Теплоизоляционные композиты на основе рисовой шелухи

В настоящее время в связи с интенсивным развитием производства серьезной проблемой, нарушающей гармоничное развитие биосферы, является образование различных техногенных отходов, складирование которых ведёт не только к загрязнению, но и к нерациональному использованию земельных угодий, создаёт реальные угрозы значительных загрязнений атмосферы, ведёт к росту транспортных расходов и безвозвратной потере ценных материалов и веществ. Переработка же отходов позволяет высвобождать дефицитные земельные угодья, отводимые под отвалы, и весьма существенно снизить загрязнение природной среды. Поэтому все более актуальной задачей экономического развития промышленно развитых стран, в том числе и Казахстана, становится рациональное использование природных ресурсов, создание безотходных технологий и производств.

Значительная доля отходов приходится на сельскохозяйственное производство, к таким, в частности, относится и рисовая шелуха. Утилизация последней - важная задача для всех стран, занимающихся возделыванием и переработкой рисовой культуры: только в Казахстане на рисоперерабатьтающих заводах ежегодно образуется около 50 тыс. тонн вышеуказанных отходов, направляемых в основном в отвалы и создающих значительные экологические трудности. Задача переработки рисовой шелухи практически не решена и в других рисосеящих странах (Китае, Индии, США, России) и на протяжении многих лет не теряет своей актуальности.

В условиях активного проведения политики внедрения ресурсосберегающих технологий и предотвращения загрязнения окружающей среды существенное значение приобретает утилизация рисовой шелухи в энергосберегающем режиме, то есть в ее естественном виде, в частности, получение композиционных материалов различного назначения. При этом решаются как задачи комплексного использования растительного сырья, так и экологические проблемы в регионах рисопереработки.

Утилизация отходов рисопереработки в энергосберегающем режиме позволит сократить площади сельскохозяйственных земель, занимаемых этими отходами и снизить выбросы токсичных веществ в атмосферу, выделяемых при пиролизе рисовой шелухи вследствие деструкции ее компонентов. Одним из перспективных направлений утилизации рисовой шелухи без ее термохимической переработки является создание новых теплоизоляционных материалов с использованием рисовой шелухи в качестве наполнителя.

Следует отметить, также что в настоящее время одной из актуальных задач современной технологии строительных теплоизоляционных материалов является поиск альтернативных видов сырья для замены дорогостоящих и дефицитных ингредиентов, к которым относятся, например, полимерные наполнители.

Теплоизоляционные материалы широко применяются в отечественной и зарубежной практике при строительстве жилых и промышленных зданий, а также для теплозащиты технологического, энергетического и холодильного оборудования. Теплоизоляционные материалы - разновидность строительных материалов, характеризующихся малой теплопроводностью. Разность температур в средах, разделенных ограждением, приводит к переходу тепла от нагретой к холодной среде.

Цель теплоизоляции - ограничить количество передаваемого тепла.Однако для достижения значительного теплосопротивления необходимо делать либо ограждения большой толщины, что нецелесообразно как с экономической, так и технологической точек зрения, либо применять теплоизоляционные материалы, позволяющие существенно уменьшить толщину ограждения. Последнего можно достичь, применяя теплоизоляционные материалы с высокой пористостью, поскольку воздух, заполняющий поры таких материалов, является плохим проводником тепла. Теплоизоляционные материалы получают из различных видов минерального и полимерного сырья по различным технологиям.

Наиболее старыми теплоизоляционными материалами являются камышит и соломит, а также минеральная вата. В настоящее время к теплоизоляционным материалам относятся древесноволокнистые плиты, цементный фибролит, ячеистый бетон, пеностекло, газонаполненные пластмассы, поли-мербетоны и др. Однако, полимерные материалы, в том числе и наполнители, в Казахстане не производятся, а потребность в теплоизоляционных строительных материалах не иссякает. Наполненные вспененным полистиролом строительные блоки в настоящее время импортируются из Китая.

На основании изложенного целью данной работы является исследование возможности замены импортных полимерных наполнителей строительных теплоизоляционных материалов на отходы рисопереработки - рисовую шелуху (РШ). Объектом исследования в настоящей работе является рисовая шелуха Кызылординской области - отход ри-сопереработки.

Истинная плотность шелухи равна 0,735 г/см³, а насыпная - лишь 0,1 г/см³. Измельченная в различной степени шелуха имеет насыпную плотность от 0,19-0,21 до 0,380,4 г/см³. Насыпная плотность золы рисовой шелухи 0,1-Ю,2 г/см³ [1]. Основу рисовой шелухи составляют различные полимерные органические соединения в количестве до 70% весовых. Самый высокий процент приходится на долю целлюлозы - 40-45%, лигнина ~ 20-25% и гемицеллюлозы ~ 15% [2]. Спектральным анализом установлено присутствие в шелухе следующих элементов: Ca, Mg, Al, Cu, Mn, Fe, K, Na, Ti, Co и др. Преобладают оксиды Ca, Mg, Al, Fe.

