Наночастицы аморфного диоксида кремния

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.

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

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

S_a = 6/ dp ·1000,

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

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:

1. 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.
2. Бекболоткызы Б., Мурзубраимов Б. М. Продукты пиролиза рисовой шелухи. Известия НАН КР, — 2010. № 3.-С.125–128.
3. 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.
4. Римкевич И. С., Пушкин А. А., Гиренко И. В. Синтез и свойства наночастиц аморфного SiO_2. Неорганические материалы, 2012, том 48, № 4, — C.423–428.
5. Потапов В., Мурадов С., Сивашенко В. Нанодисперсный диоксид кремния: применение в медицине и ветеринарии. Наноиндустрия. № 3. 33. 2012, -C. 32–36.
6. Патент RU № 2191159. от 20.10.2002 г
7. ПатентRU (11)2394764. от 20.07.2010г.