ДИВНИЙ СВІТ КРЕМНІЯ ТА РИСОВІ ВІДХОДИ

Повідомлення члена Професорського клубу ЮНЕСКО – Людмили Олексіївни ЗЕМНУХОВОЇ, доктора хімічних наук, зав. лабораторією хімії рідкісних металів Інституту хімії (ЇХ) ДВО РАН, зав. кафедрою екотехнологій ІХПЕ ДВГУ, професора.

Я – хімік. І більшість моєї наукової роботи, яка розпочалася з моменту вступу до аспірантури до Рувена Лейзеровича Давидовича (нині – головний науковий співробітник Інституту хімії ДВО РАН, доктор хімічних наук, професор, заслужений діяч науки України, лауреат премії ім. професора В.Т. ), була пов'язана з синтезом та дослідженням властивостей нових сполук сурми. Але одного разу, через 40 років після закінчення хімфаку ДВГУ (де були зроблені перші курсові роботи з відгону фурфуролу з лушпиння рису та синтезу кремнійорганічних сполук), в одній точці знову перетнулися кремній і рисове лушпиння, відкривши переді мною новий захоплюючий світ, про який і хочеться розповісти.

Трохи про кремнію

Кремній є одним із елементів, досить добре вивчених людиною. Аналіз наукової літератури показує, що він згадується у понад 25 тисячах літературних джерел. Незважаючи на те, що кремній використовувався первісною людиною ще 600 тисяч років тому у вигляді кам'яних знарядь праці, можливості цього елемента та його сполук розкривалися протягом століть надзвичайно повільно, але незмінно по висхідній лінії.

Складаючи за вагою 25 відсотків земної кори, кремній за рівнем поширення в природі знаходиться на другому місці, поступаючись кисню. Запаси кремнію, як сировини, практично невичерпні. І хоча він не зустрічається у вигляді вільного елемента через яскраво виражену спорідненість із киснем, його сполуки оточують нас усюди. Наприклад, діоксид, або кремнезем (SiO2). Таку формулу мають пісок, кварц,діатоміт, тріпотів, опав. Кремнезем входить до складу тальку, азбесту, різних силікатів, гранітів.

відходи
Набір колосків рису різних сортів, зібраний на дослідній ділянці В.А. Ковалевської в Уссурійську

Інтерес до кремнію різко зріс після 1950 р., коли виникла електроніка з урахуванням напівпровідникових якостей цього елемента, кращих, ніж в германію. В даний час прилади на основі кремнію становлять близько 98 відсотків всіх напівпровідникових приладів, що виробляються у світі. Але для електроніки кремній потрібен дуже чистий: сума домішки різних металів має бути не нижчою за 10-6 %! А стартовою (вихідною) речовиною для всіх сполук кремнію, у тому числі і для одержання чистого елементного кремнію, є діоксид кремнію (SiO2).

Діоксид кремнію знаходиться в природі або в кристалічній або в аморфній формі, і в чистому вигляді він прозорий (наприклад, гірський кришталь) або має білий колір (наприклад, діатоміт). Так, морський або річковий пісок є кристалічною формою кремнезему, в якій багато домішок заліза, міді, марганцю, титану, хрому та інших металів. Вони надають піску те чи інше забарвлення залежно від природи металу та його змісту (відомо багато кристалічних модифікацій кварцу, що різняться за вмістом домішок: аметист, раухтопаз, моріон, цитрин, авантюрин, котяче око та ін.). Очистити такий пісок від домішок досить складно, тому що метали входять до кристалічних грат кремнезему і утворюють міцні зв'язки. Щоб їх зруйнувати, треба пісок обов'язково розчинити у кислоті. В аморфному діоксид кремнію немає жорсткої структури, а оксиди різних металів знаходяться у вільному стані між шарами з молекул окису кремнію, тому вони легко видаляються. Аморфний кремнезем хімічнобільш активний, і при необхідності його можна перевести за допомогою нагрівання в кристалічну форму, яку вже не можна перетворити на аморфну ​​(простим нагріванням).

Світ кремнію надзвичайно різноманітний і не залишає байдужими вчених різного профілю, що зіткнулися з ним. Останні міжнародні наукові обговорення, присвячені природі діоксиду кремнію, пройшли у 2004 році у Сиктивкарі та Пущині.

дивний
Вигляд квіткової луски рису (лушпиння) під мікроскопом. Кількість та довжина волосків на поверхні оболонки залежать від сорту рослини

Де взяти сировину для одержання кремнію та його сполук?

