稻壳灰制备水玻璃的工艺参数研究

黎 彩,胡秋林

(武汉工业学院食品科学与工程学院,湖北武汉 430023)

稻壳是大米加工的主要副产物,约占稻谷重量的 20%[1]。由于稻壳体积大,容量小,如不及时处理,将直接影响正常生产及环境卫生。特别是稻壳发电燃烧 (干馏)后的稻壳灰[2],由于用途局限,价格低廉,大部分作为废物弃之,严重污染环境。稻壳中含硅较高,采用不完全燃烧热解稻壳可得到的稻壳灰中二氧化硅的含量在 70%—80%左右、碳含量在 25%—30%左右。

我国是世界上稻壳资源最丰富的国家,可将稻壳灰变废为宝,制备出用途非常广泛的水玻璃,它几乎遍及国民经济的各个部门。在化工行业被用来制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛、五水偏硅酸钠、硅溶胶、层硅及速溶粉状硅酸钠、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品,是硅化合物的基本原料[3]。

用稻壳灰制得的水玻璃,继续转化为高纯二氧化硅[4-6],其杂质含量比市售硅酸钠 (由石英砂制得)制得的产品要低得多,不仅成本降低了,而且生产出的产品能够满足用户的要求。

1 材料与方法

1.1 材料,仪器及试剂

稻壳灰(洪湖某粮油加工厂提供);混合熔剂：取二份无水碳酸钠和一份硼酸研磨,混匀;盐酸：1+14;钼酸铵溶液 (60g/L);草酸-硫酸混合酸：称取 35 g草酸,溶于 1000mL硫酸 (1+8)中;硫酸亚铁铵溶液 (60 g/L)：称取 6g硫酸亚铁铵溶于少量水中,加 3—5滴硫酸 (密度为 1.84g/mL),用水稀释至 100mL;无水乙醇;标准二氧化硅：分析纯;氢氧化钠：分析纯。

电热恒温水浴锅 (上海医疗器械五厂);UT-1810PC型紫外分光光度计 (北京普析通用仪器有限责任公司);电热鼓风干燥箱 (上海仪器厂有限公司);电子天平 (上海恒平科学仪器有限公司);SX2-4-10型高温马弗炉 (上海浦东实验设备厂)。

1.2 实验方法

1.2.1 稻壳灰中二氧化硅含量和二氧化硅溶出率的测定

二氧化硅含量和二氧化硅溶出率的测定参考GB/T 3286.2-1998进行。

(1)工作曲线的绘制

准确称取 0.2500 g已于 950±20℃灼烧 30min并冷却至室温的高纯 SiO2于坩埚中,加 3 g混合熔剂,混匀,再覆盖 1 g混合熔剂。盖上埚盖 (留一缝隙),将坩埚置于 950±20℃高温炉中熔融 10min,取出,冷却至室温。将坩埚和埚盖放入盛有 150mL热水的聚乙烯烧杯中,低温加热浸取熔块至溶液清亮,用热水洗出坩埚及埚盖,冷却至室温。将溶液移入 500mL容量瓶中,用水稀释至刻度,混匀,立即转移至塑料瓶中贮存。此溶液 1.00mL含 500μg的SiO2。随同做空白试验。

移取 10.00ml上述溶液于 100mL容量瓶中,用水稀释至刻度,混匀,立即转移至塑料瓶中,此溶液1.00mL含 50.0μg的 SiO2。

移取 0,2.00,6.00,10.00,14.00mL上述 SiO2溶液置于一组预先盛有 10mL盐酸 (1+14)的 100 mL容量瓶中,加入 8mL无水乙醇,用水稀释至 50 mL,混匀。

加 5mL钼酸铵溶液,混匀,于室温放置 20min。室温 ＜15℃时,于约 30℃的水浴中放置 15—20min。

加 20mL混合酸,混匀,放置 1—2min,立即加入5mL硫酸亚铁铵溶液,用水稀释至刻度,混匀。

将部分显色液移入 1cm比色皿中,以相应的空白溶液为参比校零,于分光光度计波长 680 nm处测量吸光度,以二氧化硅量为横坐标,吸光度为纵坐标,绘制工作曲线,如图1所示。

图1 二氧化硅工作曲线

(2)稻壳中二氧化硅含量的测定

称取 105℃电热鼓风干燥箱中干燥 2 h的稻壳1.2—1.4g(精确到 0.0001g)于坩埚中,加 3 g混合熔剂,混匀,再覆盖 1 g混合熔剂。盖上埚盖 (留一缝隙),将坩埚置于 950±20℃高温炉中熔融 10 min,取出,冷却至室温。将坩埚和埚盖放入盛有150mL热水的聚四氟乙烯烧杯中,低温加热浸取熔块至溶液清亮,用热水洗出坩埚及埚盖,冷却至室温。将溶液移入 500mL容量瓶中,用水稀释至刻度,混匀,立即转移至塑料瓶中贮存。随同做空白试验。取部分上述溶液用蒸馏水稀释 10倍,混匀。

