ОПТИМИЗАЦИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ SIO₂ ИЗ ЗОЛЫ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследования извлечения диоксида кремния из золы рисовой шелухи после процесса кальцинации с последующей кислотной обработкой. Для деминерализации использовались растворы соляной кислоты концентрацией 0,5; 1,0 и 1,5%. Установлено, что степень очистки существенно зависит как от дисперсности исходного сырья, так и от концентрации кислоты. Максимальное содержание диоксида кремния (99,7%) достигнуто для фракции 2,4 мм. Показано, что повышение концентрации HCl до 1,0% приводит к эффективному удалению сопутствующих оксидов (Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃), тогда как дальнейшее увеличение концентрации до 1,5% не даёт статистически значимого прироста чистоты. Оптимальными условиями признаны дисперсность 2,4 мм и концентрация HCl 1,0%.

ABSTRACT

The article presents the results of a study on the extraction of silicon dioxide from rice husk ash after calcination followed by acid treatment. Hydrochloric acid solutions with concentrations of 0.5, 1.0, and 1.5% were used for demineralization. It was established that the degree of purification depends significantly on both the particle size of the raw material and the acid concentration. The maximum silicon dioxide content (99.7%) was achieved for the 2.4 mm fraction. It was shown that increasing the HCl concentration to 1.0% ensures the effective removal of accompanying oxides (Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃), whereas a further increase to 1.5% does not provide a statistically significant improvement in purity. The optimal conditions were determined to be a particle size of 2.4 mm and an HCl concentration of 1.0%.

Ключевые слова: зола рисовой шелухи, диоксид кремния, кислотное выщелачивание, дисперсность, деминерализация.

Keywords: rice husk ash, silicon dioxide, acid leaching, particle size, dispersity, demineralization.

Введение

Интенсивное развитие промышленности и химических технологий обусловливает устойчивый рост спроса на функциональные сорбционные материалы. В особенности, материалы, обладающие высокой удельной поверхностной активностью, развитой пористой структурой и химической стабильностью, имеют важное значение в процессах экологической очистки, адсорбции, катализа и разделения.

К сырьевым источникам, пригодным в качестве высококремнистого сырья, относятся каолинит, минеральные соединения, различные кремнезёмсодержащие пески, а также растительное сырьё, в том числе рисовая шелуха и ряд других растений. Кроме того, оксид кремния является одним из ключевых материалов в области электроники, выступая в качестве одного из основных полупроводниковых материалов. Одними из наиболее важных направлений применения диоксида кремния являются микроэлектроника — производство процессоров и навигационных систем, интернет- и цифровое телевидение, мобильные телефоны и другие устройства; в электротехнической сфере — ванны, управляемые тиристоры, высокомощные транзисторы и устройства для солнечной энергетики. Наряду с этим, в условиях современного стремительного развития IT-технологий диоксид кремния также имеет важное значение как материал для детекторов ионизирующего излучения [1-4].

Помимо этого, диоксид кремния является важным сырьём, широко применяемым в различных направлениях химической технологии и химической промышленности. Это свидетельствует о том, что задача получения высокочистого диоксида кремния приобретает особую актуальность.

На современном этапе развития промышленности наблюдается устойчивый рост потребности в сорбентах различного назначения. Это требует переработки неосвоенных отходов агропромышленного комплекса, в частности растительного сырья. Одним из перспективных направлений является получение адсорбентов с высокими сорбционными свойствами из рисовой шелухи [5–8].

Цель исследования заключается в получении высокочистого кремнезёма путём кислотной обработки диоксида кремния, выделенного из рисовой шелухи, с учётом различной дисперсности сырья и применения кислот различных концентраций.

Материалы и методы

Для проведения работы использовались реактивы, отобранные согласно по ГОСТу 3118‑77: соляная кислота, Технические условия (с изменениями №1), ОКП 26 1234, 0010 07, 1/1/1979. В качестве исходного сырья в исследовании был выбран рисовая шелуха, выращенная в МФЙ «Калайчорбог», Гурланский район, Хорезмская область, Республика Узбекистан.

