Новая технология утилизации отходов рисового производства

Новая технология утилизации отходов рисового производства

новая технология утилизации отходов рисового производства

Данг Нян Тхонг, студент 4 курса, Института природных ресурсов Томского политехнического университета, РФ, г. Томск

Тихонов Виктор Владимирович, научный руководитель, канд. техн. наук, доцент заведующий кафедрой общей химической технологии Томского политехнического университета, РФ, г. Томск

Балмашнов Михаил Александрович, научный руководитель, канд. техн. наук, доцент доцент кафедры общей химической технологии Томского политехнического университета, РФ, г. Томск

Нгуен Мань Хиеу, научный руководитель, аспирант кафедры общей химической технологии Томского политехнического университета, РФ, г. Томск

Рис - один из наиболее ценных пищевых продуктов в мире, он занимает второе место по площади посевов после пшеницы, а по валовым сборам даже превосходит её. Наиболее привычным продуктом остается шлифованный белый рис. Вместе с тем возрастает потребление риса-полуфабриката, который получают либо путем обработки риса паром под давлением, что способствует сохранению в нем значительного количества витаминов и минеральных веществ, либо рис предварительно слегка отваривают, а затем обезвоживают, чтобы свести к минимуму время его приготовления.

В процессе переработки рисового зерна в крупу в качестве отходов получают немалое количество рисовой шелухи, а также некоторое количество отрубей. Рисовая шелуха - это внешняя оболочка ядра риса, которая защищает внутренние компоненты от внешних атак насекомых и бактерий. Для выполнения этой функции и одновременного пропускания необходимого для роста зерна воздуха и влаги, рис в процессе естественной эволюции создал в своей шелухе уникальные нанопористые слои кремнезема. Масса шелухи достигает 20 % веса необрушенного зерна риса (табл. 1). Она играет исключительно важную роль в жизни растения риса, защищая его от повреждений. Однако после обмолота и обрушения рисовых зерен шелуха становится как бы ненужной и ее чаще всего, просто сжигают в печах. Вместе с тем, рисовая шелуха отличается широким диапазоном полезных для человека свойств, и этот ее потенциал пока недостаточно используется человеком, как в сельском хозяйстве, так и других отраслях экономики [8].

Таблица 1.

Химическое содержание рисовой шелухи

Ежегодно в мире образуется порядка 600 млн. тонн рисовой шелухи, которая из-за наличия диоксида кремния не подвергается гниению. Требуются огромные площади земельных угодий для ее захоронения. Утилизация отхода рисового производства представляет собой важную техническую задачу. 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 (25 % 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 [5].

Предложенные способы использования рисовой шелухи, освещенные в отдельных работах и обстоятельных обзорах, 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.

Подвергнутая физико-химической переработке рисовая шелуха может служить ценнейшим сырьем для получения всевозможных соединений кремния, обладающих уникальными свойствами. На практике разработан проект утилизации рисовой шелухи, суть проекта - создание промышленной технологии производства аморфного диоксида кремния высокой чистоты, а именно, установление технологических параметров процессов и разработка комплекса технологического оборудования. Преимущества проекта - использован способ переработки отходов рисового производства для получения аморфного диоксида кремния (кремнезема) высокой степени чистоты, который может быть использован в качестве сорбента, в том числе для хроматографии; наполнителя для резины, текстиля, бумаги, пластмассы, красок, цветных лаков; в аналитической химии; сырья для химической промышленности при синтезе всех соединений кремния (например, карбида, нитрида, хлорида, кремнийорганики), а также для получения кремния, кремниевых ферросплавов, в алюминиевой промышленности; материала для выращивания кристаллов кварца для радиоэлектроники; в производстве люминофоров, кварцевого стекла, огнеупоров, абразивов, литейных форм, звуко - и термоизоляционных материалов, катализаторов на кремниевых носителях, жидкого стекла и качественного бетона для строительства.

Основным источником аморфного диоксида кремния в настоящее время служат минеральные формы. Технологические схемы выделения чистого кремнезема связаны с большими затратами на подготовку исходного сырья (дробление, растирание, обогащение) и последующую очистку от сопутствующих примесей. Диоксид кремния, получаемый из рисовой шелухи (РШ), содержащий в отличие от минерального сырья небольшой набор примесных элементов, в том числе вызывающих окраску, характеризуется мелкодисперсностью и аморфным состоянием, благодаря которому соединение является химически более активным, чем кристаллические формы типа кварца, кристобалита и другие. Аморфная форма кремнезема хорошо растворяется в щелочи с образованием растворимых силикатов («жидкого стекла»), в то время как кристаллический диоксид кремния практически инертен к действию щелочей; имеет более высокое значение удельной поверхности, чем кристаллические формы кремнезема, что весьма ценится при изготовлении сорбентов и наполнителей. Аморфный диоксид кремния легко можно перевести в кристаллические виды нагреванием при температурах выше 800o, а для обратного процесса необходимо проводить предварительное растворение кристаллов в плавиковой (ОТ) кислоте [2].

Рисунок 1. Результаты сканирующей электронной микроскопии материала: а - Из рисовой шелухи, б - Курган содержащих SiO2, с - Пористая структура рисовой шелухи

рисовый шелуха диоксид кремний

Предлагаемая технологическая схема переработки рисовой шелухи состоит из следующих операций: выщелачивание рисовой шелухи раствором минеральной кислоты; промывка водой; сушка; сжигание шелухи при 450- 500 оС, а затем - при 700 оС; затаривание продукта; контроль качества по химсоставу (и - при необходимости - по дисперсности). В зависимости от поставленной цели возможно получение технического и высокочистого диоксида кремния.

