УДИВИТЕЛНИЯТ СВЯТ НА ОТПАДЪЦИТЕ ОТ СИЛИКИЙ И ОРИЗ

Съобщение от член на Професорския клуб на ЮНЕСКО - Людмила Алексеевна ЗЕМНУХОВА, доктор на химическите науки, гл. Лаборатория по химия на редките метали, Институт по химия (IC) FEB RAS, ръководител. Катедра по екотехнологии на Института по екология и икономика на Далекоизточния държавен университет, професор.

Аз съм химик. И по-голямата част от моята научна работа, която започна от момента, в който постъпих в аспирантура при Рувен Лейзерович Давидович (сега главен научен сътрудник на Института по химия, Далекоизточния филиал на Руската академия на науките, доктор на химическите науки, професор, заслужил деятел на науката на България, лауреат на наградата „Проф. В. Т. Биков“), беше свързана със синтеза и изследването на свойствата на нови съединения на антимона. Но един ден, 40 години след завършването на Химическия факултет на Далекоизточния държавен университет (където бяха направени първите курсови работи за дестилацията на фурфурол от оризови люспи и синтеза на органосилициеви съединения), силицият и оризовите люспи отново се кръстосаха в един момент, отваряйки нов завладяващ свят пред мен, за който искам да говоря.

Малко за силикона

Силицият е един от елементите, които са доста добре проучени от човека. Анализът на научната литература показва, че се споменава в повече от 25 хиляди литературни източника. Въпреки факта, че силицийът е бил използван от първобитния човек преди 600 хиляди години под формата на каменни инструменти, възможностите на този елемент и неговите съединения се разкриват през вековете изключително бавно, но неизменно във възходяща линия.

Съставлявайки 25 процента от теглото на земната кора, силицият е на второ място по отношение на степента на разпространение в природата след кислорода. Запасите от силиций като суровина са практически неизчерпаеми. И въпреки че не се среща като свободен елемент поради изразения си афинитет към кислорода, неговите съединения ни заобикалят навсякъде. Например диоксид или силициев диоксид (SiO2). Тази формула съдържа пясък, кварц,диатомит, триполи, опал. Силицият е част от талк, азбест, различни силикати, гранити.

Набор от класчета ориз от различни сортове, събрани в опитния участък на V.A. Ковалевская в Усурийск

Интересът към силиция нараства рязко след 1950 г., когато се появява електрониката, базирана на полупроводниковите свойства на този елемент, които са по-добри от тези на германия. В момента базираните на силиций устройства съставляват около 98 процента от всички полупроводникови устройства, произведени в света. Но за електрониката силицият трябва да е много чист: количеството примеси от различни метали трябва да бъде поне 10-6%! А изходното (изходно) вещество за всички силициеви съединения, включително за получаване на чист елементарен силиций, е силициевият диоксид (SiO2).

Силициевият диоксид се среща естествено в кристална или аморфна форма, а в чистата си форма е прозрачен (напр. планински кристал) или бял (напр. диатомит). И така, морският или речен пясък е кристална форма на силициев диоксид, в която има много примеси от желязо, мед, манган, титан, хром и други метали. Те придават на пясъка един или друг цвят в зависимост от естеството на метала и неговото съдържание (известни са много кристални модификации на кварца, различаващи се по съдържание на примеси: аметист, раухтопаз, морион, цитрин, авантюрин, котешко око и др.). Почистването на такъв пясък от примеси е доста трудно, тъй като металите влизат в кристалната решетка на силициев диоксид и образуват силни връзки. За да ги унищожите, е необходимо пясъкът да се разтвори в киселина. В аморфния силициев диоксид няма твърда структура и оксидите на различни метали са в свободно състояние между слоевете от молекули на силициев оксид, така че лесно се отстраняват. Аморфен силициев диоксид химическипо-активен и ако е необходимо, може да се превърне чрез нагряване в кристална форма, която вече не може да се превърне обратно в аморфна (просто нагряване).

Светът на силиция е изключително разнообразен и не оставя безразлични учени от различни профили, които се докосват до него. Последните международни научни дискусии за природата на силициевия диоксид се състояха през 2004 г. в Сиктивкар и Пущино.

