CZ305968B6 - Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí charakteristických jeho vysokým obsahem - Google Patents
Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí charakteristických jeho vysokým obsahem Download PDFInfo
- Publication number
- CZ305968B6 CZ305968B6 CZ2015-210A CZ2015210A CZ305968B6 CZ 305968 B6 CZ305968 B6 CZ 305968B6 CZ 2015210 A CZ2015210 A CZ 2015210A CZ 305968 B6 CZ305968 B6 CZ 305968B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- biomorphic
- silica
- minutes
- plant parts
- nanoparticles
- Prior art date
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 149
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 title abstract description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims abstract description 39
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 35
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 4
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims description 46
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 claims description 16
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 claims description 15
- 239000012074 organic phase Substances 0.000 claims description 14
- 239000010903 husk Substances 0.000 claims description 12
- 229940109850 royal jelly Drugs 0.000 claims description 10
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 9
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 9
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 9
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 9
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 claims description 3
- -1 aluminum ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 241000195955 Equisetum hyemale Species 0.000 claims description 2
- 240000005979 Hordeum vulgare Species 0.000 claims description 2
- 235000007340 Hordeum vulgare Nutrition 0.000 claims description 2
- QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N aqua regia Chemical compound Cl.O[N+]([O-])=O QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 18
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 15
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 13
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 9
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 8
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 description 3
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 3
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000758993 Equisetidae Species 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 230000008635 plant growth Effects 0.000 description 2
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229910002656 O–Si–O Inorganic materials 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000209049 Poa pratensis Species 0.000 description 1
- 240000000111 Saccharum officinarum Species 0.000 description 1
- 235000007201 Saccharum officinarum Nutrition 0.000 description 1
- 229910018557 Si O Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000052616 bacterial pathogen Species 0.000 description 1
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000002144 chemical decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003925 fat Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000013332 literature search Methods 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 150000002989 phenols Chemical class 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000009993 protective function Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 239000000341 volatile oil Substances 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Podstata metody získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí spočívá v tom, že rostlinné části se bez jakékoliv předchozí úpravy vloží do nádoby mikrovlnného reaktoru o mikrovlnném výkonu maximálně 1500 W s obsahem 65% kyseliny dusičné nebo s obsahem lučavky královské tvořené směsí tří dílů 65% kyseliny dusičné a jednoho dílu 38% kyseliny chlorovodíkové po dobu 50 minut až 70 minut. Následná rozkladná reakce vložených rostlinných částí probíhá ve třech časových kontinuálních úsecích, kdy v prvém časovém úseku 15 minut se realizuje náběh teploty v mikrovlnném reaktoru na hodnotu 190 .degree.C až 230 .degree.C, růst tlaku na hodnotu 5,5 MPa při maximálním výkonu mikrovlnného reaktoru 1500 W, načež následuje vlastní rozklad rostlinného materiálu probíhající po dobu 20 minut až 40 minut při teplotě 230 .degree.C, tlaku 5,5 MPa a mikrovlnném výkonu reaktoru v rozmezí 600 W až 750 W. Po vypnutí mikrovlnného zdroje se ve zbývajícím třetím časovém úseku ponechá klesnout teplota na hodnotu cca 75 .degree.C a tlak na hodnotu cca 0,5 MPa a získané aglomeráty nanočástic biomorfního oxidu křemičitého se promyjí destilovanou vodou do hodnoty pH 7 a následně osuší. Takto získané nanočástice biomorfního oxidu křemičitého z rozkladného procesu se nadále uchovávají buď ve vodném roztoku, nebo se vysuší na prášek.
Description
Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí charakteristických jeho vysokým obsahem
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu rozkladu rostlinných částí a získání nanočástic oxidu křemičitého, které jsou v těchto rostlinných částech obsažené. Určité druhy rostlin například Equisetophyta nebo Oryza sativa a zejména některé jejich části jako stonky nebo obaly zrn obsahují značné množství oxidu křemičitého. Tento oxid ve formě částic nanometrových rozměrů vytváří mikroskopicky pozorovatelné prostorové struktury charakteristické pro jednotlivé druhy rostlin, které zůstávají zachovány i po odstranění organické fáze. Oxid křemičitý je současně doprovázen dalšími ionty, jako jsou draslík, sodík, vápník, hliník, hořčík. Ty jsou důležité pro růst rostlin a rostlina je schopna je absorbovat svým kořenovým systémem z půdních roztoků. Odstraněním organické fáze, která je s nanočásticemi oxidu křemičitého pevně spojena a odstraněním shora uvedených doprovodných iontů, pro konečný produkt nežádoucích iontů, jsou získány nanočástice oxidu křemičitého - siliky charakteristických rozměrů, čistoty, měrného povrchu a struktury.