Область применения и конкурентоспособность:

По своим физико-химическим показателям новый продукт - амофный диоксид кремния из рисовой шелухи - превосходит все выпускающиеся в России и за рубежом порошки диоксида кремния, получаемые из силиката натрия или кристаллического диоксида кремния. Потенциальными потребителями технического диоксида кремния являются все предприятия, производящие жидкое стекло или использующие его и изготавливающие для собственных нужд. На Российском Дальнем Востоке потребность в жидком стекле составляет не менее 2500 тонн в год, для чего необходимо 850- 900 тонн диоксида кремния. В настоящее время жидкое стекло производят из кварцевого песка чистотой 96-98 % при его стоимости в России 80- 110 руб/т. в 1996 г. При оптовой цене нового диоксида кремния из рисовой шелухи на 5-7 % ниже мировой и при повышенном качестве (отсутствии примеси оксидов железа) можно завоевать рынок сбыта в странах Юго - Восточной Азии. Снижение расходов на очистку аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи до чистоты 99,99 % по сравнению с расходами на очистку кварца позволяет сделать прогноз хорошей перспективы использования возобновляемого сырья (рисовой шелухи) для получения диоксида кремния в таких отраслях промышленности, как фармацевтические и парфюмерные фабрики, заводы цветных металлов, предприятия керамической и электронной промышленности.

Технико-экономическое обоснование и степень готовности проекта:

Финансовые ресурсы, необходимые для реализации проекта при объеме производства диоксида кремния технической чистоты (98 %) - 1000 тонн в год и высокой чистоты (99,99 %) - 200 тонн в год, включающие сооружение здания, проектирование технологического оборудования, изготовление опытного реактора и первого комплекта технологического оборудования, научно-технологические исследования на опытном реакторе и промышленном оборудовании, доводочные конструкторские и технологические работы, изготовление и монтаж промышленного оборудования, сырье и материалы на пусковой период, лабораторное оборудование экспресс-контроля, сертификационные работы и реклама, затраты на организацию утилизации кислотных отходов и защиту окружающей среды, на научно -исследовательскую работу по утилизации всех отходов, оплата расходов для приглашенных специалистов, составляют около 700 000 долларов США. Валовой доход при полной мощности составляет 4 700 тыс. дол. Срок окупаемости проекта (с момента выхода на проектную мощность) - 1,7 года. На настоящее время выполнена научно -исследовательская работа по получению аморфного диоксида кремния различной степени чистоты из рисовой шелухи разных регионов России, Китая и Вьетнама в лабораторных условиях; исследованы основные параметры технологии и физико -химические свойства полученных продуктов. Подготовлены описание технологического процесса и чертежи опытного реактора. Изготовлен корпус опытного реактора.

Способ передачи технологии, сферы сотрудничества: Продажа лицензий на соответствующие разработки, участие в организации производства, услуги типа «инжиниринг».

Краткий анализ экономической целесообразности проекта:

В Дальневосточном регионе (Приморский, Хабаровский края, Амурская, Еврейская, Сахалинская, Магаданская области) нет производства по изготовлению основного компонента жидкого стекла - силиката натрия (силикат-глыбы). Силикат-глыбу завозят из г. Стерлитамака или пос. Винзили (Тюменская обл.). Производство же силиката натрия основывается на высокотемпературном (1300-1400 оС) сплавлении кварцевого песка с карбонатом натрия в газотермических печах. Существует технология (не применяемая в России) изготовления жидкого стекла из кварцевого песка и едкого натра, которая требует применения автоклава с давлением 10-20 атм., процесс длится 8-16 час. при 100-1500 С. Использование аморфной формы диоксида кремния позволяет проводить процесс без давления в течение нескольких минут. В предлагаемом проекте едкий натр рекомендуется закупать в Китае [3].

Список литературы

1.  Ерыгин П.С., Натальин Н.Б. Рис. М., 1968. - 96 с.

2.      Земнухова Л.А., Сергиенко В.А. Использование рисовой шелухи для производства высокочистого амфорного диоксида кремния // Утилизация твердых бытовых и других видов отходов. [Электронный ресурс] - Режим доступа. - иКК <http://www.saveplanet.su/tehno_377.html> (дата обращения: 18.01.2014).

.        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 // Журнал прикладной химии. - 2005. - Т. 78. - Вып. 2. - С. 324-328.

.        Производство полуфабрикатов. СПб., 2003. - 395 с.

.        Сапрыкина Л.В., Киселева Н.В. Состояние и перспективы термической пере - работки рисовой шелухи // Химия древесины. - 1990. - № 6. - С. 3-7.

.        Сергиенко В.И. Возобновляемые источники химического сырья: комплексная переработка отходов производства риса и гречихи / В.И. Сергиенко и др. // Российский химический. - 2004. - Т. ХЬУШ, - № 3. - С. 116-124.

.        Смирнов В.С. Химический состав и потребительские свойства риса / В.С. Смирнов // Сборник научных трудов, Вып. 3. М., 1989. - С. 5.

9.      Технология целлюлозно-бумажного производства: В 3 т. Т. I: Сырье и производство полуфабрикатов. Ч. 2.