稻殼制備活性炭和二氧化硅的研究進展

蔡明翔

摘 ?要：稻殼是生物質家族的一員，由于其量產大面廣、價格低廉、易于獲取、清潔和可再生，受到研究者的青睞。國內企業以稻殼為生物質燃料，將稻殼燃燒產生的熱量再利用，取得了明顯的經濟效益，已逐步頻繁使用，因此，稻殼制備技術和方法的研究越來越迫切。為了提高稻殼的利用率，生產更多的綠色能源，本文探討了稻殼中活性炭和二氧化硅的制備方法。

關鍵詞：稻殼;活性炭;二氧化硅;研究

1.稻殼的應用

1.1 稻殼成分

稻殼由纖維素、己糖、戊糖、木質素、灰分和可提取提取物組成。木質素是一種具有交叉結構和苯基丙烷單體骨架的無定形聚合物。纖維素是高等植物細胞壁的基本成分，其熱穩定性低于木質素。谷殼是制備活性炭的優良原料，谷殼的化學成分與不同類型木材的化學成分相似。根據這一成分，活性米殼富含硅，主要分布在稻殼的外層和內層，這主要是由于生物礦化，大多數其他稻殼是有機的，并含有一些無機氧化物[1]。

1.2我國稻殼的應用現狀

中國是世界上最大的大米生產國，年產量超過2億噸，約占世界產量的三分之一。稻殼是大米加工過程中最重要的副產品，其含量分別為20%。大米重量的30%是由其引起的，這導致每年消化4500萬噸稻殼[2]。大量稻殼作為農業廢物或重要燃料處理。稻殼資源利用率不高，除一小部分用作初級燃料、飼料、建筑材料或能源生產燃料外，大部分作為農業廢棄物處理，綜合利用率不到10%。長期以來，大部分燃燒的稻殼灰不僅未經處理，它不僅浪費資源，而且嚴重污染環境，具有堆放和自燃的安全風險。

2.稻殼制備活性炭的研究

2.1物理活化法

物理活化的本質是碳的氧化，發生在“活性點”，與活化劑有很強的親和力。常用的活化劑包括蒸汽和二氧化碳。物理活化法相對成熟、簡單、清潔。制備的活性炭不能直接使用，但活化溫度高，能耗高，稻殼水分蒸發工藝相對成熟[4]。活性炭稻殼的表面比二氧化碳活化的要大。活化系統的余熱可產生水蒸氣，因此主要用于工業生產，而二氧化碳活化主要用于實驗室。水蒸氣產生速度快，但很難獲得比表面更大面積的活性炭;二氧化碳活化可以制備比表面積大的活性炭。激活可能需要幾十甚至幾百個小時。

2.2化學活化法

在制備優質活性炭時，堿性活化劑可實現活性炭與優質白炭黑的聯合生產。活化劑H3PO4的非碳化階段可有效降低活性炭制備過程中的能耗，活化時間短，生產成本低，但制備大比表面積活性炭相對困難。作為其他化學活化方法，可獲得高質量的活性炭。一般來說，化學活化法生產的活性炭具有活化溫度低、活性炭產率高、比表面積大、設備腐蝕性強、環境污染嚴重等特點。

2.3物理化學活化法

對于活性炭和二氧化硅的生產，還可以使用碳化稻殼的物理化學活化。活性炭是用堿性溶液處理含碳氫化合物的稻殼，并使用水蒸氣活化固體制成的。與直接活化法相比，碳化稻殼的用量增加了一倍多[5]。經過酸堿處理后，碳稻殼的比表面積上升，活性炭的活性高于替代炭。

3.稻殼制備二氧化硅的研究

3.1 研究的重要性

自然界中的大多數礦物硅材料以晶體形式存在，非晶硅具有較高的反應性和較大的比表面積。它是硅材料的理想硅源。恒壓加熱后提取，能耗低[6]。由于其含硅量高，很難在土壤中自行分解，也很容易改變土壤成分。稻殼是通過預處理、燃燒和能量回收，然后通過酸化、老化、洗滌和過濾制備納米硅酸鹽制成的。

3.2稻殼制備二氧化硅的方法

3.2.1制備工藝概述

稻殼在烤箱中燃燒并控制一定溫度，以生產二氧化硅質量約為90%的稻殼。稻殼插入含有表面活性劑的水中，并在一定溫度下以聚硅酸鈉為基礎反應。將反應產物酸化、熟化、洗滌、過濾并用硫酸干燥以獲得二氧化硅產物。

3.2.2 稻殼的預處理

從稻殼中生產二氧化硅的困難在于去除有機材料和保持原始非晶硅，因此必須在硅晶體的轉變溫度下進行處理[7]。在熱處理過程中能否保持傳統的米鱗結構直接影響產品的最終使用。單獨的預處理通常效率低下，或在困難條件下靈活使用。因此，許多能夠有效發揮各自作用的預處理技術將受到廣泛關注。組合預處理優于單一處理。

3.2.3干法制備稻殼二氧化硅

干法制備通過浸泡、洗滌和干燥稻殼酸來進行，稻殼酸在高溫烘箱中煅燒，用處理劑處理，然后噴霧。熱解條件直接影響二氧化硅的產率、純度、粒度、形貌、物理相和結晶形態。選擇在適當溫度下生產的合格二氧化硅產品，但白度較低。

3.2.4濕法制備稻殼二氧化硅

濕法制備主要由稻殼后續生物（稻殼碳和稻殼灰）與堿反應形成。在用人工酸和螯合劑沉淀后，通過老化、洗滌和干燥等后處理過程生產出各種二氧化硅產品。成本高，影響產品質量的因素多，有必要系統地分析和確定高質量產品的最佳工藝條件。濕法是第一種通過酸反應、以稻殼為原料、通過堿性反應和硅酸鈉生產二氧化硅的方法[8]。它具有二氧化硅質量高、工藝復雜、石英砂為二氧化硅、無成本優勢等優點。

4.結論和展望

通過對稻殼的簡要介紹和對稻殼制備活性炭以及二氧化硅的研究，說明稻殼的深加工和綜合開發具有廣闊的前景，但稻殼的使用仍處于早期階段。應加強對稻殼結構、含硅量、含碳量、硅碳材料以及以稻殼為前驅體的復合材料的研究。如何充分發揮我國水稻生產的效益，開發新技術，實現稻殼的梯級利用，生產高附加值產品，以滿足國民經濟發展的需要，是一個正在深入研究的課題。作為一種可再生資源，稻殼制備活性炭和二氧化硅的生產符合環保產業的發展方向，具有廣闊的市場前景。然而，稻殼的酸化階段將產生深棕色的酸性廢水，需要進一步清潔以滿足環境要求。

參考文獻：

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[2]崔建生，趙春峰. 稻殼綜合利用 - 生物質熱電聯產計精細化工綜合開發 [J ]. 2018， 40 （1） ： 57.

[3]衛延安，朱春山，蔡春等.由稻殼灰制備活性炭的工藝及應用研究[J]中國糧油學報，2003，18（ 6） ： 29-33.

[4]侯貴華，許仲梓. 稻殼制備高性能材料研究進展[ P]. 硅酸鹽學報， 2017， 34 （2） ： 204 - 208.

[6]熊文江，馬增奇，錢海峰. 稻殼資源利用及常用稻殼爐[ J ]. 現代化農業， 2019 （1） ： 36.

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[8]王章霞， 陳明強.稻殼熱解特性及其動力學研究[ P ]. 安徽理工大學學報， 2019， 29 （1） ： 43 - 46.