Dosavadní stav techniky
Tvorba oxidu křemičitého - siliky živými organismy, rostlinami i živočichy, je podmíněna existencí vodného prostředí a probíhá z nenasyceného roztoku kyseliny křemičité, při atmosférickém tlaku a v teplotním intervalu od 4 °C do 40 °C. Tato biologická produkce dosahuje ročně gigatun a převyšuje tak současnou průmyslovou výrobu siliky. Procesy, kterými ke vzniku siliky v rostlinách dochází, jsou předmětem rozsáhlých výzkumů. Je zřejmé, že organické prostředí s obrovským spektrem bílkovin, uhlovodíků, tuků, iontů kovů a fenolických sloučenin, ve kterém tyto procesy probíhají je natolik komplikované, že jeho napodobení dosud nebylo úspěšné.
Nejjednodušší forma siliky je monomer kyseliny orthokremičité, vytvořené z křemíku, který je obklopen čtyřmi hydroxylovými skupinami ve formě tetraedru. Jedná se o všudypřítomnou sloučeninu nacházející se v půdě v nízké koncentraci jen několika mg/kg. Právě v této formě jsou rostliny schopné křemík získávat z půdního roztoku a akumulovat jej. V případě, že jeho koncentrace v rostlině přesáhne hodnotu 100 až 200 mg/kg dochází k procesu polykondenzace. Polykondenzační reakce vedou k polymerizaci monomeru a tvorbě stabilních zárodků s kritickou velikostí. Dále dochází k narůstání zárodků do tvaru sférických částic, agregaci částic do formy rozvětvených řetězců nebo strukturních motivů. Jakmile částice dosáhnou velikosti 1 až 3 nm, (takto jsou v přírodě nacházeny), dojde k vytvoření záporného náboje. Nabité částice pak interagují s prostředím, které je obklopuje. Tímto prostředím je stěna rostlinné buňky, ke které jsou částice vázány. Proces kondenzace siliky je ovlivňován mnoha různými faktory jako je koncentrace kyseliny křemičité, teplota, pH, přítomnost doprovodných iontů. Ve všech případech materiál, který je rostlinou utvářen, je tvořen tetraedry SiO4 s variabilními vazebnými úhly O-Si-O a délkami vazeb Si-O. Materiál je v rozměru 1 nm amorfní. Obsahuje hydroxylové skupiny a podle reakčního prostředí a typu organismu, ve kterém se silika formuje, se liší různými parametry.
Mezi strukturami vytvářenými z nanočástic siliky jsou velké rozdíly v závislosti na druzích rostlin. Silika prostupuje celou strukturou rostliny nebo vytváří povrchové a podpovrchové vrstvy, které mají typickou ochrannou funkci, jak bylo identifikováno například při studiu rýžových slupek. Tloušťka takových vrstev se pohybuje řádově v jednotkách mikrometrů. Vrstvy jsou vytvářeny nanostrukturovanými částicovými útvary o rozměrech v rozmezí 10 až 60 nm. Vrstev může být nad sebou několik a jsou jasně rozlišitelné.
Z hlediska chemického složení je silika v rostlinách většinou doprovázena dalšími ionty v různých koncentracích - sodíkem, draslíkem, vápníkem, hořčíkem, hliníkem. Tyto ionty jsou důležité pro růst rostliny, ale jsou nevhodné z hlediska získávání nanočástic oxidu křemičitého jako
-1 CZ 305968 B6 produktu rozkladného procesu neboť snižují jeho čistotu, zvětšují velikost částic a snižují měrný povrch. Částice siliky jsou velmi pevně svázány s organickou fází, která je obklopuje a která je tvořena v největší míře celulózou, hemicelulózou a ligninem.
Pro získání nanočástic přírodní tedy biomorfní siliky požadovaných parametrů je zapotřebí odstranit jak nežádoucí doprovodné ionty, tak organickou fázi a uvolnit nanočástice siliky z přírodního kompozitního systému, ve kterém zastávají z mechanického hlediska funkci výztuže.
