Safety in Technosphere Safety in Technosphere Безопасность в техносфере 1998-071X 22549 10.12737/article_5b5f05c20b2305.16028454 Экологическая безопасность Ecological safety Экологическая безопасность Two-Phase Structure of Fluorinated Powdered Silica Resulting from Deep Processing of Rice Wastes Двухфазная структура фторированного порошкообразного диоксида кремния, полученного в результате глубокой переработки отходов риса Рашковский А. Ю. Rashkovskiy A. Yu.

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Политова Е. Д. Politova E. D.

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Меркушкин А. О. Merkushkin A. O.

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 Арсентьев М. А. Arsent'ev M. A. Масленкова Е. В. Maslenkova E. V. Смолянский А. С. Smolyanskiy A. S. assafic@gmail.com

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 ООО «Системы для микроскопии и анализа» Москва Россия LLC «Systems for Microscopy and Analysis» Moscow Russian Federation Филиал АО «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л. Я. Карпова» Россия Branch of JSC «Karpov Institute of Physical Chemistry» Russian Federation РХТУ им. Д. И. Менделеева Москва Россия Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia Moscow Russian Federation Филиал АО «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л. Я. Карпова» Москва Россия Branch of JSC «Karpov Institute of Physical Chemistry» Moscow Russian Federation Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н. И. Пирогова» Минздрава РФ Москва Россия Pirogov Russian National Research Medical University (RNRMU) Moscow Russian Federation Филиал АО «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт имени Л. Я. Карпова» Россия Leading Researcher, Branch of JSC «Karpov Institute of Physical Chemistry» Russian Federation РХТУ им. Д. И. Менделеева Россия Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia Russian Federation 7 1 38 44 https://naukaru.ru/en/nauka/article/22549/view

В настоящем исследовании методами физико-химического анализа изучена структура «зеленого» диоксида кремния, изготовленного из рисовой шелухи. Методом рентгеновской дифракции установлено, что образцы порошков «зеленого» диоксида кремния являются полностью аморфными, причём наблюдающееся аморфное гало состоит из двух компонент. Методом растровой электронной микроскопии обнаружено, что наночастицы «зеленого» SiO2 могут образовывать агломераты и микроструктуры размерами от 0.1 до 500 мкм, которые содержат многочисленные поры, наличие которых подтверждено сорбционными измерениями. Методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой установлено наличие примесей алюминия, титана и никеля в порошках «зеленого» SiO2. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии обнаружено значительное содержание атомов фтора в составе «зеленого» диоксида кремния (до 5% (ат.)), которые могли быть введены в SiO2 в процессе его получения.При этом было установлено, что фтор взаимодействует с «зеленым» диоксидом кремния по двум механизмам, что приводит к появлению двух фаз в составе фторированных порошков «зеленого» SiO2.

In this investigation the structure of «green» silica maid with rice husk has been studied by methods of physicochemical analysis. By method of X-ray diffraction it has been found that the samples of «green» silica powders are completely amorphous, and the observed amorphous halo consists of two components. By method of scanning electron microscopy it has been revealed that nano-particles of «green» SiO2 can form agglomerates and microstructures with dimensions from 0,1 to 500 microns, containing numerous pores, which presence has been confirmed by sorption measurements. By method of mass spectrometry with inductively coupled plasma has been found the presence of aluminum, titanium and nickel mechanical impurities in the «green» SiO2 powders. By method of X-ray photoelectron spectroscopy significant amount of fluorine atoms in «green» silica (up to 5% (at.)) has been revealed, which could be introduced in SiO2 in the process of its preparation. In such a case, it was found that fluorine interacts with «green» silica by means of two mechanisms, leading to appearance of two phases within fluorinated powders of «green» SiO2.

 «зеленый» диоксид кремния отходы риса фтор фаза структура. «green» silica rice husks fluorine phase structure.