Изглед на оризова лемма (люспи) под микроскоп. Броят и дължината на космите по повърхността на черупката зависи от сорта на растението

Къде да получите суровини за получаване на силиций и неговите съединения?

У нас и в света има много минерални запаси от суровини. Например в Централна Азия или Монголия има неизчерпаеми залежи от пясък. Пресата съобщи за находище на чист кварцов пясък в Якутия. В Урал има запаси (вече изчерпани) от планински кристал и т.н. Сред находищата на аморфен силициев диоксид най-известното е находището на диатомит в Калифорния: огромна бяла планина, образувана от находища на диатомеи (те образуват свой собствен фантастичен свят). И ние имаме диатомеи в Японско море, които активно се възпроизвеждат два пъти годишно (в началото на пролетта и есента) - чист силициев диоксид може да бъде извлечен от тях. Но. Всякакви минерални форми трябва най-малкото да бъдат добивани (същевременно обезобразявайки пейзажа) или диатомеите трябва да бъдат уловени от морето със специални мрежи, докарани до преработвателното предприятие и почистени от примеси. И това във време, когато годишно в света се произвеждат почти сто милиона тона обикновени оризови люспи, които са отлична суровина - евтина, възобновяема, с постоянен за даден регион химичен състав и подходяща заоколо 15 милиона тона чист аморфен силициев диоксид!

Има ли връзка между оризовата сламка и космическия кораб?

Да, имам. И не само със слама, но и с люспи. И не само с космически кораб, но и с телевизор и музикален център, съдове и паста за зъби, бронежилетки и слънчеви панели. И точката на контакт на всички тези обекти е химическият елемент силиций (Si). Първата публикация за изследване на оризовите люспи се появява през 1871 г. в Германия, следващите две години по-късно в Съединените щати. Сега се провеждат изследвания във всички страни, които отглеждат ориз. Наскоро три компании в Калифорния предоставиха безвъзмездна помощ от 2 милиона долара за цялостно усилие за рециклиране на оризова слама в Съединените щати.

Представители на богати на силиций растения се срещат сред много семейства, главно тропически форми. В Приморието имаме много силициев диоксид в хвощ, който отдавна се използва за почистване на домакински съдове и полиране на дърво, или в иглите на някои дървета. Но хвощът или иглите трябва да бъдат специално събрани, а всички оризови люспи са концентрирани на едно място - в предприятието при почистване на зърното.

Малко за производството на ориз и неговите отпадъци

Оризът е един от най-ценните хранителни продукти в света, заема второ място след пшеницата по посевна площ, а по брутен добив дори я изпреварва. В Primorye (Ussuriysk) в продължение на много години, Ph.D. биол. науки V.A. Ковалевская (от която оризът от сорта „Дарий“ беше най-запомнен със своя вкус).

Едно оризово зърно е в черупка, която учените наричат ​​леми, а производителите наричат ​​люспи или люспи. През есента зърното от нивата се докарва до шрота, където се почиства от черупката, а сламата остава на полето. Зърно, почистено от люспи имажълт цвят, а за получаване на познатия на потребителя бял цвят оризът се полира, като се отстранява горният слой. По този начин в процеса на получаване на зърнени култури от бял полиран ориз се образуват три вида отпадъци: слама, люспи (люспи, люспи) и трици (мучка). Количеството отпадъци в предприятието при получаване на оризова каша е до 30 процента от масата на сухото зърно.

Микроскопски изглед на повърхността на аморфни силициеви частици, получени от оризови люспи

Какво правят сега с отпадъците?

Сламата се използва за селскостопански нужди, но често просто се изгаря в нивите, замърсявайки околната среда. Триците, като правило, отиват на храна за животни. Напоследък в литературата се съобщава за приготвяне на фармацевтични и хранителни продукти от тях.

Husk има по-широк спектър от приложения. Използва се за опаковане (помните ли, кутии с ябълки в оризови люспи дойдоха при нас от Китай?), За производство на абразиви, топло- и звукоизолатори, сорбенти за почистване на сокове, вода, въздух от прах, за подобряване на структурата на почвата, пълнител за пластмаси, смоли, залепен шперплат, строителни материали, добавки във фуражи за животни и птици. Например в село Черниговка, Приморски край, където се намираше мелница за зърно, която беше разрушена през годините на перестройката, брашното се смесваше с оризови люспи, натрошаваше се и се продаваше като фуражна смес. В Краснодарския край и други региони на страната ежедневното образуване на десетки тонове люспи все още причинява „главоболие“ на ръководителите на заводи.