Кальцинация рисовой шелухи проводилась в лабораторной муфельной печи при температуре 650 ± 20 °С в течение 2 часов в воздушной атмосфере. Скорость нагрева составляла 10 °С/мин. После охлаждения зола измельчалась и разделялась по фракциям методом ситового анализа.

Кислотная обработка осуществлялась в стеклянном реакторе с обратным холодильником при температуре 80 °С. Соотношение твёрдой и жидкой фаз составляло 1:10. Продолжительность выщелачивания — 60 минут при постоянном перемешивании. Использовались растворы HCl концентрацией 0,5; 1,0 и 1,5%. После обработки образцы фильтровались, промывались дистиллированной водой до нейтральной реакции среды и высушивались при 105 °С.

Минералогический состав определялся методом рентгенофазового анализа (XRD).

Результаты и обсуждение

Образцы золы рисовой шелухи с различной дисперсностью после процесса кальцинации были обработаны растворами соляной кислоты с концентрациями 0,5%, 1,0% и 1,5%; полученные количества SiO₂ представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Изменение содержания SiO₂ при кислотной обработке при различных концентрациях кислоты

Основной целью исследования являлось определение влияния дисперсности и концентрации кислотной обработки на степень чистоты диоксида кремния, а также установление оптимальных технологических условий.

Для селективного удаления минеральных примесей, содержащихся в золе после кальцинации (Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃ и др.), был применён метод кислотной обработки. Наряду с этим отдельно изучалось влияние размера частиц на минералогический состав и реакционную способность материала. В процессе кальцинации вследствие выгорания органических компонентов происходит относительное концентрирование минеральной части. В составе образующейся золы наряду с аморфным диоксидом кремния присутствуют алюмосиликатные, кальциевые и железосодержащие фазы. С целью селективного удаления данных сопутствующих фаз был использован метод кислотного выщелачивания.

Приведённые в таблице значения рассчитаны на основе результатов рентгенофазового анализа, что позволяет выявить взаимосвязь между дисперсностью и концентрацией кислоты.

Анализ результатов (табл. 1) показывает, что влияние концентрации кислоты носит нелинейный характер. При увеличении концентрации HCl с 0,5% до 1,0% наблюдается систематический рост содержания диоксида кремния во всех фракциях, что свидетельствует об интенсификации процесса деминерализации. Однако дальнейшее повышение концентрации до 1,5% не приводит к значительному увеличению чистоты, что указывает на достижение предела растворимости сопутствующих минеральных фаз.

Наиболее выраженный эффект селективного обогащения кремниевой фазы наблюдается в интервале дисперсности 2,0–3,0 мм, где максимальное значение 99,7% зафиксировано для фракции 2,4 мм. Это может быть связано с оптимальным соотношением удельной поверхности и внутренней диффузии кислоты. В более мелких фракциях возможна частичная агломерация частиц, тогда как в крупных фракциях ограничивается проникновение кислоты во внутренние зоны частиц.

Таким образом, дисперсность 2,4 мм обеспечивает наиболее эффективное селективное удаление алюмосиликатных и железосодержащих примесей. Оптимальной следует считать концентрацию 1,0% HCl, поскольку дальнейшее увеличение концентрации не приводит к статистически значимому повышению чистоты, но увеличивает расход реагента

Рисунок 1. Влияние концентрации хлороводородной кислоты на содержание SiO₂ в зависимости от дисперсности

