+7 (342) 299 99 69

пн-пт с 900 до 1800

logotype
ГлавнаяО ТБОЛитератураПроблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производстваОб использовании кремнеуглеродного продукта переработки рисовой шелухи в производстве композитов, машиностроении и металлургии

Об использовании кремнеуглеродного продукта переработки рисовой шелухи в производстве композитов, машиностроении и металлургии

Введение. Рисовая шелуха представляет собой многотоннажный отход рисопере-работки. На ее долю приходится в среднем порядка 20% от массы нешелушенного риса.

Ежегодно в мире образуется порядка 200 млн тонн рисовой шелухи, которая из-за наличия диоксида кремния не подвергается гниению. Требуются огромные площади земельных угодий для ее захоронения. В связи с этим утилизация рисовой шелухи стала жизненно важной задачей для всех стран мира, которые занимаются возделыванием и переработкой риса и число которых превышает 100 (основные производители: Китай (33% мирового урожая) и Индия (22% мирового урожая); крупные производители: США, Пакистан, Южная Корея, Египет, Камбоджа, страны Африки и Южной Америки; в странах бывшего СССР основными производителями являются Россия, Узбекистан, Казахстан [1].

Предложенные способы использования рисовой шелухи, освещенные в отдельных работах и обстоятельных обзорах [2, 3], достаточно разнообразны, хотя по ряду причин экономического, социального и экологического характера нет промышленных производств на основе предложенных технологий. В числе основных причин, тормозящих внедрение разработанных технологий в промышленность, можно назвать то, что в основном все они предусматривают схему получения только одного продукта (или неорганического, или органического). А это не всегда оправдывается экономически, встречает ряд возражений с экологической точки зрения и т.д.

Разработаны технологии термической переработки рисовой шелухи на специально созданной для этого опытной установке. Она позволяет перерабатывать 300 кг/сутки рисовой шелухи и получать в одном технологическом цикле несколько товарных продуктов [3]. Данная технология характеризуется высокой экономической эффективностью (срок окупаемости до двух лет после выхода производства на проектную мощность) благодаря комплексности переработки, что также делает ее выигрышной с экологической точки зрения.

Настоящая работа посвящена результатам апробации твердого продукта кремне-углерода в производстве композиционных материалов, машиностроении и металлургии [4].

Материалы и методы исследования. Объектом исследования явился кремнеуг-леродный продукт переработки рисовой шелухи Кызылординской области.

Результаты и их обсуждение. Изучение кремнеуглерода с применением стандартных методов, используемых для исследования макро- и микроструктуры, показало, что по фазовому составу и параметрам графитоподобной компоненты он аналогичен промышленным сажам, но характеризуется большим содержанием углеводородных фаз и меньшей степенью упорядоченности собственно углеродной структуры [5].

Функции наполнителя в резиновых смесях наряду со структурой обусловливаются его физико-химическими характеристиками. Последние для кремнеуглерода из рисовой шелухи (КУРШ), полученного при термической обработке в печи сопротивления в атмосфере отходящих парогазов при температуре 650°С в течение 30 мин без измельчения, изучали в сравнении со свойствами классических наполнителей.

По йодному числу (40-50 г/кг), выступающему в качестве показателя общей удельной поверхности, КУРШ соответствует техническому углероду со средней степенью дисперсности, например, среднеактивному П 514 (43 г/кг). По величине абсорбции дибутилфталата (100-110 см3/100 г), характеризующей структурность, изучаемый материал преобладает над сажами, такими как П 245 (103+5 см /100 г), П 514 (101+4 см /100 г) со средней величиной этого показателя, а подобно П 705 (110+5 см /100 г) отвечает маркам с высоким уровнем структурности. Показатель pH показывает, что КУРШ, подобно большинству печных саж (П 245 - 6,5-8,5; П 514 - 6-8; П 705 - 7,5-9,5; П 803 - 7,0-9,0), проявляет слабощелочной характер, и при изготовлении резиновых изделий его можно использовать с ускорителями вулканизации щелочного характера.

Новый наполнитель испытывали в качестве заменителя разных марок техуглеро-да и белой сажи БС-120 при получении шинных резин и резинотехнических изделий. Испытания проводили в ТОО «Резина» (г. Иссык). В процессе замеса резиновых смесей по общепринятой технологии было установлено, что КУРШ легко диспергируется в матрице каучука.

Его применение при получении шинных резин в случае как частичной (50%), так и полной (100%) замены среднеактивного технического углерода П 514 и белой сажи БС-120 способствует повышению адгезионных и прочностных свойств, твердости и прочности связи с металлическим корпусом. В то же время обращает внимание, что замена (62,5%) малоактивного техуглерода П 803 кремнеуглеродом из рисовой шелухи при производстве резинотехнических изделий приводит к чрезмерному упрочнению резины. Очевидно, КУРШ по действию, оказываемому на каучуки, аналогичен достаточно активным маркам промышленного технического углерода [6-9].

Повышенное усиление эластомеров кремнеуглеродным нанокомпозитом обеспечивается тем, что углерод в нем играет роль своеобразного модификатора поверхности диоксида кремния, т.к. создает монослой, совместимый с неполярным каучуком, который не может быть образован в случае механического, даже очень тщательного смешения углеродных и кремнеземных ингредиентов, имеющего место в производстве резин [10].

Анализ полученных данных по апробации кремнеуглеродного наполнителя из рисовой шелухи в производстве резин позволяет заключить, что его использование в комплексе с техническим углеродом и белой сажей дает возможность получать резинотехнические изделия с заданными свойствами и может быть реализовано при изготовлении резин различного назначения. При этом даже частичная замена классических усиливающих наполнителей будет обеспечивать снижение себестоимости изделий резиновой промышленности за счет относительно невысокой стоимости кремнеуглеро-да, получаемого из дешевого сырья.