Това ефективна употреба ли е?

Какво и колко може да се получи от отпадъците от производството на ориз?

И все пак си представете, че до предприятието, което почиства оризовите зърна, има завод, суровината за който са всички отпадъци на завода:слама, люспи и брашно. Какво и в какъв обем може да произвежда това растение? Най-простият списък с възможни продукти от 1 тон суровини е както следва.

2. Фурфурол - от слама и от люспи - минимум 50 кг.

3. Ксилитол - от люспи: до 80 кг. Струва около три пъти цената на захарта.

4. Суровини за избелена целулоза - от слама и люспи - до 320 кг.

5. Оризово масло - от трици: до 180 кг. През 1966 г. оризово масло е получено в Бразилия, Бирма, Чили, Индия, Япония и САЩ (най-добрият метод за получаването му не е пресоването, а екстракцията с разтворители или въглероден диоксид).

6. Фитин и други производни на фитиновата киселина - от брашно: до 40 кг.

7. Оцетна и оксалова киселини, етилов алкохол, ванилин, гама оризанол, моногалактозилдиацилглицероли и някои други органични вещества; доходността им е под 4 процента.

За нашата работа по проекта „Разработване на технология за получаване на аморфен силициев диоксид и свързаните с него материали от възобновяеми оризови отпадъци“ беше получен медал на изложението за иновативни проекти „Лидер във високите технологии“, което се проведе през 2005 г. в Москва като част от VI Международен форум „Високите технологии на 21 век“.

Кому е нужен този продукт?

Областите на приложение на аморфния силициев диоксид са обширни и зависят от неговите характеристики. Може да се прилага в тези индустрии, които използват форми на силициев диоксид като "диатомит" или "диатомит", "триполи", "бели сажди", "аеросил". Продуктът се използва във фармацевтиката (пълнител за лекарства), парфюмерията (пълнител за пасти за зъби, кремове), битовата химия (пълнител за почистващи и абразивни пасти), в гумената, порцелановата, стъкларската, текстилната, пластмасовата, хартиената промишленост, както и суровини за производствосилициди, силициев карбид, силициев нитрид, водоразтворими силикати ("течно стъкло") и други силициеви съединения, в производството на кварцови продукти, фосфор, електроди, леярски форми, звуко- и топлоизолационни материали, всякакви строителни материали (не е чудно, че аморфният силициев диоксид се нарича лекарство за бетон). Той може да служи като изходен материал за получаване на силиций с висока чистота (включително за слънчеви клетки), както и за синтеза на всички силициеви органични съединения за различни цели (японските химици наричат ​​някои от тях основния материал на 21 век).

Ксилитолът се използва като заместител на захарта в медицината и хранително-вкусовата промишленост.

Фитинът е смес от калциеви и магнезиеви соли на фитиновата киселина и се използва в медицината като стимулант на растежа и хемопоезата, за лечение на рахит, за добра мозъчна функция (вижте справочника на М. Д. Машковски „Медикаменти“), а също и като суровина за производството на инозитол, използван в медицината при заболявания на черния дроб и нервната система. Други съединения на фитиновата киселина могат да се използват като сорбенти за пречистване на мляко и вода от радиоактивен стронций и тежки метали.

Фурфуролът е незаменим като изходен материал в органичния синтез.

Оризовото масло е отлично ядивно масло. Според състава на органичните киселини може да се сравни с фъстъченото масло. Като цяло много страници от научната литература са посветени на изучаването на полезните свойства на това масло и оризово брашно.

Целулозната маса, включително избелената целулоза (и методът за избелване без хлор е разработен в Института по химия, Далекоизточния клон на Руската академия на науките), от своя страна е суровина за получаване на различни материали.

Така че, очевидно: печалба може да се получи не само от продажбата на бял ориз, но и от продажбата на преработени оризови отпадъци.Приблизителните изчисления показват, че периодът на изплащане е не повече от една година и зависи от качеството на готовия продукт. Е, и силициев диоксид - неговите свойства зависят от сорта ориз, методите и условията за извличането му от слама и люспи, а това е друга глава.

---