The preparation of amorphous silica nanoparticles from rice husk by cavitation treatmentwas investigated. Size, shape and specific surface area of the particles were studied by TEM analysis.
Keywords: Rice husks, pyrolysis, cavitation, nanoparticles, silicondioxide.
В последние годы повысился интерес к получению наноструктурных кремнийсодержащих материалов в связи с перспективами их широкого практического использования [1]. Возобновляемым сырьевым источником для получения нанопорошка кремния являются отходы производства риса — рисовая шелуха (РШ), состоящая из целлюлозы, лигнина и диоксида кремния.
РШ содержит 90–98 % диоксида кремния, но почти не содержит тяжелые металлы, что очень важно при создании медицинских препаратов.
В Кыргызской Республике каждый год накапливается 60–70 тыс. т. отходов производства риса в виде РШ и соломы. До сих пор в республике не налажена переработка этих отходов. Отходы рисового производства Ошской и Баткенской областей содержат около 40 % диоксида кремния [2].
Аморфный диоксид кремния применяется в фармацевтике, парфюмерии, бытовой химии, для синтеза других соединений кремния [3]. Аморфный диоксид кремния из рисовой шелухи служит исходным материалом для получения кремния высокой чистоты, применяемого в солнечных элементах в виде тонких пленок нанокристаллического кремния. Использование нанокристаллического кремния в солнечной энергетике позволит экономию массивного кремния на несколько порядков. Кроме того, наноструктурный кремний — источник активного кислорода, позволяющего применять нанокремний для создания мазей, гелей, перевязочных материалов для лечения кожных заболеваний, обширных ожогов. Из сказанного выше получение нанокремния из дешевых отходов производства риса — актуальное направление.
Методы получения наноматериалов с использованием механического воздействия на твердое тело в настоящее время разрабатываются очень активно. К таким способам наноструктурирования относятся кавитационно-гидродинамическая, вибрационная, ударно-волновая, ультразвуковая и детонационная обработка вещества.
Нами предлагается кавитационная технология наноструктурирования РШ, которая является комбинацией механохимического синтеза, ударно-волнового воздействия, высокотемпературного синтеза с мгновенной закалкой целевых продуктов. Преимуществами предлагаемого способа можно считать простоту реализации, энергоэффективность, экобезопасность и др.
Рисовую шелуху подвергали кавитационной обработке при давлении 2500 атм., в течение 1 часа в дистиллированной воде в роторном кавитационном диспергаторе (3000 об/мин.). Обработанную таким образом РШ отфильтровывали, просушивали при комнатной температуре.
Высушенные продукты кавитации подвергались пиролизу без доступа кислорода при 350–4500 С, в течение 40–90 мин, при этом газы и жидкие смолообразующие вещества испарялись. На данной стадии переработки РШ получен высокодисперсный кремнеуглерод, который может быть использован в качестве сорбента тяжелых металлов и нефтепродуктов при очистке воды. При дальнейшем обжиге полученного кремнеуглерода при 600–6500 С в течение 30–40 мин образуется аморфный высокодисперсный кремнезем (табл.1).
Таблица 1
Результаты исследований по получению аморфного диоксида кремния
|
№ |
Температура пиролиза, 0С |
Температура обжига после пиролиза, 0С |
Выход аморфного SiO2 после пиролиза,% |
|
1 |
350 |
5800 |
93,74 |
|
2 |
450 |
5800 |
95,6 |
|
3 |
400 |
6000 |
98, 86 |
|
4 |
400 |
6500 |
98,90 |
|
5 |
450 |
6000 |
98, 6 |
Полученный продукт был подвергнут анализу на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) марки JEOLJEM — 2000 FX (Япония).
Для ПЭМ анализа было взято небольшое количество порошка кремнезема, затем его диспергировали ультразвуком в течение 5 минут в этаноле. 2–3 капли полученной суспензии помещались на медную микросетку, покрытую углеродом. Микросетку с образцом сушили при температуре 110° С в течение 1 ч., затем выдерживали в эксикаторе в течение ночи.
Рис. 1. ПЭМ снимок (а), гистограмма (б) и результаты элементного анализа (в) наночастиц аморфного диоксида кремния из кавитационно- активированной РШ
По данным ПЭМ наночастицы диоксида кремния из РШ имеют сферическую форму (рис. 1а), размер наночастиц 7- 62 нм, средний размер наночастиц из данных гистограммы — 12 нм (рис. 1б). Элементный анализ показал присутствие двух элементов кремния и кислорода (рис. 1в), из этого можно сделать вывод, что был получен чистый диоксид кремния.
Из данных ПЭМ удельная поверхность рассчитана по формуле
Sa = 6/ dp ·1000,
Где d- размер частиц, p- плотность диоксида кремния.
Полученные нами данные (размер частиц, удельная поверхность, структура) наночастиц диоксида кремния были сравнены данными диоксида кремния полученные другими методами [4–7](табл. 2).
Таблица 2
Характеристики наночастиц аморфного диоксида кремния, полученных разными методами
|
Сырье |
Методы получения |
Размер частиц |
Удельная поверхность м2/г |
Структура |
Литература |
|
Кварцевый песок |
Фторирование кварцевых песков |
17–89 нм |
92–508 |
аморфный |
4 |
|
Природные гидротермальные растворы |
Золь-гель |
10–100 нм |
До 500 |
аморфный |
5 |
|
Рисовая шелуха |
Сжигание в динамическом турбулентном воздушном потоке |
20–100 нм |
- |
аморфный |
6 |
|
Рисовая шелуха |
Обработка 20–60 % раствором гидроксида натрия, с последующим осаждением минеральной кислотой |
0,1мкм |
- |
аморфный |
7 |
|
Рисовая шелуха |
Кавитационная обработка |
7–62 нм |
93–428 |
аморфный |
Данная работа |
Таким образом, кавитационной активацией РШ удается получить более дисперсный аморфный диоксид кремния. Полученный нанопорошок диоксида кремния из рисовой шелухи может найти применение в производстве гелей, суспензий, мазей, перевязочных материалов для наномедицины. Наноструктурный кремнезем может быть использован для создания теплоизоляционных материалов с новыми улучшенными свойствами.
Литература:
- Ефремова С. В., Королев Ю. М., Сухарников Ю. И. Рентгенографическая характеристика кремнеуглеродных нанокомпозитов из рисовой шелухи и ее производных. Химическая технология. 2008, том 419, № 1,-C.77–80.
- Бекболоткызы Б., Мурзубраимов Б. М. Продукты пиролиза рисовой шелухи. Известия НАН КР, — 2010. № 3.-С.125–128.
- 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. ЖПХ. — 2005. — Т.78. — № 2. — С. 324–328.
- Римкевич И. С., Пушкин А. А., Гиренко И. В. Синтез и свойства наночастиц аморфного SiO2. Неорганические материалы, 2012, том 48, № 4, — C.423–428.
- Потапов В., Мурадов С., Сивашенко В. Нанодисперсный диоксид кремния: применение в медицине и ветеринарии. Наноиндустрия. № 3. 33. 2012, -C. 32–36.
- Патент RU № 2191159. от 20.10.2002 г
- ПатентRU (11)2394764. от 20.07.2010г.
