用稻壳制备两种炭源的研究

郭明林 刘英杰

摘要：本文中，我们提出了一种简单的途径来把废弃的稻壳制备成两种不同的炭源。通过将稻壳进行初步水热处理，过滤后得到稻壳残渣和碳水化合物母液，然后将稻壳残渣经过高温水热处理得到木质素炭源，将过滤后的母液再经过水热处理得到炭球炭源。这两种不同的炭源各有各自的特点，表现出了不同的性能。

关键词：稻壳;稻壳炭;水热;炭球

前言

稻壳是一种非常重要的生物质资源，不仅容易获得而且成本很低^[1]。稻壳是一种农副产品，在我国，稻壳的年产量很高，但是长期以来，除了用作建筑材料，初级燃料或燃燒发电的一小部分稻壳外，稻壳没有得到很好的利用^[2]。大部分稻壳作为废物丢弃，这不仅对资源造成了浪费，也对环境造成了污染^[3]。

稻壳的化学成分包括：木质素、水、纤维素和SiO2等，其中，纤维素大概占到35%，木质素大概占到22%，半纤维素大概占到20%，其余为灰分和少量有机物^[4]。其中，SiO₂骨架结构在稻壳中以网状结构分布，木质素和纤维素则起到在网络中分布填充的作用^[5]。稻壳具有良好的韧性、低密度性（112145 kg/m³）、多孔性、高热值（12.4514 MJ/kg）以及粗糙的质地等特性^[6]。稻壳燃烧以后，剩余材料中的硅含量非常高。

近年来，稻壳的应用受到了研究者的广泛关注。Vipul Bansal^[7]等人发现稻壳中的无定形SiO2在室温下可以通过真菌转化为结晶SiO2，将稻壳外表面的蛋白质进行燃烧可以获得2至6nm的球形颗粒，以吸附水中的重金属离子。我们的工作是将废弃的稻壳经过处理以后作为炭源，这样不仅能够实现废弃物的资源化利用，还降低了的生产成本。

1 实验方法

利用稻壳制备两种碳源的途径如图a所示，其中，稻壳的水解：称取20g稻壳，量取100mL浓度为0.4%的HCl，准备4个50mL的水热釜，分别向每个水热釜中加入5g稻壳和25mL HCl，平行做四个实验。然后将4个水热釜放到烘箱中，在150℃加热4小时，并冷却到室温，然后进行过滤，得到一组稻壳渣和碳水化合物母液。其他条件不变，我们将水热温度分别设为130、140、150、160℃，水热时间仍为4小时，得到4组稻壳渣和碳水化合物母液。

利用稻壳渣制备木质素炭源：将稻壳渣烘干以后放到水热釜中，将水热釜放到烘箱中，在200℃加热4小时，然后冷却到室温，并研磨成粉末，得到木质素炭源。

利用碳水化合物母液制备炭球炭源：将碳水化合物母液加入到水热釜中，放到烘箱内，在200℃加热4小时，然后自然冷却到室温并进行滤洗，室温下干燥，得到炭球炭源。

2 结果与讨论

2.1水热温度对稻壳水解的影响

稻壳水解是把稻壳里面的碳水化合物从稻壳当中水解下来，在稻壳水解时掉到溶液中的是低分子的葡萄糖、戊糖等成分，剩余的是稻壳渣。经过不同的水热温度处理后，将水热以后得到的稻壳渣烘干称重，绘制出图b，从图中可以看到，随着反应温度的升高，剩余稻壳渣的量呈现出一条曲线，在温度为150℃时剩余的稻壳渣的量最少，此时稻壳既不炭化，水解的又多，所以水解效果最好。

2.2两种炭源的表征

稻壳渣在200℃水热以后得到木质素碳源的SEM图如图c所示，从图中我们可以看出，经过处理后，稻壳结构开始变得疏松，出现分层现象，这是由于水热升温以后，稻壳中的多糖等成分进行炭化，使表面结构变得层次分明。

图d为碳水化合物母液在200℃炭化所得到的炭球炭源的SEM图，从图中可以看出，材料内部由许多炭球组成，尺寸大约为3～6μm，炭球之间的分散性很好，众多的炭球使得材料具有良好的吸附性能，可以使材料作为吸附剂。

3 结论

本文主要研究的是以稻壳为初始碳源，稻壳经过加入低浓度HCl进行水热处理，生成稻壳渣和碳水化合物母液，稻壳渣通过进一步处理制得木质素炭源，母液通过进一步处理制成炭球炭源，最终制成了两种不同的炭源。对这两种炭源进行了表征，我们可以得出结论：

稻壳水解过程中，水热温度并不是越高越好，温度低的时候，稻壳水解不完全，剩余稻壳渣的量比较多;温度高的时候，稻壳可能会发生炭化，使得剩余稻壳渣的量比较多，当温度为150℃时，稻壳水解比较完全，剩余稻壳渣的量最少，也最有利于两种炭源的制备。

参考文献

[1] 张秀玲. 稻壳的物化特性与利用研究[J]. 中国物资再生，1993-04-01.

[2] 熊素敏，左秀凤，朱永义.稻壳中纤维素、半纤维素和木质素的测定[J].粮食与饲料工业，2005（08）：43-44.

[3] 吴彬，马正智，周伟.从稻壳中提取制备低聚木糖研究进展[J].中国食品添加剂，2009：105-111.

[4] 林兰英，陈志林，傅峰.木材炭化与炭化物利用研究进展[J].世界林业研究，2007（05）：24-28.

[5] 欧阳东，陈楷.稻壳灰显微结构及其中纳米SiO_2的电镜观察[J].电子显微学报，2003（05）：30-34.

[6] Ash R H. Synthesis of mixed-phase uniformly infiltrated SBA-3-like in SBA-15 bimodal mesoporous silica from rice husk ash[J]. Materials Letters，2009，63（15）：1303-1306.

[7] Vipul Bansal，Absar Ahmad，Murali Sastry. Fungus-Mediated Biotransformation of Amorphous Silica in Rice Husk to Nanocrystalline Silica[J] JournaloftheAmericanChemicalSociety，2006，128：14059-14066.