ЦАИЭИ

Теплоизоляционные композиты на основе рисовой шелухи: исследование свойств

В настоящее время в связи с интенсивным развитием производства серьезной проблемой, нарушающей гармоничное развитие биосферы, является образование различных техногенных отходов, складирование которых ведёт не только к загрязнению, но и к нерациональному использованию земельных угодий, создаёт реальные угрозы значительных загрязнений атмосферы, росту транспортных расходов и безвозвратной потере ценных материалов и веществ.

Переработка же отходов позволяет высвобождать дефицитные земельные угодья, отводимые под отвалы, и весьма существенно снизить загрязнение природной среды. Поэтому все более актуальной задачей экономического развития промышленно-развитых стран, в том числе и Казахстана, становится рациональное использование природных ресурсов, создание безотходных технологий и производств.

Значительная доля отходов приходится на сельскохозяйственное производство, к которым, в частности, относится и рисовая шелуха. Утилизация последней – важная задача для всех стран, занимающихся возделыванием и переработкой рисовой культуры: только в Казахстане на рисоперерабатывающих заводах ежегодно образуется около 50 тыс. тонн вышеуказанных отходов, направляемых, в основном, в отвалы, создавая значительные экологические трудности. Задача переработки рисовой шелухи практически не решена и в других рисосеящих странах (Китае, Индии, США, России) и на протяжении многих лет не теряет своей актуальности.

В условиях активного проведения политики внедрения ресурсосберегающих технологий и предотвращения загрязнения окружающей среды существенное значение приобретает утилизация рисовой шелухи в энергосберегающем режиме, то есть в ее естественном виде, в частности, получение композиционных материалов различного назначения. При этом решаются как задачи комплексного использования растительного сырья, так и экологические проблемы в регионах рисопереработки. Утилизация отходов рисопереработки в энергосберегающем режиме позволит сократить площади сельскохозяйственных земель, занимаемых этими отходами и снизить выбросы токсичных веществ в атмосферу, выделяемых при пиролизе рисовой шелухи вследствие деструкции ее компонентов.

Одним из перспективных направлений утилизации рисовой шелухи без ее термохимической переработки является создание новых теплоизоляционных материалов с использованием рисовой шелухи в качестве наполнителя.

Следует отметить, что в настоящее время одной из актуальных задач современной технологии строительных теплоизоляционных материалов является поиск альтернативных видов сырья для замены дорогостоящих и дефицитных ингредиентов, к которым относятся, например, полимерные наполнители.

Теплоизоляционные материалы широко применяются в отечественной и зарубежной практике при строительстве жилых и промышленных зданий, а также для теплозащиты технологического, энергетического и холодильного оборудования.

Теплоизоляционные материалы – разновидность строительных материалов, характеризующихся малой теплопроводностью. Разность температур в средах, разделенных ограждением, приводит к переходу тепла от нагретой к холодной среде. Цель теплоизоляции – ограничить количество передаваемого тепла.

Однако, для достижения значительного теплосопротивления необходимо делать либо ограждения большой толщины, что нецелесообразно как с экономической, так и технологической точек зрения, либо применять теплоизоляционные материалы, позволяющие существенно уменьшить толщину ограждения. Последнего можно достичь, применяя теплоизоляционные материалы с высокой пористостью, поскольку воздух, заполняющий поры таких материалов является плохим проводником тепла.

Теплоизоляционные материалы получают из различных видов минерального и полимерного сырья по различным технологиям. Наиболее старыми теплоизоляционными материалами являются камышит и соломит, а также минеральная вата. В настоящее время к теплоизоляционным материалам относятся древесноволокнистые плиты, цементный фибролит, ячеистый бетон, пеностекло, газонаполненные пластмассы, полимербетоны и др.

Однако, полимерные материалы, в том числе и наполнители, в Казахстане не производятся, а потребность в теплоизоляционных строительных материалах не иссякает. Наполненные вспененным полистиролом строительные блоки в настоящее время импортируются из Китая.

На основании изложенного, цельюданной работы является исследование возможности замены импортных полимерных наполнителей строительных теплоизоляционных материалов на отходы рисопереработки – рисовую шелуху (РШ).

