Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология нововведений. Учебное пособие
.pdf
61
Рис представляет собой один из наиболее значимых пищевых продуктов в мире, занимая 2-е место по объемам посевов после пшеницы.
Ежегодно на Земле собирают более 600 млн т риса. Выращиванием этой
сельскохозяйственной культуры занимаются более 100 стран. Особенно важное практическое значение приобретают вопросы квалифицированного использования рисовой шелухи (РШ), так как в мире ежегодно в результате обмолота образуется около 600 млн т РШ, и в процессе переработки риса-сырца ее накапливается в среднем 20–25 % от
объема целевого продукта.
Утилизация РШ представляет собой актуальную проблему во всем
мире, особенно в странах, где рис является основным злаковым продуктом. Этот процесс вследствие высокого содержания в РШ золы и ее тенденции к возгоранию при длительном хранении на воздухе представляет собой сложную задачу. Большей частью рисовая шелуха направляется в отвалы и подвергается захоронению, требующему привлечения больших земельных угодий. Негативным фактором является то, что
РШ практически не гниет и обладает высокой абразивностью, что создает большие экологические проблемы, поскольку она трудно поддается утилизации.
Сжигание РШ на свалках не рекомендуется, так как приводит к образованию паров и токсичных газов, серьезно загрязняющих воздух,
способных негативно влиять на природу и здоровье человека. Таким
образом, РШ составляет значительную долю отходов сельскохозяйственного производства зерновых культур. В связи с этим проблема использования ее – важная задача для всех стран, занимающихся возделыванием и переработкой риса, она остро стоит перед обрабатывающими рисовыми заводами во всем мире.
С другой стороны, наличие в составе РШ аморфного диоксида
кремния делает данный вид отходов сельхозпроизводства ценным сырьем для химической и других отраслей промышленности.
Задача квалифицированного использования и переработки рисовой шелухи практически не решена в России, как и в ряде других рисосеящих стран (Китай, Индия, США, Вьетнам и т. д.). Она на протяжении многих лет не теряет своей актуальности.
Имеющиеся сведения о химическом составе РШ заметно отличаются по количественным показателям, что объясняется различными
сортами и условиями произрастания риса. В то же время культура риса
обладает уникальным химическим составом и отличается от соломы
62
других злаков повышенным содержанием диоксида кремния, который
в больших количествах имеется в почвах, где произрастает рис. Кремний поступает в корни, а затем концентрируется преимущественно
в надземных органах. В соломе и шелухе риса содержится порядка 10–
20 % минеральных компонентов, из которых 80–95 % приходится на
долю диоксида кремния. Поэтому рисовая шелуха, как и рисовая солома, являются низкокалорийной пищей, некачественным топливом
или удобрением. Это делает перспективным изучение возможностей
применения отходов рисового производства в химической и лакокрасочной промышленности.
Коммерческая приемлемость РШ как наполнителя в значительной
степени основана на ее чистоте. Например, коммерчески осажденный
диоксид кремния и коллоидный диоксид кремния, как известно, имеют
чистоту 99,9 %. Хорошо известно, что температура влияет на активность и чистоту золы кремнезема; повышение температуры увеличивает степень кристалличности и углерода в структуре кремнеземной
золы. Таким образом, современные производственные способы сжигания рисовой шелухи, хотя и дешевые, производят кремнезем недостаточной степени чистоты.
Относительно новая технология для устойчивого экономического
производства золы с низким содержанием углерода называется быстрым насильственным сгоранием. Он состоит из двух этапов: быстрое
сгорание и последующее охлаждение золы кремнезема, где каждая фаза
недолговечна (~ 10 мин) и температура не превышает 550 °С. Образующаяся зола имеет серый цвет (из-за карбонизированного слоя), аморфную природу и довольно пористую структуру. Содержание кремнезема
составляет примерно 94–96 %. Экономически эффективный сценарий
состоит в том, чтобы напрямую смешать эту золу с полимером и тем
самым сэкономить на дальнейших стадиях очистки наполнителя.
