稻壳制备活性炭和二氧化硅的研究进展

蔡明翔

摘  要：稻壳是生物质家族的一员，由于其量产大面广、价格低廉、易于获取、清洁和可再生，受到研究者的青睐。国内企业以稻壳为生物质燃料，将稻壳燃烧产生的热量再利用，取得了明显的经济效益，已逐步频繁使用，因此，稻壳制备技术和方法的研究越来越迫切。为了提高稻壳的利用率，生产更多的绿色能源，本文探讨了稻壳中活性炭和二氧化硅的制备方法。

关键词：稻壳;活性炭;二氧化硅;研究

1.稻壳的应用

1.1 稻壳成分

稻壳由纤维素、己糖、戊糖、木质素、灰分和可提取提取物组成。木质素是一种具有交叉结构和苯基丙烷单体骨架的无定形聚合物。纤维素是高等植物细胞壁的基本成分，其热稳定性低于木质素。谷壳是制备活性炭的优良原料，谷壳的化学成分与不同类型木材的化学成分相似。根据这一成分，活性米壳富含硅，主要分布在稻壳的外层和内层，这主要是由于生物矿化，大多数其他稻壳是有机的，并含有一些无机氧化物[1]。

1.2我国稻壳的应用现状

中国是世界上最大的大米生产国，年产量超过2亿吨，约占世界产量的三分之一。稻壳是大米加工过程中最重要的副产品，其含量分别为20%。大米重量的30%是由其引起的，这导致每年消化4500万吨稻壳[2]。大量稻壳作为农业废物或重要燃料处理。稻壳资源利用率不高，除一小部分用作初级燃料、饲料、建筑材料或能源生产燃料外，大部分作为农业废弃物处理，综合利用率不到10%。长期以来，大部分燃烧的稻壳灰不仅未经处理，它不仅浪费资源，而且严重污染环境，具有堆放和自燃的安全风险。

2.稻壳制备活性炭的研究

2.1物理活化法

物理活化的本质是碳的氧化，发生在“活性点”，与活化剂有很强的亲和力。常用的活化剂包括蒸汽和二氧化碳。物理活化法相对成熟、简单、清洁。制备的活性炭不能直接使用，但活化温度高，能耗高，稻壳水分蒸发工艺相对成熟[4]。活性炭稻壳的表面比二氧化碳活化的要大。活化系统的余热可产生水蒸气，因此主要用于工业生产，而二氧化碳活化主要用于实验室。水蒸气产生速度快，但很难获得比表面更大面积的活性炭;二氧化碳活化可以制备比表面积大的活性炭。激活可能需要几十甚至几百个小时。

2.2化学活化法

在制备优质活性炭时，碱性活化剂可实现活性炭与优质白炭黑的联合生产。活化剂H3PO4的非碳化阶段可有效降低活性炭制备过程中的能耗，活化时间短，生产成本低，但制备大比表面积活性炭相对困难。作为其他化学活化方法，可获得高质量的活性炭。一般来说，化学活化法生产的活性炭具有活化温度低、活性炭产率高、比表面积大、设备腐蚀性强、环境污染严重等特点。

2.3物理化学活化法

对于活性炭和二氧化硅的生产，还可以使用碳化稻壳的物理化学活化。活性炭是用碱性溶液处理含碳氢化合物的稻壳，并使用水蒸气活化固体制成的。与直接活化法相比，碳化稻壳的用量增加了一倍多[5]。经过酸碱处理后，碳稻壳的比表面积上升，活性炭的活性高于替代炭。

3.稻壳制备二氧化硅的研究

3.1 研究的重要性

自然界中的大多数矿物硅材料以晶体形式存在，非晶硅具有较高的反应性和较大的比表面积。它是硅材料的理想硅源。恒压加热后提取，能耗低[6]。由于其含硅量高，很难在土壤中自行分解，也很容易改变土壤成分。稻壳是通过预处理、燃烧和能量回收，然后通过酸化、老化、洗涤和过滤制备纳米硅酸盐制成的。