Объектом исследования в настоящей работе является рисовая шелуха Кызылординской области – отход рисопереработки.

Истинная плотность шелухи равна 0,735 г/см3, а насыпная лишь 0,1 г/см3. Измельченная в различной степени шелуха имеет насыпную плотность от 0,19-0,21 до 0,38-0,4 г/см3. Насыпная плотность золы рисовой шелухи 0,1÷0,2 г/см3 [1].

Основу рисовой шелухи составляют различные полимерные органические соединения в количестве до 70% весовых. Самый высокий процент приходится на долю целлюлозы 40-45%, лигнина ~ 20-25% и гемицеллюлозы ~ 15% [2].

Спектральным анализом установлено присутствие в шелухе следующих элементов: Ca, Mg, Al, Cu, Mn, Fe, K, Na, Ti, Co и др. Преобладают оксиды Ca, Mg, Al, Fe.

Методы исследования — термический анализ, рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопический анализ

Теплоизоляционные материалы получали путем замеса цемента, песка и воды при различных соотношениях и последующем твердении образцов в естественных условиях, то есть в энергосберегающем режиме. Водоцементное отношение выбирали в пределах 0,3 – 0,6.

В качестве образца сравнения использовали теплоизоляционные материалы с добавкой полистирола по традиционной технологии [3]. В исследуемых образцах полистирол был заменен на рисовую шелуху. Для полученных образцов рассчитывали среднюю плотность, определяли пористость, а об удобоукладываемости или подвижности бетонной смеси судили по расплыву конуса, для чего определенный объем смеси помещали на специальную подставку и замеряли диаметр окружности в основании образовавшегося конуса.

В процессе приготовления теплоизоляционных материалов было также использовано в качестве добавки полимерное связующее марки ENVIRО-BOND SBRTM – каучуковая эмульсия, модифицированная стирол-бутадиеном, представляющая собой белую жидкость, применяемую для повышения качества замешиваемых на месте цементных растворов. Кроме того, была использована органическая добавка, полученная в результате пиролиза рисовой шелухи, содержащая, согласно данным газо-жидкостной хроматографии [4] карбоновые кислоты, фенолы и органические спирты. Поданным авторов [4] эта добавка обладает выраженным антимикробным действием на культуры Е, coli, Bag, subtilis, St. anreus Botritis cinerea и др. и может быть использована в качестве бактерицидного и обеззараживающего средства. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 Состав и свойства стройматериалов с добавкой РШ (марка цемента М400)

Из анализа представленных результатов следует, что образцы, полученные на основе цемента М-400 с добавкой песка и полистирола по традиционной технологии при водоцементном отношении 0,30-0,38 имеют среднюю расчетную плотность 400-760 г/см3 и расплыв конуса в пределах 32-35 мм. Пористость этих образцов лежит в пределах 1,6 – 4,2 % (таблица 1). Добавка рисовой шелухи вместо полистирола при том же водоцементном отношении несколько снижает расплыв конуса, тогда как пористость и средняя расчетная плотность материала практически не меняются (таблица 1).

При замене песка на рисовую шелуху для получения удобоукладываемой смеси водо-цементное отношение пришлось увеличить в 2 раза, при этом средняя плотность образцов уменьшилась при некотором увеличении пористости. Следует отметить, что при низком водо-цементном отношении прочность образцов была невысокая и они легко разрушались Увеличение расхода цемента и рисовой шелухи при массовом отношении цемент:рисовая шелуха = 6:1 и водо-цементном отношении 0,4-0.6 не только в 2 раза увеличило среднюю плотность, но и привело к значительному увеличению пористости – от 4,2% до 10 – 25% (таблица 1).

Более высокая пористость способствует повышению теплопроводности поэтому для дальнейших исследований теплопроводности и прочности в качестве оптимальных составов были выбраны образцы с водо-цементным отношением 0,4-0,45 и отношении цемент:рисовая шелуха = 6:1.