В настоящее время известно три основных метода утилизации рисовой шелухи:
1. Самый распространенный и небезопасный метод – сжигание.
В процессе сжигания мелкодисперсные элементы попадают в легкие
человека, вызывая тяжелейшее заболевание – силикоз. Помимо этого,
сжигание отхода риса в печах требует немалых финансовых затрат.
2. Создание специальных отвалов, что также оказывает негативное
экологическое воздействие на окружающую среду. Установлено, что
рисовая лузга при захоронении в почву создает в ней воздушное
63
пространство, что способствует активному окислению нефтепродуктов
кислородом воздуха и их деградации.
3. Переработка рисовой шелухи – является наиболее эффективным
методом ее утилизации. Это связано с тем, что главными составляющими рисовой лузги являются целлюлоза, лигнин, а также минеральная
зола, которая преимущественно состоит из диоксида кремния.
В связи с этим переработанная шелуха может служить очень ценным сырьем для получения разнообразных ценных продуктов, которые
в свою очередь могут использоваться в различных технических целях.
На сегодняшний день предлагаются различные методы и технологии переработки рисовой шелухи, которые, за небольшим исключением, практически не реализованы в промышленном масштабе в нашей
стране. Среди ведущих способов можно назвать утилизацию рисовой
шелухи методом быстрого пиролиза без доступа кислорода в газогенераторных котлах. При этом возможно получение смеси двуокиси кремния и углерода и альтернативного жидкого топлива.
При реализации этой технологии необходимость в операциях, связанных с механическим воздействием, таких как измельчение и классификация, отсутствует, так как рисовая шелуха имеет гранулометрический состав, обеспечивающий оптимальную термическую обработку
в бескислородной атмосфере. Хотя РШ имеет естественную влажность,
необходимость в предварительном проведении операции ее сушки отсутствует. При быстром пиролизе с нагревом сырья до конечной температуры, не превышающей 600 °С, происходит выделение из рисовой
шелухи летучих продуктов и последующая конденсация в жидкое топливо; при этом материал обогащается кремнеземом и углеродом.
Главное достоинство этого производства – экологическая чистота,
поскольку для его обеспечения используется водооборотная система,
не предусматривающая технологических стоков. При этом каждый модуль снабжен эффективной системой очистки от газов и пыли.
Рационально размещать такое производство в Краснодарском крае
рядом с производителями риса, чтобы минимизировать транспортные
расходы.
Перспективным считается также метод экспандирования рисовой
шелухи. Эта технология подразумевает термическую обработку отходов
риса под высоким давлением. Экспандированная шелуха обладает повышенной влагопоглотительной способностью и благодаря содержанию
кремнезема оказывает положительное влияние на рост сельхозкультур
64
при использовании ее в качестве удобрения, а также значительно улучшает состояние почвы, предотвращая накопление в ней солей.
Еще одним из направлений утилизации рисовой лузги является
технология переработки ее в пресс-экструдере, которая предназначена
для получения экологически чистых топливных брикетов. Продукт
формируется в результате непрерывного прессования, без участия связующих компонентов посредством шнека, создающего давление
в нагревающей формующей втулке.
В число эффективных технологий утилизации входит также метод
комплексной переработки рисовой лузги, включающий два основных
этапа – высушивание и термообработку. На выходе получаются два
вида востребованных промышленностью сырья: твердый кремнеуглеродный продукт и жидкий органический продукт.
Среди новейших проектных технологий также рассматривается
возможность применения переработанной рисовой шелухи для производства строительных плит и блоков. При этом производится предварительная подготовка РШ, которая позволяет повысить прочность изготавливаемых стройматериалов.
Интересным и перспективным является и получение на основе отходов рисового производства наноцеллюлозы. При этом, чтобы ее
можно было использовать в пищевой и фармацевтической отраслях,
необходимо провести процесс отбеливания для обеспечения высокой
степени белизны и низкого содержания примесей.
