выполненный с возможностью горизонтального или вертикального перемешивания воды для образования вихрей. Промышленный топочный газ распылялся через газовый жиклер. Газовый жиклер находился на высоте 1,5 м от дна реактора и имел размер поры 0,01 мм. Устройства 2 для дисперсии газа далее содержали множество микропористых аэраторов, и промышленный топочный газ распылялся через микропористые аэраторы.
2. Оболочка 5 рисовых зерен загружалась в мешки и помещалась в реактор 1, заполненный водой, и прессовалась с помощью трамбовки так, чтобы опуститься ниже уровня воды в заполненном водой реакторе.
3. Промышленный топочный газ от электростанции, работающей на биомассе, фильтровался с помощью собирающего пыль оборудования и направлялся в газовую магистраль 4, которая была соединена с устройствами для дисперсии газа. Промышленный топочный газ распылялся в воду на глубине 5,5 м через устройство 2 для дисперсии газа. В таких условиях растворенное количество диоксида углерода в воде увеличилось пятикратно по сравнению с обычными температурой и давлением, т.е. в 100 г воды был растворен 1 г диоксида углерода. Таким образом, была получена угольная кислота, которая могла подкислять оболочку 5 рисовых зерен. Ионы металлов, вступившие в реакцию с раствором угольной кислоты, дали осадок. Затем оболочку 5 промывали обессоленной водой и отжимали, тем самым удаляя из оболочкой 5 рисовых зерен ионы металлов.
Помимо осадка, подкисление оболочки 5 рисовых зерен также позволило получить раствор. Этот раствор содержал много азота, фосфора, калия, натрия и небольшое количество органических молекул. Осадком были в основном карбонаты и оксиды металлов, таких как алюминий, кальций, магний, железо и марганец. Нерастворимые вещества и пыль в промышленном топочном газе осаждались на дне реактора, заполненного водой. Период обработки оболочки рисовых зерен составлял 6 суток. Затем оболочку рисовых зерен дважды промывали, добавляли обессоленную воду и отжимали. После этих этапов было удалено от 60% до 75% ионов металлов. Для каждого цикла количество обрабатываемой оболочки рисовых зерен достигало приблизительно 2500 тонн.
Пример 2
Как показано на фиг. 3, способ удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен с использованием промышленного топочного газа состоял из следующих этапов.
3
Был создан реакционный бак 13 высотой 15 м и внутренней вместимостью 1000 м. Распределитель 7 газа, содержащий микропористые аэраторы, был установлен в нижней части реакционного бака 13. Выпуск 6 оборотной жидкости был расположен в стенке реакционного бака 13 под распределителем 7. Выпуск 10 газа был расположен на вершине реакционного бака 13, и на дно реакционного бака 13 был помещен конус для сбора осадка. На дне конуса был расположен выпуск 8 для осадка. В верхней части реакционного бака 13 расположены каплеотбойник 12 и распределитель 11 жидкости. Каплеотбойник 12 расположен выше распределителя 11 жидкости.
Сначала реакционный бак 13 заполняли оболочкой рисовых зерен и водой. Оболочка 5 рисовых зерен плавала на поверхности воды и находилась под распределителем 11 жидкости. Выпуск 10 газа был закрыт. Промышленный топочный газ распылялся через микропористые аэраторы распределителя 7 газа. В таких условиях давление промышленного топливного газа в реакционном баке 13 быстро росло. Количество растворившегося диоксида углерода в воде увеличилось в 30 раз по сравнению с нормальными температурой и давлением, т.е. составило 4 г диоксида углерода на 100 г воды. Таким образом был получен раствор угольной кислоты, который мог подкислять оболочку 5 рисовых зерен. Этот раствор угольной кислоты распылялся на оболочку 5 рисовых зерен через распределитель 11 жидкости так, чтобы ионы металлов в оболочке рисовых зерен вступили в реакцию с угольной кислотой и образовали осадок. Затем оболочку 5 рисовых зерен промывали обессоленной водой и отжимали, удаляя из нее ионы металлов.
После этих этапов 80% ионов металлов были удалены. Для каждого цикла количество обработанной оболочки рисовых зерен составило 100 тонн.
Если заполненный водой реактор 1 по Примеру 1 и реакционный бак по Примеру 2 использовать в комбинации, то есть заполненный водой реактор 1 применять для первичной обработки, а реакционный бак 3 использовать для вторичной обработки, и полученную оболочку рисовых зерен трижды промывать обессоленной водой и отжимать, то удаляются 90% ионов металлов.
Остатки металла в оболочке рисовых зерен после обработки способом по Примеру 1, Примеру 2 и их комбинацией приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Образец
Элементы
Компоненты (%)
SiO<sub>2</sub>
Al
Fe
Mn
Mg
Ca
Cu
Zn
Ti
K
Na
Про-чие
Содер-жание метал-лов
Сырая оболочка рисовых зерен
Содержание (% по весу)
80,5
3,80
0,44
0,2
2,71
3,56
0,027
0,003
0,31
2,8
1,53
4,12
15,38
Способ по Примеру 1
88,3
1,3
0,2
0,1
1,0
1,1
0,025
0,002
0,2
1,4
1
2,4
6,33
Способ по Примеру 2
94,7
0,7
0,18
0,06
0,5
0,6
0,015
0,001
0,15
0,5
0,6
2
3,30
Комбинированный способ
97,5
0,4
0,1
0,03
0,2
0,2
0,01
0
0,1
0,2
0,3
1
1,54
Как показано в вышеприведенной таблице, способ по настоящему изобретению демонстрирует такой же эффект удаления ионов металлов из оболочки рисовых зерен с использованием промышленного топочного газа, что и способ с применением сильной кислоты, и полученная оболочка рисовых зерен может полностью соответствовать требованиям для подготовки кремнезема для электростанций, работающих на биомассе.