硅材料的制备和表征从稻壳灰¢€“一个经济可行的方法

文摘

米糠是一种农业生物质提供了一个丰富的硅源。米糠皮广泛烧在印度在农业领域,因为很难找到其他用途。农民的燃烧稻壳,一般在不完全燃烧条件下为了避免意外火灾。本研究的目的是开发一个新的无定形氧化硅的方法从稻壳灰制备溶胶-凝胶的方法。最初收到稻壳灰是煅烧在400°C, 500°C, 600°C和700°C 5小时删除示例中的挥发物和确定无定形二氧化硅的结构。接下来,热处理RHA是与碱性溶液混合沉淀白炭黑是由生产硅酸钠溶液和水玻璃溶液的中和。米糠皮浸泡在硝酸生产硅酸钠溶液的最大数量和沉淀二氧化硅。氧化钠(Na2O)内容和硅酸钠溶液中的硅(二氧化硅)内容也决定。提取沉淀二氧化硅粒子的特点是傅里叶变换红外(FTIR)、x射线衍射、光学显微镜技术。二氧化硅的化学成分证实了红外光谱、SEM和EDX。 Highly pure amorphous silica was derived from rice husk ash was confirmed by XRD pattern. The morphology of the obtained materials was analyzed by SEM. At optimized conditions, nano sized highly pure silica was produced with a high reactivity and 99.9% amorphous in form. This economic technology as applied to waste material also provides many benefits to the local agro industry. Thus this paper may be providing a low cost and simple method to prepare functional materials.

关键字

稻壳灰;硅胶;矿物质;非晶态材料;农业生物废物

介绍

稻米文化坚持生产和精制区域,发挥战略作用在世界上节俭(1]。农业副产品包括稻草、稻壳和植物材料等等,所有这些的产品,稻壳(RH)可能被视为适当的能量和二氧化硅发明是亚洲国家。选择稻壳的主要目的是由于其颗粒结构、化学稳定性和当地的可用性以非常低的成本(2,3]。稻壳的化学成分不同样本不同连接类型的水稻,一年,作物,变化的气候和地理条件4]。他们有一个本质的属性,体积密度低(低于150公斤/米³)、低水和透湿性,低价值的平衡含水率(10%以下的空气相对湿度(RH)的60%),低价值系数的温度传导率(低于0.036 W.m¹。k¹),高阻有害真菌的作用,良好的防腐蚀性能的钢、铝和铜。许多方法已经开发生产纯硅稻壳灰的低成本。通过加热温度升高,燃烧的碳可以从灰烬中删除但这导致火山灰的结晶非晶硅为鳞石英或方石英。在较低的温度,稻壳灰的无定形的性质(RHA)硅将发生。在完全燃烧,灰的颜色是灰色/白色但在部分燃烧条件发生了黑灰颜色。在一些地区,大量的稻壳灰用作浪费和填埋的方式处理网站,导致空气和水的污染。骨的空气粒子在人类呼吸道疾病有关。如果不仅可以避免环境污染的稻壳燃烧,但也会产生巨大的经济效益5- - - - - -7]。煅烧温度和时间是两个重要的定义是否代表稻壳灰非晶硅是变成水晶体。一些研究已经完成了从稻壳无定形二氧化硅,发现温度400 - 700°C是适当的通过回顾文献[8]。稻壳灰(RHA)使可能某些几个金属杂质如铁、锰、钠、钙、K…等,可以减少其表面积和纯洁。如果这些元素可以充分利用残留问题将被清除,同时能获得巨大的利润。

在大多数应用程序中,稻壳灰是稻壳相比更有利。硅灰的经历结构转变根据条件(时间、温度、化学成分、矿物质含量)的燃烧。在400 - 1200°C形成非晶灰和温度大于水晶灰形成(9]。

在目前的研究从米糠中提取活性氧化矽获得通过完整的成分或溶剂萃取。可能得出的结论是,非晶硅的稻壳灰可以用于不同的新颖应用。这个非晶硅有发展前景作为生物材料,因为它源于生物质(10]。硅基材料常用于不同的生物应用程序由于其良好的生物活性和生物降解性的特点。