Таким образом переработка рисовой шелухи имеет большие экономические и экологические перспективы, однако на данном этапе известные методы и технологии ее находятся только на стадиях научной
разработки или внедрения и не используются в многотоннажном промышленном производстве.
При утилизации рисовой шелухи можно получать диоксид кремния, который используется как наполнитель в производстве резинотехнических изделий, загуститель смазочных материалов, клеев, красок,
сырье в производстве технического кремния, как компонент керамики,
абразивных материалов, в производстве искусственных кож, продуктов
парфюмерии и медпрепаратов, а также лигнин и целлюлозу.
Существующие методы выделения кремния из РШ основаны преимущественно на жестких условиях переработки (обработка шелухи
минеральными кислотами, высокие температуры – 500–1400
°С,
65
гидролиз, пиролиз и т. д.) и не позволяют выделить кремний в неизменном виде и сохранить его химические и сорбционные свойства.
По этой причине целесообразно предварительное извлечение диоксида кремния из шелухи и соломы риса. Так, предварительная обработка РШ щелочью приводит к практически полному удалению минеральных компонентов, а также к частичному удалению лигнина и экстрактивных веществ, что обеспечивает обогащение сырья целлюлозой.
Материал, полученный пиролизом рисовой шелухи при 480 °C,
может использоваться в качестве адсорбента для удаления нефти
и нефтепродуктов с водной поверхности. Этот адсорбент обладает высокой сорбционной емкостью, хорошими показателями плавучести
и высокой гидрофобностью.
Относительно новым направлением переработки РШ стало получение пористых углерод-кремнеземных материалов (ПУМ), которые
используются в качестве катализаторов с высокой активностью для
процессов химического и нефтехимического синтеза. Преимуществом
использования рисовой шелухи для этих целей является наличие у нее
углеродной и минеральной фаз в дисперсном состоянии. Высокая дисперсность двух фаз объясняется равномерным распределением кремнеземсодержащей фазы в лигноцеллюлозной матрице РШ, а при карбонизации эти фазы стабилизируют друг друга. Углерод-кремнеземные
нанокомпозиты могут быть использованы в качестве бифункциональных адсорбентов, а также носителей катализаторов.
Минеральный компонент РШ при получении ПУМ выступает
в роли «шаблона» для пористой структуры. Поэтому с помощью рисовой шелухи можно управлять пористостью получаемых материалов путем выщелачивания минерального компонента.
Одним из перспективных направлений утилизации РШ без ее термохимической переработки является создание новых теплоизоляционных материалов с использованием этого отхода в качестве наполнителя.
Важную роль в этой композиции играет активный наполнитель – аэросил, который представляет собой специальным образом приготовленный мелкодисперсный оксид кремния, с развитой гидроксилированной
поверхностью. Заполняя микронеровности частиц рисовой шелухи, он
тем самым увеличивает поверхность раздела фаз и адгезию на межфазной границе. Кроме того, аэросил способен к хемосорбции остаточного
формальдегида, снижая таким образом токсичность получаемого материала.
66
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. При этом высокую эффективность показывают теплоизоляционные материалы с высокой пористостью, поскольку воздух, заполняющий поры таких материалов, является плохим проводником тепла.
В связи с этим высокопористая РШ представляет особый интерес в качестве наполнителя такой продукции. При замене песка на РШ для получения удобоукладываемой смеси водоцементное отношение необходимо увеличить в два раза, при этом средняя плотность образцов уменьшается при некотором увеличении пористости.
Определенный интерес для композиционных, в том числе и теплоизоляционных материалов, представляет полученная в результате пиролиза рисовой шелухи органическая добавка, которая обладает выраженным антимикробным действием и может быть использована в качестве бактерицидного и обеззараживающего средства.
