稻壳灰制备介孔分子筛的改性及其吸附性能研究(4)
1.3 稻壳提取SiO2
1.3.1 稻壳的组成
稻壳中含有丰富的纤文素、木质素、二氧化硅以及少量的脂肪和蛋白质。稻壳的化学组成因稻谷的品种、气候和地区的不同而不同，其大致组成为：粗纤文35.5%~45％（缩聚戊糖16%~22％）、木质素21%~26％、灰分11.4%~22％、二氧化硅10%~21％。稻壳中富含硅是水稻在生长发育过程中从土壤中吸收富集而来，主要存在于外表层及表皮毛中，内部及内表层的Si含量很低[14]。由稻壳的X射线衍射结果可以看出，其中的硅主要是以非晶态形式存在，因此化学反应活性很高。
1.3.2 稻壳制备SiO2的研究进展
我国年产稻谷约2亿t，稻壳约占稻谷质量的30%，按其计算，我国稻谷加工厂年副产稻壳0.6亿t，因此，开展稻壳的资源化研究，变废为宝，具有重要的经济和社会意义[14]。
稻壳中硅的综合利用主要有以下二种路线：一是利用稻壳灰份中高硅含量，进一步制成各种含硅产品，如水玻璃、白炭黑、稻壳水泥、高温耐火材料等；二是稻壳直接经过物理和化学处理得到硅化物， 如多孔二氧化硅、高纯硅、硅肥、精细陶瓷等[15]。MCM-41的合成，通常以价格昂贵的正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，且常用的TEOS中SiO2，质量含量仅约为28％，因此寻找其替代材料是该材料研究的方向之一[16]。稻壳中含有较丰富的非晶态硅(以SiO2计约为20％)[17]，以稻壳为硅源提取二氧化硅合成介孔材料是稻壳利用的一条有效途径。
目前，国内利用稻壳制白炭黑（二氧化硅）和纳米白炭黑的研究甚多，其工艺可分为干法和湿法两种，湿法为先将稻壳灰和碱反应生成水玻璃，水玻璃和酸反应生成白炭黑。其优点为白炭黑产品质量高，但工艺较复杂，和以石英砂为原料制白炭黑的工艺类同，并无成本优势。干法为直接燃烧稻壳得到稻壳灰，后经粉碎制得白炭黑。其优点为工艺简单，制造成本低，缺点为产品质量低，白度只有85%左右。干法工艺关键是提高产品的质量[18]。
李万海等[19]研究了以稻壳为原料不经过生成水玻璃的中间环节而直接制备白炭黑(沉淀二氧化硅)的新方法，通过在稀盐酸中煮沸、干燥后，在一定温度下煅烧，可制得优质二氧化硅。对新方法制备二氧化硅的工艺条件进行了研究，确定了反应的最佳工艺条件：盐酸质量分数为3%，煮沸时间为4 h，煅烧温度为
550℃。此条件下制得的二氧化硅与传统方法相比，工艺条件更为简单，成本更为低廉。
丁开宇等[20]采用改进的沉淀法以稻壳灰为原料制备了水玻璃和高纯度白炭黑， 详细阐述了其中关键控制因素对产品质量的影响规律， 如搅拌速度、反应时间、料液比和碱液浓度对稻壳灰中二氧化硅溶出率及所制备的水玻璃的模数的影响; 以及水玻璃模数、水玻璃中二氧化硅浓度、反应终点pH、反应温度、螯合剂用量、硫酸溶液浓度、硫酸溶液添加速度和陈化时间对白炭黑纯度的影响。加入一定量的螯合剂起到了螯合金属离子和调节二氧化硅粒子周围双电层的作用， 均起到了增大产品纯度的作用。
刘娟等[21]利用稻壳灰与NaOH溶液反应制备水玻璃。采用正交试验设计，研究NaOH溶液质量分数、物料比( NaOH 溶液与稻壳灰的质量比)、反应时间和反应温度对SiO2溶出率和水玻璃模数的影响。对正交试验结果进行了极差分析和方差分析，两种分析方法得出的结论一致。最优方案为为NaOH 溶液质量分数为20%，物料比为3:1，反应时间4h，反应温度100℃。经试验验证，最优方案的溶出率和模数分别达到95.74%和3.3，为最优试验结果。
周小春等[22]将稻壳在盐酸中浸泡、煮沸、回流、干燥后，置于600℃燃烧，并保温2 h，制得了一系列二氧化硅气凝胶样品。重量法分析表明这些二氧化硅气凝胶中二氧化硅质量分数为99%以上，并采用了激光粒度仪、比表面测定仪(BET方法)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)和扫描电镜(SEM)等研究了二氧化硅气凝胶样品，同时对使用稻壳能够成功制备二氧化硅气凝胶方法进行了探讨。