1. ВведениеПроизводство риса сопровождается возникновением большого количества отходов (до 30% от сухого рисового зерна), включающих солому, цветковую чешую (лузга, шелуха) и отруби (мучка), которые образуются после извлечения зерен риса на предприятиях пищевой промышленности [1]. Известные способы утилизации отходов риса [2–4] путем измельчения и рассеивания на поле в качестве удобрения или сжиганием не являются эффективными из-за возможности загрязнения окружающей среды и/или загрязнения воздуха углекислым газом. Биодеградация отходов риса путем воздействия микроорганизмов занимает продолжительное время и не позволяет быстро переработать большие объемы отходов рисового производства [1]. Как известно [1–4], в соломе и шелухе риса содержание минеральных компонентов достигает 10–20%, среди них основную долю (80–95%) составляет диоксид кремния. Очищенный диоксид кремния из рисовой шелухи или соломы может быть получен посредством пиролиза отходов на воздухе, за которым следует экстракция в щелочных или кислотных растворах [2–4]. Конкурентным преимуществом диоксида кремния, извлекаемого из отходов риса (далее — «зеленого» диоксида кремния или g-SiO2), является его относительно низкая цена по сравнению со стоимостью диоксида кремния, полученного из других источников [2–4]. Очевидно, химический состав рисовой соломы или шелухи во многом определяется климатическими условиями и качеством почв, где произрастает растение [5]. На состав «зеленого» диоксида кремния также влияют особенности применяемой технологии глубокой переработки отходов риса. Поэтому эффективное использование «зеленого» диоксида кремния может осуществляться в разных направлениях, что предполагает предварительное изучение структуры и свойств вновь полученного материала. Цель настоящего исследования состояла в изучении элементного состава и структуры порошкообразного «зеленого» диоксида кремния, произведенного WATERS MOOTH LTD, Company (Shenzhen, People’s Republic of China).2. Экспериментальная частьИсследовали порошки g-SiO2 производства WATER SMOOTH LTD, Company (Shenzhen, People’s Republic of China) без предварительной обработки. Размер и форму наночастиц, агломератов, нано-/микроструктур g-SiO2 определяли путем анализа электронно-микроскопических изображений, полученных с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) Versa 3D™ DualBeam™. Наличие кристаллической и аморфной фазы определяли методом рентгеновской дифракции (РД) с применением дифрактометра ДРОН‑3М, оборудованного медным анодом (длина волны характеристического излучения λCu = 1,5406 Å).