Полимерные композиты с лигноцеллюлозными наполнителями
являются современными перспективными материалами, уверенно завоевывающими рынки мира. Так, одним из квалифицированных способов
использования лузги риса является изготовление с ее применением декоративных теплозвукоизоляционных прессованных плит на основе
комплексного связующего из фенолформальдегидной смолы и термопластичного полимера в виде латекса.
В частности, РШ перспективна для изготовления легкого бетона
с высокими механическими характеристиками и изоляционными свойствами. Так, использование рисовой шелухи снижает давление пара в бетоне, тем самым предотвращая отслаивание и выделение газов. Шелуха
совместима с цементом, и композиты на ее основе обладают хорошими
тепловыми характеристиками. Золу рисовой шелухи можно также использовать в качестве связующего вещества вместо цемента. Исследования возможности уменьшения количества цемента в бетоне путем замены его рисовой золой показали, что бетоны с 40 % заменой цемента
на золу не обладают хорошими свойствами, но, с другой стороны, бетоны, содержащие 20 % золы можно использовать в качестве несущих
элементов. При этом строительные смеси с ЗРШ являются менее пористыми по сравнению с обычным бетоном. Это дает значительный
67
экономический выигрыш в русле инновационного развития зеленой экономики замкнутого цикла.
Введение других заполнителей растительного происхождения в цементные матрицы также представляет практический интерес. Так, существуют исследования долговечности легких бетонов с применением в их
составе древесной щепы, песчаных бетонов, облегченных добавлением
древесной стружки, бетонов с конопляной/льняной шерстью. При этом
исследовали два типа обработки растительных волокон, чтобы обеспечить хорошую адгезию между ними и цементом. Первая обработка заключается в извлечении сахаров путем дистилляции волокон, вторая –
в гидроизоляции волокон для предотвращения впитывания.
Предлагается также для уменьшения затрат энергоресурсов использовать РШ в качестве топлива при производстве брикетов типа органического угля. Преимущества этого вида топлива заключаются
в том, что оно производит мало дыма, практически не выделяет сернистых продуктов и обеспечивает хорошее сгорание.
Благодаря высокому содержанию кремнезема зола рисовой шелухи используется для производства сплавов и, прежде всего, огнеупорных материалов для сталелитейной промышленности. Зола служит защитой на сталелитейных заводах при разливке в доменных печах, потому что она обладает высокой теплоотдачей и позволяет блокировать
теплообмен и сохранять сталь в жидкой форме, что важно для продолжения процесса. Зола РШ также может в принципе применяться для изготовления компьютерных компонентов и даже производства солнечных панелей.
Еще одним инновационным способом ее применения является изготовление изоляционного кирпича. Рисовая шелуха смешивается
с глиной и другими ингредиентами, и в результате термообработки она
сгорает, образуя пузырьки воздуха и увеличивая пористость. Благодаря
рисовой шелухе кирпич становится более воздушным.
Интересно также изготовление панелей с применением рисовой
шелухи. В частности, можно делать подвесные потолки, смешав РШ
с древесными опилками и используя синтетический клей.
Изготовленные методом горячего прессования из рисовой шелухи
с использованием модифицированного фенолформальдегидного клея
с добавлением смолы скорлупы ореха красного дерева панели хорошо
противостоят огню.
68
Дешевые растительные наполнители позволяют увеличить объем
композита за счет использования меньшего количества более дорогого
и дефицитного полимера и минимизировать цену изделий без ухудшения их качественных показателей.
Поскольку строительная отрасль растет высокими темпами, использование возобновляемого сырья может снизить нагрузку на лесные
ресурсы и стать отличной заменой древесине и древесным композиционным материалам. Это связано с тем, что материалы на основе РШ
устойчивы к атакам термитов, древесных насекомых, древесных разлагающихся организмов. В целом древесно-стружечные плиты (ДСП), полученные с применением РШ (рис. 1), показали удовлетворительные
результаты модулей разрыва и упругости, а при высоким содержании
связующего они соответствовали требованиям промышленного использования, при снижении стоимости производства.