Мінеральних запасів вихідної сировини у нас у країні та світі багато. Наприклад, у Середній Азії чи Монголії знаходяться невичерпні поклади піску. У пресі повідомлялося про родовище чистого кварцового піску Якутії. Є запаси (що вже виснажилися) гірського кришталю на Уралі тощо. Серед покладів аморфного діоксиду кремнію найбільш відоме родовище діатоміту в Каліфорнії: величезна біла гора, що утворилася з відкладень діатомових водоростей (вони утворюють свій фантастичний світ). І в нас у Японському морі є діатомові водорості, що активно розмножуються двічі на рік (провесною і восени), — з них можна було б витягувати чистий кремнезем. Але. Будь-які мінеральні форми треба, принаймні, видобути (знеобразивши при цьому ландшафт) або виловити діатомові водорості спеціальними мережами з моря, привезти на збагачувальну фабрику та очистити від домішок. І це в той час, коли у світі щорічно утворюється майже сто мільйонів тонн звичайного рисового лушпиння, що є прекрасною сировиною – дешевою, відновлюваною, з хімічним складом, постійним для даного регіону та сорту рослини, придатним дляотримання близько 15 мільйонів тонн чистого аморфного кремнезему!

Чи є зв'язок між рисовою соломою та космічним кораблем?

Так є. І не лише з соломою, а й із лушпинням. І не тільки з космічним кораблем, а й з телевізором та музичним центром, посудною та зубною пастами, бронежилетом та сонячними батареями. А точкою дотику цих предметів є хімічний елемент кремній (Si). Перша публікація з дослідження рисового лушпиння з'явилася в 1871 році в Німеччині, наступна - через два роки в США. Наразі дослідження проводяться у всіх країнах, що вирощують рис. Нещодавно три компанії у Каліфорнії виділили грант у 2 млн. доларів на роботу з комплексної утилізації у Сполучених Штатах рисової соломи.

Представники багатих кремнієм рослин зустрічаються серед багатьох сімейств, переважно тропічної форми. У нас у Примор'ї багато діоксиду кремнію знаходиться у польовому хвощі, який здавна використовувався для чищення домашнього посуду та полірування дерева, або у хвої деяких дерев. Але хвощ чи хвою треба спеціально збирати, а все рисове лушпиння концентрується в одному місці - на підприємстві при очищенні зерна.

Трохи про виробництво рису та його відходи

Рис – одне із найбільш цінних харчових продуктів у світі, він посідає друге місце після пшениці за площею посівів, а, по валовим зборам навіть перевершує її. У Примор'ї (м. Уссурійськ) багато років виведенням нових сортів рису займається канд. біол. наук В.О. Ковалевська (з них найбільше запам'ятався за смаком рис сорту “Дарій”).

Зерно рису знаходиться в оболонці, яку вчені називають квітковою лускою, а виробничники - лушпинням або лушпинням. Восени з полів звозиться на крупозаводи, де воно очищається від оболонки, а солома залишається в полі. Очищене від лушпиння зерно маєжовтий колір, а для отримання звичного споживачеві білого кольору рис шліфують, видаляючи верхній шар. Таким чином, в процесі отримання крупи білого рису шліфованого утворюється три види відходів: солома, квіткова луска (лушпиння, лушпиння) і висівки (борошня). Кількість відходів для підприємства при отриманні крупи рису становить до 30 відсотків маси сухого зерна.

дивний
Вигляд під мікроскопом поверхні частинок аморфного кремнезему, отриманого з лушпиння рису

Що зараз роблять із відходами?

Солому використовують для потреб сільського господарства, але часто її просто спалюють на полях, забруднюючи при цьому довкілля. Висівки, як правило, йдуть на корм тваринам. Останнім часом у літературі повідомляється про отримання з них фармацевтичних та харчових продуктів.

Лушпиння має більш широкий спектр застосування. Її використовують для упаковки (пам'ятаєте, з Китаю надходили до нас ящики з яблуками в рисовому лушпинні?), для виготовлення абразивів, термо- та звукоізоляторів, сорбентів для очищення соків, води, повітря від пилу, для покращення структури ґрунтів, наповнювача для пластмас, смол, склеєної фанери, будівельних матеріалів, добавки в корм тваринам та птиці. Наприклад, у п. Чернігівка Приморського краю, де знаходився крупозавод, зруйнований у роки перебудови, змішували борошно з лушпинням рису, дробили та продавали як кормову суміш. У Краснодарському краї та інших регіонах країни щоденне утворення десятків тонн лушпиння досі викликає “головний біль” у керівників заводів.