实验的细节

材料

中化学物质用于这项研究包括盐酸、氢氧化钠和H₂所以₄。所有化学物质被用作收到没有任何净化。最初,在本地收集的稻壳浪费被蒸馏水清洗去除污垢,然后干24小时。适量的清洁样本煅烧在400°C, 500°C, 600°C和700°C 5人力资源(表1)。

表1:稻壳的属性。

仪表

XRD研究:x射线衍射实验进行了稻壳灰的Rigaku miniflex衍射仪2θ值从10°- 90°使用Cukα目标波长λ= 1.5406⁰。

红外光谱(FT - IR):获得材料的燃烧稻壳在珀金埃尔默光谱特征1000光谱仪。在波数范围从4000 - 400厘米¹在一项决议4厘米¹使用64扫描用溴化钾粉末作为参考。通常,样品10-40 mg之间使用。

形态学研究(sem):我们的样本特征通过扫描电子显微镜(SEM) (jeol -地产- 6360 lv)在电压20 kv和之前涂上金下真空溅射用BAL-TEC的装置。二次电子图像。

热分析

稻壳灰治疗TGA和DTA分析进行热重量设备(Pyris7优秀)来验证质量损失的行为稻壳和化学处理的影响,以及它们的激活能量从小泽的应用方法。

TGA与60毫克稻壳样品进行了铂金锅在空气气氛下10 - 20°C最低为1热率提供挥发物的成分比例,有机化合物和创建的残渣稻壳燃烧。

程序

该方法包括以下阶段。

酸预处理的材料

稻壳(RH)和稀释HNO₃被融合进两个颈瓶500毫升。悬架是煮5 h在回流冷凝器,和剧烈搅拌整个反应过程中应用。最后,悬挂过滤,固体残渣与去离子水清洗throughouly确保没有没有₃在烤箱,随后干155°C 48 h。

稻壳灰制备

干稻壳然后摄于坩埚放在电气炉5 h在400°C黑灰。火山灰是磨成粉和后加热再次在600°C下5 h完全燃烧。纯白色无定形二氧化硅是通过燃烧稻壳在800°C马弗炉5 h。最后产生的稻壳二氧化硅(RHS)。

硅胶粒子的制备

的原理流程图从稻壳灰制备硅胶粒子的提议所示图1稻壳灰混合250毫升1 N氢氧化钠水溶液。混合回流3 h在110°C。溶液过滤,储存在冰箱里为进一步使用。

5毫升的硅酸钠溶液样本来自股票的解决方案,一次投入15毫升蒸馏水,搅拌为一个特定的时间。P^H的解决方案被放弃明智的调整到10 - 12添加盐酸搅拌速度下形成硅胶。凝胶需要的时间大约是在5分钟后溶胶溶液中和。风潮持续了一个小时来获取湿凝胶纳米粒子。准备的凝胶在800°C 3岁在确定条件下h。蒸馏水、氯化钠等杂质被溶剂与稀释交流与凝胶分离和纯甲醇在4 - 5次。稀甲醇(75%)被用来避免任何溶剂交换期间结构收缩。完全,甲醇交换做了六次,年龄在800°C。老化的总时间是52 h。湿凝胶被干。

纳米二氧化硅得到硅酸钠溶液使用溶胶凝胶技术。反应如下:

SiO₂(灰)+ 2氢氧化钠→Na₂SiO₃+ H₂O

二氧化硅粒子所产生的解决方案添加硝酸为催化剂。酸性条件下的P^H大约5显示完整的二氧化硅沉淀从硅酸钠以下反应:

Na₂SiO₃+ H₂所以₄→SiO₂+钠₂所以₄+ H₂O

硅酸盐浓度和较低的P^H小于8,Si(哦)₄水溶液的优势种。更高浓度的硅醇,Si (OH)组织,自发地聚合disiloxy债券收益率更高的寡聚物链。这样的反应是最有利的一个硅醇deprotonated Si - O组(11]。这些寡聚物长成colloid-sized二氧化硅粒子,大粒子为代价较小的增长。在高P^H(大于8),然而,更集中硅酸溶液是稳定的。这是因为disiloxy债券进行亲核攻击OH-via 5协调中间(方案1)。