Рис. 1. Схема процесса производства ДСП
Древесно-стружечные плиты, изготовленные из смеси рисовой
шелухи и опилок, уступали по прочности плитам из древесины, но
имели более высокие звукопоглощающие характеристики, чем гипсоволокнистые плиты. РШ используют и для производства клееной фанеры и звукоизоляционных плит, в том числе на базе магнезиальных
вяжущих материалов (рис. 2).
Наполнители на основе рисовой шелухи рекомендуют и для частичной замены технического углерода, белой сажи и их смесей при
производстве резинотехнических изделий. Их использование в сочетании с традиционными усиливающими наполнителями дает возможность направленно регулировать свойства резинотехнических изделий
69
и, главное, обеспечить снижение себестоимости изделий резиновой
и шинной промышленности за счет относительно невысокой стоимости
наполнителей на основе РШ.
Рис. 2. Строительные материалы, полученные
с применением рисовой шелухи
Использование ЗРШ в рецептуре шинных резин обеспечивает сочетание у них высокого сцепления на мокром и сухом дорожном покрытии и низкого сопротивления качению. Это позволяет повысить
топливную экономичность шин, снизить уровень шума, а также сократить выбросы углекислого газа в атмосферу при их эксплуатации.
Таким образом, утилизация рисовой шелухи путем применения
в шинной промышленности делает массовые изделия для автомобильной промышленности более экологичными, т. е. обеспечивает развитие
смежной отрасли в инновационном направлении.
Следует отметить, что основное направление исследований по
утилизации отходов, образующихся при переработке зерновых культур, посвящено использованию рисовой и пшеничной шелухи, что
70
связано с доминированием этих культур в мире. Многочисленные исследования также касаются возможностей потенциального использования кукурузной и соевой шелухи. В то же время большой интерес для
России в этом плане представляет также лузга (шелуха) гречихи. Как
известно, гречневая крупа в нашей стране является одним из важнейших национальных продуктов, необходимым компонентом детского
и диетического питания. Россия занимает второе место в мире (после
Китая) по объемам производства гречневой крупы. Валовые сборы гречихи в России составляют 742,9 тыс. т, а общие посевные площади –
1007,8 тыс. га. При этом от 18 до 22 % от общей массы исходного сырья
при переработке зерна в крупу составляет оболочка гречихи, которая
десятками тонн накапливается в местах переработки.
Простой расчет показывает, что ежегодно в России образуется
в среднем 62,7 тыс. т шелухи гречихи (ШГ), при этом лишь ничтожно
малая часть этого количества находит практическое применение, т. е.
подвергается рециклу. ШГ частично используется в качестве топлива,
наполнителя для подушек, упаковки хрупких товаров и фруктов.
В золе соломы и лузги гречихи содержится до 35–40 % оксида калия, поэтому она может применяться в качестве органического калийного удобрения (поташа).
Существующие разработки по утилизации отходов производства
гречневой крупы (получение окрашивающих и дубильных веществ, масел, сорбентов, биологически активных добавок) не реализованы практически. Необходимо создание комплексной схемы переработки гречихи, основанной на данных зависимости свойств получаемых продуктов от химического состава сырья, от сорта и места произрастания гречихи, а также от физических и химических условий переработки отходов. Несмотря на то что шелуха гречихи является ценнейшим сырьем,
содержащим кроме полисахаридов и лигнина биологически активные
полифенольные комплексы, флавоноиды и микроэлементы, в нашей
стране практически отсутствуют успешные промышленные производства, рационально ее использующие.
Учитывая многообразие так называемых зеленых наполнителей,
основная сложность заключается в том, что данные о компонентном составе растительного сырья, приведенные в разных литературных источниках, могут отличаться на порядок. Это, естественно, в полной мере
касается и гречневой шелухи.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]