移取 5.00mL上述稀释液置于一组预先盛有 8 mL盐酸 (1+14)的 100mL容量瓶中,加入 8mL无水乙醇,用水稀释至 50mL,混匀。

加 5mL钼酸铵溶液,混匀,于室温放置 20min。室温 ＜15℃,于约 30℃的水浴中放置 15—20min。

加 20mL混合酸,混匀,放置 1～2min,立即加入5mL硫酸亚铁铵溶液,用水稀释至刻度,混匀。

将部分显色液移入 1cm比色皿中,以空白为参比,于分光光度计波长 680 nm处测量吸光度。从工作曲线上查得对应 SiO2的量,稻壳灰中 S iO2的百分含量按公式 1计算：

稻壳灰中二氧化硅的含量(%)=

m1：从工作曲线上查得的二氧化硅的量(g)

m：稻壳的质量 (g)

V;储备液的体积 (mL)

V1：分取储备液的体积 (mL)

n：储备液稀释的倍数 (n=10)

(3)二氧化硅溶出率的测定

取预先制备的硅酸钠储备液,方法同上,稀释100倍后,混匀。以下步骤同稻壳中二氧化硅含量的测定方法。二氧化硅溶出率按公式 2计算：

二氧化硅的溶出率 (%)=

m1：V和 V1表示内容与公式 (1)相同;

m：稻壳灰的质量,g;

a：稻壳灰的灰分,%;

b：灰分中 SiO2的百分含量,%;

n：储备液稀释的倍数,n=100.

1.2.2 硅酸钠溶液的制备[7-8]

将稻壳灰过 100目筛,与 NaOH溶液以一定的料液比混合,放入三角烧瓶中,常压下 100℃反应1—6 h,洗涤,过滤,收集滤液即为硅酸钠溶液。

2 结果与分析

分别考虑了料液比,碱浓度,反应时间对稻壳灰中二氧化硅溶出率和水玻璃模数的影响。

2.1 料液比对二氧化硅溶出率和水玻璃模数的影响

固定反应时间 2.5h,碱浓度 2mol/L,在不同料液比条件下对二氧化硅溶出率和水玻璃模数的影响如图2所示：

图2 料液比对二氧化硅溶出率和水玻璃模数的影响

如图2所示,二氧化硅的溶出率随加碱量的增加而增加,但超过 40mL后增长较缓慢;而水玻璃的模数随加碱量的增加而减小。随着加碱量的增加,稻壳灰与碱溶液混合的更加充分,但溶液中所含的碱量也随之增加,故稻壳灰中二氧化硅溶出的量增加,而水玻璃的模数却变小。综合考虑,选择料液比5 g∶40mL为宜。

2.2 碱浓度

固定反应时间 2.5 h,料液比 5 g∶40mL,不同碱浓度条件下对二氧化硅溶出率和水玻璃模数的影响如图3所示：

图3 碱浓度对二氧化硅溶出率和水玻璃模数的影响

如图3所示,二氧化硅的溶出率随着碱浓度的增加而升高,但当碱浓度超过 2mol/L后其变化并不太显著;而模数随着碱液浓度的增大而降低。随着碱浓度的增大,能够与稻壳灰中二氧化硅接触的碱液量增加,从而使二氧化硅的溶出率增加,但碱总量的增加导致了水玻璃模数的下降。因此,如果想要提高二氧化硅的溶出率,可选择浓度高的碱液;而想得到高模数的水玻璃,可以选择低一点浓度的碱液。实际生产中可以根据需要调节碱液浓度来制备不同模数的水玻璃[9-10]。综合考虑选取碱浓度 2mol/L为宜。

2.3 反应时间

固定料液比为 5 g∶40mL,碱浓度为 2mol/L,不同反应时间的条件下对二氧化硅溶出率的和水玻璃模数的影响如图4所示：

图4 反应时间对二氧化硅溶出率和水玻璃模数的影响

如图4所示,二氧化硅的溶出率随反应时间的延长而增高。在反应时间超过 4 h之后,二氧化硅的溶出率变化不太显著,从经济角度考虑,反应时间越长,所需要的能源越大,所以选取反应时间为 4 h。

3 结论

由稻壳灰制备水玻璃,可依照实际需要,通过改变碱浓度来制备不同模数的水玻璃。通过综合考虑,本实验中得到溶出率最高的最佳工艺为：将稻壳灰与 2mol/L的 NaOH按照 5 g∶40mL的比例混合,在常压 100℃下反应 4h,能使稻壳灰中的二氧化硅溶出率达到 90.8%。

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