Проведено исследование по использованию кремнеуглерода рисовой шелухи в качестве углеродной добавки к сложным композитным смесям, из которых изготавливают разнообразные изделия. Типичные смеси для изготовления большинства угле-графитовых изделий состоят из измельченного угля и связующего. Все другие можно рассматривать как варианты смеси этого простейшего состава.

Исходные материалы (кремнеуглерод и графит) подвергали истиранию на ро-торно-вихревой мельнице до разной степени крупности, мм: -0,25; -0,16; -0,07; -0,04, и далее производственные операции осуществляли в следующей последовательности: приготовление смеси, формование, обжиг.

Из полученного композиционного материала изготавливали различные изделия. Опытные испытания, например, торцевых уплотнителей с парой трения из материала типа нигран (3 по ГАК 55/40 и стали 95Х18Ш показали улучшение некоторых свойств изделий, в частности, почти на порядок более низкую газопроницаемость и более высокую прочность по сравнению с изделиями, изготовленными из традиционного сырья. На основании этого можно предположить, что кремнеуглеродный нанокомпозит из рисовой шелухи оказывает армирующее действие, образуя прочную сетку (арматуру) внутри материала, благодаря чему затрудняется деформация, усадка, регулируется плотность, пористость, прочность композиционного материала [11].

Таким образом, была установлена эффективность применения кремнеуглерода в качестве наполнителя в углеродных композиционных деталях.

Содержание диоксида кремния и углерода - двух исходных компонентов для производства важнейшего из карбидов, применяемых в технике - в составе твердого продукта термической переработки рисовой шелухи предопределило проведение испытаний в этом направлении.

Для получения карбида кремния кремнеуглерод рисовой шелухи подвергали термической обработке при 1600-1650°С в инертной атмосфере. Синтезированный продукт представлял смесь волокнистого материала и дисперсного порошка модификации (З-SiC, имеющей, по данным рентгенофазового анализа, кубическую решетку с параметром а = 4,35+0,002 А [12-15].

Результаты исследования методом электронной микроскопии показали, что высокодисперсный карбид кремния представлен изометрическими кристаллами ф 0,0010,5 мкм, связанными в довольно прочные конгломераты с углеродными зернами, которые практически не разрушаются при механическом и ультразвуковом диспергировании. Синтезированные нитевидные кристаллы карбида кремния со средним диаметром 0,1-1 мкм и длиной 10-200 мкм аналогичны получаемым газофазным осаждением из кремнеорганического сырья [11, 16-19].

Установлено, что, используя различные варианты гидротермальной подготовки исходного кремнеуглерода, можно регулировать размеры нитевидных кристаллов и их выход от 10 до 50%. Применение известных способов разделения нитевидных кристаллов и дисперсной массы позволяет повысить содержание нитевидных кристаллов в готовом продукте до 80%. Полученные нитевидные кристаллы по своим основным функциональным свойствам соответствуют предъявляемым к ним требованиям и могут использоваться для получения металлических и керамических композиционных материалов.

С ростом потребности в кремнии «солнечного» качества (чистотой 99,99) для производства солнечных фотоэлектрических преобразователей в последнее время ведутся поиски дешевых источников сырья, а также технологий, обеспечивающих снижение себестоимости кремния электронных марок, так как рынок сбыта фотоэлектрических модулей в значительной мере лимитируется их высокой стоимостью. Привлекательность использования кремнеуглерода из рисовой шелухи для получения высокочистого кремния заключается в том, что уровень содержания минеральных примесей, в том числе электрически активных (В, Р, Fe, Ti и др.), в нем значительно ниже, чем в природных кварцитах, используемых для получения металлургического кремния.

В процессе выплавки поликристаллического кремния апробировали различные варианты шихты, подготовленной на основе кремнеуглерода и других продуктов переработки рисовой шелухи (карбида кремния и карбонизованного лигнина рисовой шелухи), и различные способы отмывки металлического продукта от примесей [20-21]. Полученный металл анализировали методом SIMS на установке МС-7201 М. Установлено, что содержание Са, Fe, A1, К, V, МП в самом чистом из образцов близко к их содержанию в стандартном поликристаллическом кремнии и кремнии марки КДБ-1, а содержание бора и углерода даже несколько ниже. Выплавленный металл отвечает требованиям к кремнию марки «Солнечный» для фотоэлектрических преобразователей.

Известно, что в плане утилизации рисовой шелухи важным и масштабным направлением является выпуск углеродных сорбентов. Нами показано, что в качестве сорбента кремнеуглерод рисовой шелухи высокоактивен в процессе очистки сточных вод от нефтяных и масляных загрязнений: статическая обменная емкость (СОЕ) = 50 мг/г при извлечении 98% из раствора, содержащего нефтепродукты и масла в количестве 200 мг/дм3; динамическая обменная емкость (ДОЕ) = 80 мг/г при извлечении 99,5%.

Активированный острым водяным паром кремнеуглерод в процессе извлечения благородных металлов из продуктивных растворов по сорбционным характеристикам по золоту (СОЕ = 2,4 мг/г при извлечении 91,4% из раствора, содержащего 8,1 мг/дм3 ионов Au+) не уступает известным промышленным сорбентам - кокосовым углям. При извлечении рения из продуктивных сернокислых растворов (ск^ (vn) = 1600 мг/дм , рН=2) один цикл сорбции-десорбции обеспечивает концентрирование рения в 3 раза, что делает возможным его использование в сорбционной технологии извлечения рения с целью получения товарного продукта - перрената аммония.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (3 Голосов)
  • Комментарии к статье
  • Вконтакте
  • Facebook

Содержимое второго блока