Сотрудники Пермского национального исследовательского политехнического университета и Пермского государственного университета высоко оценили потенциал шелухи риса в качестве источника кремния. При этом энергию для его выделения из рисовой шелухи обеспечит ее же горение. Научная статья опубликована в журнале Resources.
Рис — одна из самых распространенных сельскохозяйственных культур в мире. Его зерна используют как основу для самых разнообразных блюд. Почти всегда их приготовление предполагает очистку от шелухи, поэтому, как правило, ее проводят еще в местах культивации этого растения. Рисовая шелуха плохо поддается утилизации, так как содержит много кремния, из-за чего горит с трудом. Соединения кремния, а также органические компоненты оболочек зерен риса, лигнин и целлюлоза, используются лишь немногими живыми организмами. Поэтому непереработанной рисовой шелухи с каждым годом становится все больше.
Содержание кремния в золе, получаемой при сгорании рисовой шелухи, составляет 15—20 процентов по массе. При этом он представлен в виде аморфного диоксида кремния. Из него можно получать стекло, а также цеолиты и другие адсорбирующие материалы. Объем ежегодно производимой шелухи от рисовых зерен может дать столько же аморфного диоксида кремния, сколько сейчас его добывают из неорганических источников.
Учитывая все это, пермские ученые протестировали один из способов утилизации таких отходов. Они использовали шелуху от краснодарского риса. Ее подвергли пиролизу — нагреванию до высоких температур при нехватке кислорода. Реакцию проводили в установке, которая одновременно с повышением температуры регистрировала вес реакционной смеси и количество выделяемой во время пиролиза энергии. Затем исследователи проанализировали состав газов, выделившихся в результате этого процесса, путем масс-спектрометрии и структуру получившейся золы — с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Выяснилось, что при пиролизе рисовой шелухи из нее сначала испаряется вода, а затем летучие органические вещества. В основном в ходе этого процесса образуются ацетон, уксусная кислота и фуран, но в малых количествах. Получившаяся зола состояла в основном из аморфного диоксида кремния. Содержание углерода в ней достигало 6,5 процента. В другом эксперименте шелуху сожгли в атмосфере с избытком кислорода. В данном случае углерода было существенно меньше — 0,2 процента по массе.
Золу от рисовой шелухи, полученную в различных по составу атмосферах, обработали щелочью — гидроксидом натрия с концентрацией 14,5 моль/л. Сначала эту смесь высушили при температуре 90 градусов по Цельсию, а затем обожгли при 780 градусах по Цельсию и после завершения процесса еще час держали при той же температуре. В результате получился ячеистый материал, по структуре и свойствам близкий к уже известным изолирующим материалам на основе диоксида кремния. Как выяснили исследователи, из одного килограмма рисовой шелухи можно получить 200 г аморфного диоксида кремния, а при сгорании такой ее массы выделяется 10,9 мегаджоуля энергии.
Подсчет тепла, выделившегося при пиролизе и горении рисовой шелухи, показал, что ее нерационально использовать как топливо на крупных предприятиях, но она подходит в качестве источника энергии для производства ячеистых структур из аморфного диоксида кремния. Таким образом, оболочки зерен риса могут давать энергию для их же полной утилизации. При этом не придется строить заводов по их переработке и производства полезных материалов из отходов культивирования риса вдали от регионов выращивания культуры (в случае России это Краснодарский и Алтайский края). Кроме ячеистых структур из аморфного диоксида кремния, пепел от сгорания рисовой шелухи может быть основой и для прочих соединений того же элемента.
О других потенциальных применениях рисовой шелухи можно прочесть в интервью «Чердака» с академиком Валентином Пармоном.