РХТУ им. Д. И. Менделеева ( доцент)
Россия
В настоящем исследовании методами физико-химического анализа изучена структура «зеленого» диоксида кремния, изготовленного из рисовой шелухи. Методом рентгеновской дифракции установлено, что образцы порошков «зеленого» диоксида кремния являются полностью аморфными, причём наблюдающееся аморфное гало состоит из двух компонент. Методом растровой электронной микроскопии обнаружено, что наночастицы «зеленого» SiO2 могут образовывать агломераты и микроструктуры размерами от 0.1 до 500 мкм, которые содержат многочисленные поры, наличие которых подтверждено сорбционными измерениями. Методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой установлено наличие примесей алюминия, титана и никеля в порошках «зеленого» SiO2. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии обнаружено значительное содержание атомов фтора в составе «зеленого» диоксида кремния (до 5% (ат.)), которые могли быть введены в SiO2 в процессе его получения.При этом было установлено, что фтор взаимодействует с «зеленым» диоксидом кремния по двум механизмам, что приводит к появлению двух фаз в составе фторированных порошков «зеленого» SiO2.
«зеленый» диоксид кремния, отходы риса, фтор, фаза, структура.
1. Введение
Производство риса сопровождается возникновением большого количества отходов (до 30% от сухого рисового зерна), включающих солому, цветковую чешую (лузга, шелуха) и отруби (мучка), которые образуются после извлечения зерен риса на предприятиях пищевой промышленности [1]. Известные способы утилизации отходов риса [2–4] путем измельчения и рассеивания на поле в качестве удобрения или сжиганием не являются эффективными из-за возможности загрязнения окружающей среды и/или загрязнения воздуха углекислым газом. Биодеградация отходов риса путем воздействия микроорганизмов занимает продолжительное время и не позволяет быстро переработать большие объемы отходов рисового производства [1]. Как известно [1–4], в соломе и шелухе риса содержание минеральных компонентов достигает 10–20%, среди них основную долю (80–95%) составляет диоксид кремния. Очищенный диоксид кремния из рисовой шелухи или соломы может быть получен посредством пиролиза отходов на воздухе, за которым следует экстракция в щелочных или кислотных растворах [2–4]. Конкурентным преимуществом диоксида кремния, извлекаемого из отходов риса (далее — «зеленого» диоксида кремния или g-SiO2), является его относительно низкая цена по сравнению со стоимостью диоксида кремния, полученного из других источников [2–4]. Очевидно, химический состав рисовой соломы или шелухи во многом определяется климатическими условиями и качеством почв, где произрастает растение [5]. На состав «зеленого» диоксида кремния также влияют особенности применяемой технологии глубокой переработки отходов риса. Поэтому эффективное использование «зеленого» диоксида кремния может осуществляться в разных направлениях, что предполагает предварительное изучение структуры и свойств вновь полученного материала. Цель настоящего исследования состояла в изучении элементного состава и структуры порошкообразного «зеленого» диоксида кремния, произведенного WATERS MOOTH LTD, Company (Shenzhen, People’s Republic of China).
2. Экспериментальная часть
Исследовали порошки g-SiO2 производства WATER SMOOTH LTD, Company (Shenzhen, People’s Republic of China) без предварительной обработки. Размер и форму наночастиц, агломератов, нано-/микроструктур g-SiO2 определяли путем анализа электронно-микроскопических изображений, полученных с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) Versa 3D™ DualBeam™. Наличие кристаллической и аморфной фазы определяли методом рентгеновской дифракции (РД) с применением дифрактометра ДРОН‑3М, оборудованного медным анодом (длина волны характеристического излучения λCu = 1,5406 Å).
1. Козьмина Е. П. Рис и его качество. M., Колос, 1966, 159 c.
2. Covindarao Venneti M. H. Utilization of rice hack a preliminary analysis. Journal of Scientific and Industrial Research, 1980, V. 39, № 9, pp. 495–515.
3. Сергиенко В. И., Земнухова Л. А., Егоров А. Г. и др. Возобновляемые источники химического сырья: комплексная переработка отходов риса и гречихи. Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева), 2004, Т. 48, № 3. С. 116–124.
4. Ефремова С. В. Рисовая шелуха как возобновляемое сырье и пути ее переработки // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева), 2011, Т. 55, № 1. С. 57–62.
5. Geetha D., Ananthiand A., Ramesh P. S. Preparation and Characterization of Silica Material from Rice Husk Ash — An Economically Viable Method. Research & Reviews: Journal of Pure and Applied Physics, 2016, V. 4, № 3, pp. 20–26.
6. Puziy A. M., Poddubnaya O. I., Gawdzik B. et al. Comparison of heterogeneous pore models QSDFT and 2D-NLDFT and computer programs ASiQwin and SAIEUS for calculation of pore size distributionюAdsorption, 2016, V. 22, № 4–6, pp. 459–464. https://doi.org/10.1007/s10450–015–9704–6
7. Васильев Д. М. Дифракционные методы исследования структур. М.: Металлургия, 1977, 248 с.
8. Langford J. I., Wilson A. J.C. Scherrer after sixty years: A survey and some new results in the determination of crystallite size. Journal Applied Crystals, 1978, V.11, pp. 102–113.
9. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984, 306 с.
10. Wu M. K. The Roughness of Aerosol Particles: Surface Fractal Dimension Measured Using Nitrogen Adsorption. Aerosol Science and Technology, 1996, V. 25,№ 4, pp. 392–398 DOI: 10.1080/02786829608965404
11. Варгафтик М. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972, 720 с.
12. Гуськова О. П., Воротынцев В. М., Фаддеев М. А. и др. Расчеты электронной структуры диоксида кремния, модифицированного фтором // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского, 2013, № 1 (1), С. 43–47.
13. Князев В. К., Сидоров Н. А., Курбаков В. Г. и др. Радиационная стойкость материалов радиотехнических конструкций. Справочник / под ред. Н. А. Сидорова, В. К. Князева, М.: Советское радио, 1976, 568 с.