На приведённом рисунке 1 показано влияние концентрации HCl (0,5–1,5%) на содержание SiO₂ в образцах золы рисовой шелухи с различной дисперсностью (0,075–4,5 мм). Из графика видно, что при увеличении концентрации HCl с 0,5% до 1,0% содержание SiO₂ заметно возрастает во всех дисперсиях. Это объясняется эффективным растворением алюмосиликатных, кальциевых и железосодержащих минеральных фаз в процессе кислотной обработки.При дальнейшем увеличении концентрации кислоты с 1,0% до 1,5% рост содержания SiO₂ практически стабилизируется, то есть наблюдается плато. Это указывает на то, что концентрации 1,0% HCl достаточно для проведения деминерализации. Наибольшая чистота SiO₂ была достигнута в фракции 2,4 мм, примерно 99,7%, что подтверждает селективное минералогическое обогащение этой фракции и её оптимальность. Анализ результатов показал, что во всех концентрациях наибольшее содержание SiO₂ наблюдалось в фракции 2,4 мм: 0,5% HCl → 99,2%; 1,0% HCl → 99,7%; 1,5% HCl → 99,7%. Этот результат подтверждает механизм селективного минералогического обогащения, связанный с дисперсностью. В выбранной оптимальной фракции 2,4 мм доля алюмосиликатных фаз минимальна, соединения кальция и железа снижены, а кремниевые фитолиты преобладают. Таким образом, дополнительные фазы легко растворяются в процессе кислотной обработки, обеспечивая получение чистого SiO₂.

Заключение

Анализ полученных данных показал, что содержание SiO₂ зависит не только от концентрации кислоты, но и существенно от дисперсности частиц. Это свидетельствует о наличии минералогического селективного эффекта и возможности обогащения кремниевой фазы в определённом диапазоне дисперсности.

С теоретической точки зрения, в процессе кислотной обработки HCl растворяет оксиды алюминия, кальция и железа, тогда как SiO₂ остаётся устойчивым в кислотной среде. Поэтому увеличение доли SiO₂ связано с уменьшением содержания дополнительных минеральных фаз. Полученные результаты указывают на то, что чистота SiO₂ при кислотной обработке рисовой шелухи после кальцинации определяется двумя основными факторами: дисперсностью частиц и концентрацией соляной кислоты.

Список литературы:

1. Назарова Ю.П., Захаров А.И. Пигмент на основе золы рисовой шелухи. Успехи в химии и химической технологии. ТОМ ХХХИИ. 2018. № 2. С. 25-28.
2. Ташполотов И., Масаитов И.И., Омурбекова Г.К. Способ получения высокочистого кремния из отходов рисового производства (рисовой шелухи): Пат. РК, МПК C01B 33/02, УДК 4882034.26.
3. Аскарулы К., Азат С., Елеуов М., Керимкулова А.Р., Жантикеев У.Н., Бердиханов А.Е. Получение оксида кремния из рисовой шелухи методом термической обработки // Горение и плазмохимия. — 2019. — Т. 17. — С. 183–188.
4. Бебрис Н.К., Никитин Ю.С., Рудакова Н.М., Хохлова Т.Д. Высокопористые кремнезёмы – носители витамина Е //Вестник Московского Университета. Серия 2. Химия. 2010. Т. 45. № 6. С. 382-385.
5. Жданов С.П. Пористые стекла – кремнезёмные адсорбенты с тонкорегулируемыми параметрами их структуры //Журнал Всесоюзного Химического общества им. Д.И. Менделеева. 1989. № 3. С. 298-307.
6. Tsai W.T., Hsien K.J., Yang J.M. Silica adsorbent prepared from spent diatomaceous earth and its application to removal of dye from aqueous solution // Journal of Colloid and Interface Science. 2004. V. 275. № 2. P. 428-433.
7. Потапов В.В., Сердан А.А., Гусева О.В. Утилизация кремнезёма, осажденного из гидротермального теплоносителя, в качестве сорбента для очистки воды от нефтепродуктов // Химическая технология. 2004. № 10. С. 2-5.
8. Земнухова Л.А., Сергиенко В.И., Каган В.С., Федорищева Г.А. Способ получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи: Пат. 2061656 Рос. Федерация, МПК C01B 33/12. — № 94031518/26; заявл. 29.08.1994; опубл. 10.06.1996, Бюл. № 16.