3.2稻壳制备二氧化硅的方法

3.2.1制备工艺概述

稻壳在烤箱中燃烧并控制一定温度，以生产二氧化硅质量约为90%的稻壳。稻殼插入含有表面活性剂的水中，并在一定温度下以聚硅酸钠为基础反应。将反应产物酸化、熟化、洗涤、过滤并用硫酸干燥以获得二氧化硅产物。

3.2.2 稻壳的预处理

从稻壳中生产二氧化硅的困难在于去除有机材料和保持原始非晶硅，因此必须在硅晶体的转变温度下进行处理[7]。在热处理过程中能否保持传统的米鳞结构直接影响产品的最终使用。单独的预处理通常效率低下，或在困难条件下灵活使用。因此，许多能够有效发挥各自作用的预处理技术将受到广泛关注。组合预处理优于单一处理。

3.2.3干法制备稻壳二氧化硅

干法制备通过浸泡、洗涤和干燥稻壳酸来进行，稻壳酸在高温烘箱中煅烧，用处理剂处理，然后喷雾。热解条件直接影响二氧化硅的产率、纯度、粒度、形貌、物理相和结晶形态。选择在适当温度下生产的合格二氧化硅产品，但白度较低。

3.2.4湿法制备稻壳二氧化硅

湿法制备主要由稻壳后续生物（稻壳碳和稻壳灰）与碱反应形成。在用人工酸和螯合剂沉淀后，通过老化、洗涤和干燥等后处理过程生产出各种二氧化硅产品。成本高，影响产品质量的因素多，有必要系统地分析和确定高质量产品的最佳工艺条件。湿法是第一种通过酸反应、以稻壳为原料、通过碱性反应和硅酸钠生产二氧化硅的方法[8]。它具有二氧化硅质量高、工艺复杂、石英砂为二氧化硅、无成本优势等优点。

4.结论和展望

通过对稻壳的简要介绍和对稻壳制备活性炭以及二氧化硅的研究，说明稻壳的深加工和综合开发具有广阔的前景，但稻壳的使用仍处于早期阶段。应加强对稻壳结构、含硅量、含碳量、硅碳材料以及以稻壳为前驱体的复合材料的研究。如何充分发挥我国水稻生产的效益，开发新技术，实现稻壳的梯级利用，生产高附加值产品，以满足国民经济发展的需要，是一个正在深入研究的课题。作为一种可再生资源，稻壳制备活性炭和二氧化硅的生产符合环保产业的发展方向，具有广阔的市场前景。然而，稻壳的酸化阶段将产生深棕色的酸性废水，需要进一步清洁以满足环境要求。

参考文献：

[1]董梅.国外稻壳综合利用的进展[ J ].无锡江南大学食品学院学报. 2019 （3） ： 32 - 35.

[2]崔建生，赵春峰. 稻壳综合利用 - 生物质热电联产计精细化工综合开发 [J ]. 2018， 40 （1） ： 57.

[3]卫延安，朱春山，蔡春等.由稻壳灰制备活性炭的工艺及应用研究[J]中国粮油学报，2003，18（ 6） ： 29-33.

[4]侯贵华，许仲梓. 稻壳制备高性能材料研究进展[ P]. 硅酸盐学报， 2017， 34 （2） ： 204 - 208.

[6]熊文江，马增奇，钱海峰. 稻壳资源利用及常用稻壳炉[ J ]. 现代化农业， 2019 （1） ： 36.

[7]苏学军，宗春燕，韩蔚蓝等.稻壳基二氧化硅的制备及应研究进展[J].化学工程师.2020，250（ 7） ： 57-60.

[8]王章霞， 陈明强.稻壳热解特性及其动力学研究[ P ]. 安徽理工大学学报， 2019， 29 （1） ： 43 - 46.