КОМПЛЕКСНЫЙ СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОМАССЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ АМОРФНЫЙ ДИОКСИД КРЕМНИЯ Российский патент 2016 года по МПК C01B33/12 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Изобретение касается применения биомассы и более конкретно - cпособа получения аморфного кварца (диоксида кремния) из биомассы.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Несмотря на то, что кварц в изобилии имеется в природных ресурсах, высокочистый аморфный кварц практически не встречается. Традиционные способы получения аморфного кварца из неорганических материалов характеризуются высокими издержками производства, большим потреблением энергии и значительным загрязнением окружающей среды. Китайский Патент № ZL0280729.X раскрывает способ получения аморфного кварца высокой чистоты из биомассы, такой как рисовая шелуха, при этом степень использования органических веществ и энергии довольно низкая.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Одной из задач настоящего изобретения является создание способа получения аморфного кварца из биомассы.

[0004] Для достижения вышеупомянутой цели в соответствии с одним воплощением изобретения предлагается способ для получения аморфного кварца из биомассы. Способ включает пиролиз биомассы в анаэробных условиях с получением пиролизного газа и твердых остатков, сбора пиролизного газа и прокаливания твердых остатков в анаэробных условиях с получением аморфного кварца.

[0005] В отдельном частном варианте настоящего изобретения биомасса, содержащая аморфный кварц, является рисовой шелухой.

[0006] В предпочтительном варианте настоящего изобретения способ далее включает стадию A: кислотную промывку и сушку биомассы перед пиролизом биомассы или стадию B: кислотную промывку и сушку биомассы после пиролиза биомассы. Кислотная промывка и сушка биомассы перед пиролизом биомассы может обеспечить преобразование содержащихся в ней металлических элементов в растворимые металлические соли, что облегчает их удаление водной промывкой. Кроме того, уменьшается содержание длинноцепочечных органических веществ биомассы, что облегчает последующий пиролиз.

[0007] В предпочтительном варианте настоящего изобретения кислотная промывка и сушка биомассы включает впитывание биомассой кислотного раствора при нормальной температуре в течение от 8 до 24 часов или в течение от 2 до 6 часов при температуре между 80 и 100°C, промывку биомассы до нейтрального показателя среды и сушку биомассы.

[0008] В отдельном частном варианте настоящего изобретения кислотный раствор представляет собой раствор соляной кислоты, серной кислоты или азотной кислоты и их массовая концентрация составляет от 3 до 10% масс.

[0009] В предпочтительном варианте биомассу подвергают пиролизу при температуре между 500 и 1000°C.

[0010] В отдельном частном варианте настоящего изобретения пиролизный газ включает СО, СО₂, Н₂, СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₃Н₁₀ или их смеси.

[0011] В предпочтительном варианте прокаливание проводят в присутствии воздуха и температуре от 500 до 800°C.

[0012] В предпочтительном варианте тепловой дымовой газ, получаемый в результате прокаливания твердых остатков, направляют обратно для теплового цикла пиролиза.

[0013] В конкретном варианте способ дополнительно включает водную промывку перед пиролизом биомассы или перед стадией А для удаления примесей.

[0014] Суммарные преимущества настоящего изобретения можно сформулировать следующим образом. Биомасса, содержащая аморфный кварц, подвергается пиролизу в анаэробных условиях, то есть целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин биомассы подвергаются пиролизу с образованием пиролизного газа, который рециркулируют для производства электроэнергии или для получения синтез-газа. Однако структура аморфного кварца не разрушается. Получающиеся твердые остатки прокаливают в аэробных условиях для удаления остаточного углерода. Таким образом, получается высокая добавленная стоимость аморфного нанокварца. Способ имеет простую технологию, высокую степень использования энергии, обеспечивая экологичность производства и сокращение энергопотребления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0015] ФИГ. 1 - диаграмма последовательности технологических операций способа для получения аморфного кварца из биомассы, содержащей аморфный кварц в соответствии с одним воплощением изобретения;

[0016] ФИГ. 2 представляет собой полученное со сканирующего электронного микроскопа (SEM) изображение аморфного кварца, полученного в соответствии с примером 1 настоящего изобретения; и

[0017] ФИГ. 3 - рентгеновский дифракционный (XRD) спектр аморфного кварца, полученного в соответствии с примером 1 настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1

[0018] Как показано на ФИГ. 1, рисовая шелуха была промыта водой для удаления примесей, таких как грязь, замочена в растворе соляной кислоты с концентрацией 10% масс. в течение 24 часов и несколько раз промывалась водой до тех пор, пока значение pH промывного раствора не становилось нейтральным. Промытая рисовая шелуха была высушена в сушильной печи при 100°C до достижения постоянного веса.

[0019] Высушенная рисовая шелуха с помощью винтового конвейера была направлена в пиролизную печь, где была подвергнута пиролизу при 600°C в анаэробных условиях с получением на выходе пиролизного газа и твердых остатков. Пиролизный газ направляют в установку очистки, очищают и хранят, или непосредственно направляют в газогенератор для производства синтез-газа, или направляют в котел и сжигают с получением электроэнергии.

[0020] Твердые остатки направляют в печь для обжига и прокаливают при 650°C в присутствии воздуха с получением на выходе теплового дымового газа и продукта прокаливания. Тепловой дымовой газ подавался назад в пиролизную печь для теплового цикла. Продукт прокаливания был основой для получения аморфного кварца.

