Получение активированного углеродного материала путём термической переработки растительного сырья на примере рисовой шелухи

Актуальность

В настоящее время в России размер посевных площадей риса достигает 200 тысяч гектаров, но при этом отходы переработки риса – рисовая шелуха - находят широкое, но недостаточное применение. Большую часть рисовой шелухи сжигают, в то время как производство эффективных сорбентов на её основе в противовес активированному углю из импортной скорлупы кокоса могло бы способствовать улучшению экологической обстановки. Использование сорбента на основе рисовой шелухи позволит совершенствовать мероприятия по очистке воды и воздуха от вредных примесей в агропромышленном комплексе, решить проблему утилизации отходов с одновременным производством востребованного продукта-сорбента для очистки питьевой воды и сточных вод.

Цель

Получить активированный углеродный материал из рисовой шелухи путём её термической переработки.

Задачи

1. Провести анализ научной и патентной литературы по теме исследования.

2. Выбрать процессы термической переработки рисовой шелухи и подобрать условия их проведения.

3. Получить сорбирующий продукт и сравнить его с активированным углём по сорбирующей способности в эксперименте по очистке воды.  

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Аналитические весы

• Термометр на 200 градусов

• Круглодонная колба

• Электроплитка

• Кварцевый реактор со встроенным задатчиком температуры

• Термопара

• Химические ловушки

• Реакционный стакан с перфорированным дном

• Блок питания

Описание

На первом этапе работы осуществлялась предварительная сушка рисовой шелухи, которая затем подвергалась процессу карбонизации. Данный процесс осуществлялся на экспериментальной лабораторной установке. Реакционный стакан с рисовой шелухой помещали в кварцевый реактор, включали электрический нагреватель реактора и устанавливали температуру процесса с помощью встроенного задатчика. Для сбора смолы и контроля начала и окончания процесса использовали две ловушки, одна из которых была наполнена водой. Температура контролировалась с помощью термопары.  Полученный карбонизированный продукт имел чёрный цвет и сохранял свою исходную морфологическую форму.

Затем полученную навеску карбонизата помещали в реакционный стакан, который устанавливали в кварцевый реактор. Парогенератором служила колба, в которую налили дистиллированную воду, насыпали осколки керамики для предотвращения появления местного перегрева и установили с помощью штатива на электрическую плитку. Температура поддерживалась автоматически и контролировалась с помощью термопары. Для выходящих газов была установлена ловушка. Работа выполнялась под тягой с опущенным защитным стеклом и в защитных очках в соответствии с инструкцией при возможном выделении водорода.

Полученный активированный углеродный материал

Для испытания полученного активированного углеродного материала в качестве сорбента был проведён эксперимент по очистке сточных вод и подкрашенного для большей наглядности раствора с примесью гуаши. Исследуемый сорбент поместили в стакан с перфорируемым дном, сверху находилась делительная воронка с грязной водой, после чего начиналась подача воды на очистку. Вода, пройдя сорбирующий агент, стекала в стакан для дальнейшего анализа.

Результаты

1. Разработана аппаратурно-технологическая схема получения углеродного материала-сорбента, включающая в себя сушку при 200 ºС, карбонизацию при 500 ºС и активацию водяным паром при температуре 900 ºС и скорости нагрева исходного сырья 15 ºС/мин.

2. Выход сорбирующего углеродного материала из рисовой шелухи составил 13 %.

3.Полученный сорбент на основе рисовой шелухи показал большую сорбционную способность по сравнению с активированным углём марки АГ-4. Раствор после активированного угля марки АГ-4 был окрашен, в то время как использование активированного углеродного материала из рисовой шелухи давало прозрачные растворы, не имеющие запаха, в том числе и в применении к очистке сточных вод.

Выводы

Экспериментальным путём доказана более высокая сорбционная способность полученного продукта по сравнению с активированным углём марки АГ-4, используемом в промышленности. Это говорит о более развитой площади удельной поверхности углеродного материала и его применимости в качестве сорбента.

Перспективы использования результатов работы

Сорбирующий продукт может быть использован для очистки воды разной степени загрязнения. Область применения полученного продукта сопоставима с областью применения активированного угля: химическая, фармацевтическая и пищевая промышленность, медицина.

Награды/достижения

Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся 2020 года – победитель.

Мнение автора

«Я очень доволен полученным результатом, готов к сотрудничеству и дальнейшей плодотворной и кропотливой работе. Мне нравится проект «Медицинский класс в московской школе», считаю его необходимым, чрезвычайно полезным для учащихся, твёрдо решивших связать свою жизнь с медициной.

Конференция «Старт в медицину» позволила мне проявить свои способности, применить знания и навыки на практике, дала надежду на поступление в медицинский вуз, что особенно важно сейчас для меня. Большое спасибо!»