Це ефективне використання?

Що і скільки можна одержувати з відходів виробництва рису?

І все ж уявімо собі, що поруч із підприємством, що очищає зерна рису, стоїть завод, сировиною для якого є всі відходи рослини:солома, лушпиння і борошно. Що ж і в якому обсязі цей завод може виготовляти? Найпростіший перелік можливої ​​продукції із 1 тонни сировини наступний.

2. Фурфурол – із соломи та з лушпиння – не менше 50 кг.

3. Ксіліт – з лушпиння: до 80 кг. Коштує приблизно втричі дорожче за цукор.

4. Сировина для біленої целюлози – з соломи та лушпиння – до 320 кг.

5. Рисова олія – з висівок: до 180 кг. У 1966 році рисову олію отримували в Бразилії, Бірмі, Чилі, Індії, Японії та США (кращий метод її отримання – не пресування, а екстрагування розчинниками чи вуглекислотою).

6. Фітин та інші похідні фітинової кислоти – з борошна: до 40 кг.

7. Оцтова та щавлева кислоти, етиловий спирт, ванілін, гамма оризанол, моногалактозилдіацилгліцерини та деякі інші органічні речовини; їх вихід нижче 4 відсотків.

За нашу роботу за проектом “Розробка технології одержання аморфного діоксиду кремнію та супутніх матеріалів із відновлюваних відходів рису” було отримано медаль на виставці інноваційних проектів “Лідер у галузі високих технологій”, що відбулася у 2005 р. у Москві в рамках VI Міжнародного форуму “Високі технології ХХІ століття”.

відходи

Кому ця продукція потрібна?

Області застосування аморфного кремнезему великі і залежить від його показників. Він може бути застосований у тих галузях, які використовують такі форми кремнезему, як "діатомова земля" або "діатоміт", "трепел", "біла сажа", "аеросил". Продукт застосовується у фармацевтиці (наповнювач для ліків), парфумерії (наповнювач для зубних паст, кремів), побутової хімії (наповнювач для чистячих та абразивних паст), у гумовій, фарфоровій, скляній, текстильній, пластмасовій, паперовій галузях промисловості, а також як сировина для виробництвасиліцидів, карбіду кремнію, нітриду кремнію, водорозчинних силікатів (“рідке скло”) та інших сполук кремнію, у виробництві кварцових виробів, люмінофорів, електродів, ливарних форм, звуко- та термоізолюючих матеріалів, всіляких будівельних матеріалів (недаремно аморфний кремнезем ). Він може бути вихідним матеріалом отримання кремнію високої чистоти (зокрема для сонячних батарей), і навіть для синтезу всіх кремнийорганических сполук різного призначення (деякі їх японські хіміки називають головним матеріалом XXI століття).

Ксиліт застосовується як замінник цукру в медицині та харчовій промисловості.

Фітин є сумішшю солей кальцію і магнію фітинової кислоти і застосовується в медицині як стимулятор росту і кровотворення, для лікування рахіту, для хорошої роботи мозку (дивіться довідник М.Д. Машковського “Лікарські засоби”), а також як сировина для отримання інозиту, що використовується в медицині при захворюванні печінки та нервової системи. Інші сполуки фітинової кислоти можуть застосовуватися як сорбенти для очищення молока та води від радіоактивного стронцію та важких металів.

Фурфурол незамінний як вихідна речовина в органічному синтезі.

Рисова олія – чудова харчова олія. За складом органічних кислот його можна порівняти з арахісовою олією. Взагалі вивченню корисних властивостей цієї олії та рисової муки присвячено багато сторінок наукової літератури.

Целюлозна маса, у тому числі вибілена (а в ЇХ ДВО РАН розроблений безхлорний спосіб відбілювання), у свою чергу є сировиною для отримання різноманітних матеріалів.

Отже, очевидно: прибуток можна отримувати від продажу білого рису, а й від реалізації продуктів переробки рисових відходів.Приблизні розрахунки показують, що термін окупності витрат – трохи більше року, і залежить від якості готової продукції. Ну, а кремнезем – його властивості залежать від сорту рису, способів та умов його вилучення з соломи та лушпиння, і це – інший розділ.