[0021] Результаты измерений газоанализаторов показывают, что пиролизный газ содержит СO, CO₂, H₂, CH₄, С₂Н₂, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₃Н₁₀ или их смеси. ФИГ. 2 показывает изображение со сканирующего электронного микроскопа (SEM) аморфного кварца, полученного в примере, и ФИГ. 3 показывает рентгеновский дифракционный (XRD) спектр аморфного кварца. Аморфный кварц представляет собой неуплотненные сферические частицы, имеющие размер частицы около 80 нм. Спектр XRD показал, что отсутствует определенный кристаллический дифракционный пик, что подтверждает аморфную структуру для кварца.

Пример 2

[0022] Рисовая шелуха была промыта водой для удаления примесей, таких как грязь, замочена в растворе азотной кислоты с концентрацией 5% масс. в течение 24 часов и неоднократно промывалась водой до тех пор, пока значение pH промывного раствора не становилось нейтральным. Промытая рисовая шелуха была высушена при 110°C, чтобы иметь влагосодержание меньше чем 20%.

[0023] Высушенная рисовая шелуха с помощью винтового конвейера была направлена в пиролизную печь, в которой рисовая шелуха была подвергнута пиролизу при 800ºC в анаэробных условиях, давая на выходе пиролизный газ и твердые остатки. Пиролизный газ направляют в установку очистки, очищают и хранят, или непосредственно направляют в газогенератор для производства синтез-газа, или направляют в котел и сжигают для производства электроэнергии.

[0024] Твердые остатки направляют в печь обжига и прокаливают при 800°C в присутствии воздуха, обеспечивая на выходе тепловой дымовой газ и продукт прокаливания. Тепловой дымовой газ направляют назад в пиролизную печь для теплового цикла. Продуктом прокаливания является аморфный кварц.

[0025] Результаты измерений с помощью газового анализатора показали, что пиролизный газ содержал CO, СО₂, Н₂, СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₃Н₁₀ или их смеси.

Аморфный кварц был проанализирован с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) и рентгеновского дифрактометра (XRD), которые показали, что аморфный кварц представляет собой неуплотненные сферические частицы, имеющие размер частицы примерно 80 нм. Спектр XRD показал, что отсутствует определенный кристаллический пик дифракции, что подтверждает аморфную структуру кварца.

Пример 3

[0026] Рисовая шелуха была промыта водой для удаления примесей, таких как грязь, и высушена при 120°C, чтобы иметь влагосодержание меньше чем 20%. Высушенная рисовая шелуха с помощью винтового конвейера была направлена в пиролизную печь, где рисовая шелуха была подвергнута пиролизу при 1000°C в анаэробных условиях, обеспечивая на выходе пиролизный газ и твердые остатки. Пиролизный газ направляют в установку очистки, очищают и хранят, или непосредственно направляют в газогенератор с получением синтез-газа, или направляют в котел и сжигают для производства электроэнергии.

[0027] Твердые остатки кипятили в растворе серной кислоты с концентрацией 5% масс. в течение 4 часов и трижды промывали водой, пока значение pH промывного раствора не становилось нейтральным. Вымытая рисовая шелуха была высушена в сушильном аппарате при 102°C, чтобы иметь влагосодержание меньше чем 30%.

[0028] После кипячения и последующей сушки твердые остатки были направлены в печь обжига и прокалены при 500°C в присутствии воздуха, что дает на выходе тепловой дымовой газ и продукт прокаливания. Тепловой дымовой газ направлялся назад в пиролизную печь для теплового цикла. Продуктом прокаливания являлся аморфный кварц.

[0029] Результаты измерений с помощью газового анализатора показали, что пиролизный газ содержал CO, СО₂, Н₂, СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₃Н₁₀ или их смеси.

Аморфный кварц был проанализирован с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) и рентгеновского дифрактометра (XRD), которые показали, что аморфный кварц представляет собой неуплотненные сферические частицы, имеющие размер частицы примерно 80 нм. Спектр XRD показал, что отсутствовал определенный кристаллический пик дифракции, что подтверждает аморфную структуру для кварца.

Изобретение относится к утилизации биомассы, содержащей аморфный диоксид кремния. Способ получения аморфного кварца из рисовой шелухи, содержащей аморфный кварц, включает промывку рисовой шелухи водой, сушку, пиролиз в анаэробных условиях при 600-1000 градусах Цельсия, сбор пиролизных газов. Далее проводят обработку твердого остатка пиролиза соляной, серной или азотной кислотой при их концентрации 3-10% масс. и прокаливают твердый остаток в аэробных условиях при 500-800 градусах Цельсия. Собранный пиролизный газ возвращают в производство. Изобретение обеспечивает экологичность процесса и снижение энергопотребления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.

1. Способ получения аморфного кварца из рисовой шелухи, содержащей аморфный кварц, включающий промывку рисовой шелухи водой, сушку, пиролиз в анаэробных условиях при 600-1000 градусах Цельсия, сбор пиролизных газов, обработку твердого остатка пиролиза соляной, серной или азотной кислотой при их концентрации 3-10% масс. и последующее прокаливание твердого остатка в аэробных условиях при 500-800 градусах Цельсия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тепловой дымовой газ, получаемый при обжиге твердых остатков, возвращают в процесс.