Методы исследования - анализы термический, рентгенофазовый, ИК-спектроскопический. Теплоизоляционные материалы получали путем замеса цемента, песка и воды при различных соотношениях и последующем твердении образцов в естественных условиях, то есть в энергосберегающем режиме. Водоцементное отношение выбирали в пределах 0,3 - 0,6.

В качестве образца сравнения использовали теплоизоляционные материалы с добавкой полистирола по традиционной технологии [3]. В исследуемых образцах полистирол был заменен на рисовую шелуху. Для полученных образцов рассчитывали среднюю плотность, определяли пористость, а об удобоукладываемости или подвижности бетонной смеси судили по расплыву конуса, для чего определенный объем смеси помещали на специальную подставку и замеряли диаметр окружности в основании образовавшегося конуса.

В процессе приготовления теплоизоляционных материалов было также использовано в качестве добавки полимерное связующее марки ENVIRO-BOND SBR^TM - каучуковая эмульсия, модифицированная стирол-бутадиеном, представляющая собой белую жидкость, применяемую для повышения качества замешиваемых на месте цементных растворов. Кроме того, была использована органическая добавка, полученная в результате пиролиза рисовой шелухи, содержащая, согласно данным газо-жидкостной хроматографии [4], карбоновые кислоты, фенолы и органические спирты. Поданным авторов [4], эта добавка обладает выраженным антимикробным действием на культуры Е. coli, Вас, subtilis, St. Aureus, Botritis cinerea и др. и может быть использована в качестве бактерицидного и обеззараживающего средства. Полученные результаты приведены в таблице.

Из анализа представленных результатов следует, что образцы, полученные на основе цемента М-400 с добавкой песка и полистирола по традиционной технологии при водоцементном отношении 0,30-0,38, имеют среднюю расчетную плотность 400-760 г/см³ и расплыв конуса в пределах 32-35 мм. Пористость этих образцов лежит в пределах 1,6-4,2 % (таблица 1).

Добавка рисовой шелухи вместо полистирола при том же водоцементном отношении несколько снижает расплыв конуса, тогда как пористость и средняя расчетная плотность материала практически не меняются (таблица 1). При замене песка на рисовую шелуху для получения удобоукладываемой смеси водоцементное отношение пришлось увеличить в 2 раза, при этом средняя плотность образцов уменьшилась при некотором увеличении пористости.

Следует отметить, что при низком водоцементном отношении прочность образцов была невысокая и они легко разрушались Увеличение расхода цемента и рисовой шелухи при массовом отношении цемент : рисовая шелуха = 6:1 и водо-цементном отношении 0,4-0.6 не только в 2 раза увеличило среднюю плотность, но и привело к значительному увеличению пористости -от 4,2 до 10-25%.

Более высокая пористость способствует повышению теплопроводности, поэтому для дальнейших исследований теплопроводности и прочности в качестве оптимальных составов были выбраны образцы с водо-цементным отношением 0,4-0,45 и соотношением цемент : рисовая шелуха = 6:1.

Из анализа полученных результатов следует, что оптимальным составом тегшоизоляционных материалов, обладающих высокими прочностными и теплоизоляционными свойствами и исключающих использование импортных органических добавок, являются материалы, содержащие цемент марки М-400, воду и рисовую шелуху в соотношении Ц/РШ = 6:1 при водоцементном отношении 0,40-0,45. Кроме того, возможно добавление органической добавки, получаемой при пиролизе рисовой шелухи в количестве 10 масс.% от массы цемента.

Технология получения заключается в смешении цемента, воды и рисовой шелухи при заданном соотношении в течение 10 минут в смесителе. Возможна также добавка органического компонента - продукта пиролиза рисовой шелухи в количестве 10 масс.% от расхода цемента. Полученная смесь укладывается в формы, затем на смесь кладут гиперплиту и подводят форму под пресс. Сформованная панель сушится в естественных условиях в течение 2-3 суток (в зависимости от количества добавленной воды). Затем производят распалубку форм, снятие панелей, проверки их качества и отправки на склад. Формы очищают, смазывают и собирают для формования следующей партии панелей.

Данная технология является энергосберегающей, так как процесс сушки и формования панелей проводят без подвода внешнего тепла. Кроме того, в технологии предусматривается использование отходов рисового производства, что будет способствовать улучшению экологической обстановки в Кызылординской области. При изготовлении строительных панелей с добавлением к бетонной смеси органической добавки, полученной в результате пиролиза рисовой шелухи, разработанные материалы приобретают также бактерицидные свойства, что будет препятствовать развитию различных грибковых поражений строительных конструкций.