视觉检查RHA后燃烧

RH粉在不同条件下燃烧,包括不同数量的皮粉燃烧温度和浸泡时间(12]。不同的颜色变化是观察和显示了生成的结果表2。

表2:燃烧温度和浸泡时间对稻壳粉干。

结果和讨论

未经处理的稻壳的外表是见过是褐色前治疗。预处理后,它被认为是光黄颜色由于酸的浓度增加了外壳。光黄颜色表明,稻壳的预处理后的稻壳表面积增加了治疗。燃烧温度和时间是两个重要的因素来定义是否硅仍是无定形的,如RHA,或变成水晶体。

人们已经发现,再热灰碳移除残留需要较长时间和温度,与硅的顺向效应转化为结晶形式(13]。这种行为并不是体现在燃烧循环应用。

实验工作和结果

实验工作有不同的参数影响硅生产的数量和质量。硅的质量生产的主要主要取决于降水条件(14]。

消化

研究是由不同工艺参数如温度、集中HNO₃解决方案用于消化。

)的硅质量从灰中提取随温度增加

b)硅产量小幅增加与碱浓度增加(碱灰比相同)。观察到,随着碱灰比的增加产量增加的比例1:3之后的收益率下降(15]。

结构和相变的调查

稻壳灰的X -射线能谱法所示图1。高纯SiO做好准备是很重要的₂从稻壳灰与无定形结构,因为研究(国际癌症研究机构)的一部分(世界卫生组织),水晶SiO强烈点₂有人类致癌风险16]。RHA结构强烈依赖于燃烧温度和时间。没有锋利的山峰。强大的峰是观察到约23°2θ角。这通常表明固体不结晶(或)它由微观晶体结构。周围没有达到地区23°证实没有结晶石英、方石英。其他x射线衍射克显示半结晶,结晶相的石英燃烧在不同的温度为400°C, 500°C, 600°和700°C显示表明,非晶态物质的原子排列是随机的(或)有一个很短的范围为(17]。一些尖锐的峰的存在表明矩阵中结晶相的存在。发生了结晶过程中由于高温煅烧。

硅胶纳米粒子的结构特征

红外光谱光谱工具是用来识别的主要官能团结构变化指示样品(图2)。宽频带范围内的3670 - 3000厘米¹负责隔离和表面-哦组-Si-OH而乐队在1630厘米¹分配给弯曲模式(HOH)协调水(18]。结果表明,这些山峰却降低了煅烧后的强度而增加硅后提取。1200年和1050年之间的主要吸收峰厘米¹与Si-O-Si不对称伸缩振动和相应的对称拉伸~ 802厘米¹(19]。激烈的峰值在470 - 450厘米¹是由于Si-O-Si Si-O非对称弯曲振动的债券。热活化和硅萃取后,所有这些峰值强度却转向更高的波数(20.)表现出是一个相对强劲的峰值约为817厘米¹和它区别于晶体硅酸盐的乐队21]。更明显的存在Si-O-Si弯曲振动在473厘米¹证实了高度浓缩在无定形氧化硅二氧化硅网络光谱。没有发现峰值2800至3000厘米¹。这意味着没有原始有机化合物控制燃烧后的二氧化硅和提取。

热分析

有机化合物含量在75 - 84%的范围(取决于稻壳多样性和化学处理),这是与文学组成。这种现象可以解释的基础上,其主要有机物的热分解行为成分(图3)。在TG曲线减肥观察到100°C是归因于身体吸收水的蒸发,或许剩下的乙醇。未来减肥发生在102到600°C与蒸发的水从聚缩合反应形成的氧化反应和去除的有机组织。热分解的第一阶段是挥发性化合物的损失后的分解纤维素和木质素的中间,这可能是小分子量的有机物质。在第二阶段,没有观察到高峰。纤维素分解在200°C到260°C,而纤维素250°C到360°C,和木质素从280°C到360°C (22- - - - - -26),它是不可能分离稻壳的退化过程组件由于反应的复杂性和降解峰的叠加。

硅胶纳米粒子的形态分析

图4一和4 b显示玉米棒的SEM和EDS分析灰在700°C。SEM图像,玉米棒火山灰颗粒多边形形状和强烈的Si在EDS光谱强度也证实了硅在更高的重量百分比和由于其他一些痕量杂质。