Козьмина Е. П. Рис и его качество. M., Колос, 1966, 159 c. Koz’mina E. P. Ris i ego kachestvo [Rice and its quality]. Moscow, Kolos Publ., 1966. 159 p. (in Russian) Covindarao Venneti M. H. Utilization of rice hack a preliminary analysis. Journal of Scientific and Industrial Research, 1980, V. 39, № 9, pp. 495-515. Covindarao Venneti M. H. Utilization of rice hack a preliminary analysis. Journal of Scientific and Industrial Research, 1980, V. 39, № 9, pp. 495-515. Сергиенко В. И., Земнухова Л. А., Егоров А. Г. и др. Возобновляемые источники химического сырья: комплексная переработка отходов риса и гречихи. Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева), 2004, Т. 48, № 3. С. 116-124. Sergienko V. I., Zemnukhova L. A., Egorov A. G. Vozobnovlyaemye istochniki khimicheskogo syr’ya: kompleksnaya pererabotka otkhodov risa i grechikhi [Renewable sources of chemical raw materials: complex processing of rice and buckwheat waste]. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal (Zhurnal Rossiyskogo khimicheskogo obshchestva im. D. I. Mendeleeva) [Russian Chemical Journal (Journal of the Russian Chemical Society named after D. I. Mendeleyev)]. 2004, V. 48, I. 3, pp. 116-124. (in Russian) Ефремова С. В. Рисовая шелуха как возобновляемое сырье и пути ее переработки // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева), 2011, Т. 55, № 1. С. 57-62. Efremova S. V. Risovaya shelukha kak vozobnovlyaemoe syr’e i puti ee pererabotki [Rice husk as a renewable raw material and ways of its processing]. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal (Zhurnal Rossiyskogo khimicheskogo obshchestva im. D. I. Mendeleeva) [Russian Chemical Journal (Journal of the Russian Chemical Society named after D. I. Mendeleyev)]. 2011, V. 55, I. 1, pp. 57-62. (in Russian) Geetha D., Ananthiand A., Ramesh P. S. Preparation and Characterization of Silica Material from Rice Husk Ash - An Economically Viable Method. Research & Reviews: Journal of Pure and Applied Physics, 2016, V. 4, № 3, pp. 20-26. Geetha D., Ananthiand A., Ramesh P. S. Preparation and Characterization of Silica Material from Rice Husk Ash - An Economically Viable Method. Research & Reviews: Journal of Pure and Applied Physics, 2016, V. 4, I. 3, pp. 20-26. Puziy A. M., Poddubnaya O. I., Gawdzik B. et al. Comparison of heterogeneous pore models QSDFT and 2D-NLDFT and computer programs ASiQwin and SAIEUS for calculation of pore size distributionюAdsorption, 2016, V. 22, № 4-6, pp. 459-464. https://doi.org/10.1007/s10450-015-9704-6 Puziy A. M., Poddubnaya O. I., Gawdzik B.et al. Comparison of heterogeneous pore models QSDFT and 2D-NLDFT and computer programs ASiQwin and SAIEUS for calculation of pore size distribution Adsorption, 2016, V. 22, № 4-6, pp. 459-464. Available at: https://doi.org/10.1007/s10450-015-9704-6 Васильев Д. М. Дифракционные методы исследования структур. М.: Металлургия, 1977, 248 с. Vasil’ev D. M. Difraktsionnye metody issledovaniya struktur [Diffraction methods for studying structures]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1977. 248 p. (in Russian) Langford J. I., Wilson A. J.C. Scherrer after sixty years: A survey and some new results in the determination of crystallite size. Journal Applied Crystals, 1978, V.11, pp. 102-113. Langford J. I., Wilson A. J.C. Scherrer after sixty years: A survey and some new results in the determination of crystallite size. Journal Applied Crystals, 1978, V.11, pp. 102-113. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984, 306 с. Greg S., Sing K. Adsorbtsiya, udel’naya poverkhnost’, poristost’ [Adsorption, specific surface, porosity]. Moscow, Mir Publ., 1984. 306 p. (in Russian) Wu M. K. The Roughness of Aerosol Particles: Surface Fractal Dimension Measured Using Nitrogen Adsorption. Aerosol Science and Technology, 1996, V. 25,№ 4, pp. 392-398 DOI: 10.1080/02786829608965404 Wu M. K. The Roughness of Aerosol Particles: Surface Fractal Dimension Measured Using Nitrogen Adsorption. Aerosol Science and Technology, 1996, V. 25, № 4, pp. 392-398 DOI: 10.1080/02786829608965404 Варгафтик М. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972, 720 с. Vargaftik M. B. Spravochnik po teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey [Guide on the Thermophysical Properties of Gases and Liquids]. Moscow, Nauka Publ., 1972. 720 p. (in Russian) Гуськова О. П., Воротынцев В. М., Фаддеев М. А. и др. Расчеты электронной структуры диоксида кремния, модифицированного фтором // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского, 2013, № 1 (1), С. 43-47. Gus’kova O.P., Vorotyntsev V. M., Faddeev M. A. Raschety elektronnoy struktury dioksida kremniya, modifitsirovannogo ftorom [Calculations of the electronic structure of silicon dioxide modified by fluorine]. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N. I. Lobachevskogo [Bulletin of the Nizhny Novgorod University N. I. Lobachevsky]. 2013, I. 1 (1), pp. 43-47. (in Russian) Князев В. К., Сидоров Н. А., Курбаков В. Г. и др. Радиационная стойкость материалов радиотехнических конструкций. Справочник / под ред. Н. А. Сидорова, В. К. Князева, М.: Советское радио, 1976, 568 с. Knyazev V. K., Sidorov N. A., Kurbakov V. G. Radiatsionnaya stoykost’ materialov radiotekhnicheskikh konstruktsiy. Spravochnik [Radiation resistance of materials of radio engineering structures. Reference book]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1976. 568 p. (in Russian)