Из анализа полученных результатов следует, что оптимальным составом теплоизоляционных материалов, обладающими высокими прочностными и теплоизоляционными свойствами и исключающими использование импортных органических добавок являются материалы, содержащие цемент марки М-400, воду и рисовую шелуху в соотношении Ц/РШ = 6:1 при водоцементном отношении 0,40 – 0,45. Кроме того, возможно добавление органической добавки, получаемой при пиролизе рисовой шелухи в количестве 10 масс.% от массы цемента.

Технология получения заключается в смешении цемента, воды и рисовой шелухи при заданном соотношении в течение 10 минут в смесителе. Возможна также добавка органического компонента – продукта пиролиза рисовой шелухи в количестве 10 масс.% от расхода цемента. Полученная смесь укладываетсявформы, затем на смесь кладут гиперплиту и подводят форму под пресс. Сформованная панель сушится в естественных условиях в течение 2-3 суток (в зависимости от количества добавленной воды). Затем производят распалубку форм, снятие панелей, проверка их качества и отправка на склад. Формы очищают, смазывают и собирают для формования следующей партии панелей.

Данная технология является энергосберегающей, так как процесс сушки и формования панелей проводят без подвода внешнего тепла. Кроме того, в технологии предусматривается использование отходов рисового производства, что будет способствовать улучшению экологической обстановки в Кызылординской области. При получении строительных панелей с добавлением к бетонной смеси органической добавки, полученной в результате пиролиза рисовой шелухи, разработанные материалы также приобретают бактерицидные свойства, что будут препятствовать развитию различных грибковых поражений строительных конструкций.

Список литературы

  1. Ефремова С.В., Сухарников Ю.И., Бунчук Л.В. Жарменов А.А. Переработка рисовой шелухи с получением новых материалов полифункционального назначения // Комплексная переработка минерального сырья Казахстана. Состояние проблемы, решения. – Алматы, 2008. – Т. 10. – Глава 6. – С. 243-277.
  2. Рис и его качество. – М.: «Колос», 1989. — с.277.
  3. Горяинов К.Э., Коровникова В.В. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий. — М.: Высшая школа, 1975. – 176 с.
  4. Никонов Г.К., Бурковская Л.Ф., Артамонова Н.А. , Челохсаева Г.Л. Химический состав и биологическая активность продуктов пиролиза рисовой шелухи//Гидролизная и лесохимическая пром-сть. – 1990. — №7. – С.18-21.

Тасмагамбетова Асель Иманагалиевна — Учредитель ТОО «Центрально-Азиатский институт экологических исследований». Адрес: проспект Достык 250, Медеуский район, город Алматы, тел.+7 727 332 21 90, [email protected]

Товасаров Адылхан Дадебаевич — к.х.н., генеральный директор, ТОО «Центрально-Азиатский институт экологических исследований». Адрес: проспект Достык 250, Медеуский район, город Алматы, тел.+7 727 332 21 90, [email protected]

Марконренков Юрий Александрович – д.т.н., профессор, заведующий лабораторией кремнеуглеродистых композитов РГП Национального центра по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан. Адрес: г. Алматы, ул.Жандосова, 67, тел. 8 (727) 259 00 70 внутр. 161, факс 8 (727) 259 00 75.

Кенчинов Д.С. — РГП Национального центра по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан. Адрес: г. Алматы, ул.Жандосова, 67, тел. 8 (727) 259 00 70 внутр. 161, факс 8 (727) 259 00 75.

Кабланбеков Асхат — РГП Национального центра по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан. Адрес: г. Алматы, ул.Жандосова, 67, тел. 8 (727) 259 00 70 внутр. 161, факс 8 (727) 259 00 75.

Конырбаев Рустем Толеутаевич — начальник лаборатории экологического мониторинга ТОО «Центрально-Азиатский институт экологических исследований». Адрес: проспект Достык 250, Медеуский район, город Алматы, тел.+7 727 332 21 90, [email protected]

Акберлиев Аслан Бузаубакович — научный сотрудник лаборатории экологического мониторинга ТОО «Центрально-Азиатский институт экологических исследований». Адрес: проспект Достык 250, Медеуский район, город Алматы, тел.+7 727 332 21 90, [email protected]

Оставить комментарий