结论

这项研究揭示了过程提取米糠和过渡金属掺杂的硅稻壳二氧化硅纳米粒子通过溶胶-凝胶方法在温和的条件下合成了。效果的两个主要参数(加热温度和加热时间)在黑色和白色粒子的形成稻壳硅灰也进行了研究。所有现有技术获得二氧化硅主要是操作温度约为1000°C,而这个过程用于这项工作已经成为可能的温度变化从400年到700°C。然而,在低温(400°C)的碳氧化酸处理稻壳是缓慢的。米糠是一个潜在的绿色资源。这也证明了高度能源有效和有用的废物处理和利用的技术。

引用

1. 太阳从米糠皮l .硅基材料及其应用。印第安纳州,Eng。化学。杂志2001;40:5861 - 5877。
2. 张HX,等。连续制备的研究从大米husk.Bioresour d-xylose和纯超细二氧化硅。抛光工艺。2010;101:1263 - 1267。
3. Kalapathy U,等。一个简单的方法生产的纯硅从稻壳ash.Bioresour。抛光工艺。2000;73:257 - 262。
4. 德拉VP, et al .稻壳灰作为备用源活性二氧化硅生产。板牙。列托人。2002;57:818 - 821。
5. Watari J, et al .制造米糠皮的多孔二氧化硅/ C复合材料。《欧洲陶瓷Society.2006; 26:797 - 801。
6. Conradt共同R, et al。从稻壳硅纳米结构。晶状固体。杂志1992;145:75 - 79。
7. 公园BD, et al。描述的解剖特点和硅分布在稻壳使用显微镜和微量分析技术。生物量和Bioenergy.2003; 25:319 - 327。
8. 世界货币基金,Demirbas。讨论论文的“研究稻壳灰的火山灰性质由盐酸预处理”问:冯,h . Yamamichi m . Shoya杉。水泥和混凝土Research.2005; 35:10-17。
9. 詹姆斯J和饶女士硅通过热decomposition.ThermochimicaActa稻壳。1986;97:329 - 336。
10. PayaA J, et al .决心无定形氧化硅的稻壳灰的快速分析方法。水泥和混凝土Research.2001; 31:227 - 231。
11. 亚当•F等。从稻壳银改性多孔二氧化硅,其催化潜力。j .多孔板牙。2008;15:433 - 444。
12. Agren P, et al。光和x光散射研究酸催化硅合成聚乙二醇的存在。j . Non-Cryst。固体。2000;261:195 - 203。
13. 醒来时,et al . Y,从稻壳二氧化硅的制备和性质。日本SeramikkusuKyokaiGaku——jutsuRonbunshi。1989;97:842 - 849。
14. Hana®年代等al.Surface二氧化硅的性质由稻壳灰的热处理。ThermochimicaActa。1980;37:137 - 143。
15. 易卜拉欣DM,等。研究稻壳灰二氧化硅的红外光谱。热- chimicaActa。1980;37:307 - 314。
16. Krishnarao房车。形成SiC胡须从稻壳二氧化硅和炭黑混合:预热处理的效果。j .板牙。科学。列托人。1993;12:1268 - 1271。
17. 外耳R, et al。从稻壳制备二氧化硅。j。陶瓷。Soc。1996; 79:2012 - 2016。
18. Ang TN, et al。预处理的米糠皮真菌发酵。Int J化学Eng。2009; 2:197 - 202。
19. Ang TN, et al。离子液体的溶解效率稻壳。生物资源。2011;6:4790 - 4800。
20. 摘要舒婷L, et al .稻壳灰的电磁性能。生物。2014;9:2328 - 2340。
21. Alvarey V andVazquee a热降解的纤维素衍生品stratch混合&剑麻纤维biocomposites.polym.Degrad。刺。2004;84:13-21。
22. 繁华J andKondon k。流程优化准备高纯氧化矽通过citiric酸浸出从米糠皮治疗。JWRI的事务。2008;37:13-17。
23. Subbukrishna DN, et al。沉淀二氧化硅从稻壳灰IPSIT过程。15日欧洲生物质会议与展览。2011;7 - 11。
24. Nayak摩根大通和贝拉j .制备高效的湿度指示从稻壳灰硅胶。公牛。板牙。Sci.2011; 34:1683 - 1687。
25. Kalapathy U,等。一种改进方法,从稻壳灰生产硅。生物技术。2002;85:285 - 289。
26. Farook, et al . Cobalt-Rice皮二氧化硅纳米粒子的合成及表征。开放的胶体科学杂志。2011;4:12-18。