Mezi nejběžnější způsoby zpracování rostlinných zbytků za účelem získání biomorfního oxidu křemičitého s vysokou čistotou, malou velikostí částic a přiměřenou porozitou patří tepelné úpravy následované úpravami chemickými nebo chemické úpravy následované úpravami tepelnými, dále hydrotermální úpravy a biochemické úpravy opět následované tepelnými úpravami. Tepelné úpravy - teploty spalování se pohybují v rozmezích 400 °C až 900 °C, při teplotách nad 1100 °C dochází k přeměně amorfní siliky v krystalickou. Silika získaná všemi dosud známými způsoby je analogická silice vyráběné průmyslovými procesy při teplotách cca 1700 °C. Všechny metody využívající proces spalování popsané v řadě článků a patentů, např. KR 20130060297-A „Method of preparation high-purity silica derived from rice husk“, RU 2003125691-A „Method of production of silicon dioxide from wastes of rice production and device for realization of this method“, WO 02/092507 Al „Proces for production of high purity amorphous silica from biogenic materiál“, zahrnují vícekrokový postup sestávající z promytí suroviny vodou, její vysušení, dále chemickou úpravu mletých nebo nemletých částí rostlin nutnou k odstranění doprovodných iontů a poté jejich spálení, kterým se zajistí odstranění organické fáze. Pálení rostlinných částí stojí podle navržených technologií na počátku nebo na konci technologického procesu. Chemická předúprava, která je zásadní pro získání výsledného produktu, to je nanostrukturovaného biomorfního oxidu křemičitého s vysokou čistotou, respektive s velmi malým obsahem sloučenin sodíku, draslíku, vápníku, hořčíku a hliníku, je prováděna obvykle kyselinou chlorovodíkovou, dalšími alternativními činidly jsou kyselina sírová, dusičná a octová. Rostlinné části namleté nebo celistvé jsou vloženy do kyselin a jsou vařeny po dobu několika hodin při teplotě vyšší než 100 °C. Odstranění výše zmíněných doprovodných iontů je velmi důležité, neboť způsobují na jedné straně snížení teploty destrukce rostlinných zbytků - chovají se jako tavidla, což by bylo ekonomicky výhodné, na druhé straně způsobují spékaní rostlinných zbytků a mají negativní vliv na velikost získaných částic a velikost jejich pórů. Termogravimetrickými analýzami byly identifikovány teploty, při kterých dochází k degradaci celulózy, hemicelulózy a ligninu, složek, které jsou hlavní součástí rostlinných zbytků. Teploty se pohybují v rozmezí 300 °C až 600 °C. Kompletní degradace organické fáze nastává při teplotách cca 650 °C, zůstává popel, který je více nebo méně znečištěn sodíkem, draslíkem, vápníkem, hořčíkem, hliníkem a fosforem a to podle způsobu provedené předúpravy. Procesy předúpravy a pálení slupek jsou ověřeny a zdokumentovány v řadě odborných publikací. Podle literární rešerše byly tyto způsoby získávání siliky popsány pro různé druhy rostlin obsahujících ve svých rostlinných částech vyšší množství oxidu křemičitého jako přesličky, rýžové slupky a stonky, stonky cukrové třtiny. Analytické metody běžně využívané k popisu velikosti částic, chemického složení, měrného povrchu, porozity, určení typu vazeb na povrchu oxidu křemičitého jsou SEM, EDX, TGA, FT-IR, BET, TEM, RTG.
Podstata vynálezu
Podstatou řešení podle vynálezu je přidání anorganické kyseliny nebo směsi kyselin o vhodné koncentraci k neupraveným rostlinným částem jako jsou rýžové slupky, rýžové stonky, různé druhy přesličky, osiny ječmene charakteristické vysokým obsahem oxidu křemičitého o hmotnosti adekvátní množství kyseliny a zajištění průběhu reakce při vhodné teplotě, tlaku a mikrovlnném působení. Následkem působení kyseliny nebo směsi kyselin při vhodné teplotě, tlaku a působení mikrovln dochází v průběhu času k rozkladu organické fáze - celulózy, hemicelulózy, ligninu a dalších. Současně s rozkladem organické fáze jsou odstraňovány nežádoucí doprovodné ionty draslík, sodík, vápník, hliník, hořčík. Produktem rozkladného procesu jsou nanočástice bio
-2CZ 305968 B6 moríhího oxidu křemičitého, které jsou promyty a převedeny do vodného roztoku, následně mohou být vysušeny do formy prášku. Fyzikálně-chemická podstata rozkladného procesuje pro provedení způsobu podle vynálezu zásadní. Při procesu dochází k současnému rozkladu organické fáze a také k odstranění doprovodných iontů nežádoucích prvků během jednoho kroku bez nutnosti předchozí mechanické, fyzikální nebo chemické předúpravy vstupní suroviny.
Podstatou rozkladu organické fáze jsou oxidačně-redukční reakce, které jsou dosaženy působením koncentrované kyseliny dusičné nebo lučavky královské. Při působení kyselin dochází současně k odstraňování nežádoucích doprovodných iontů, které jsou vylučovány v roztoku ve formě solí. Podle vynálezu se rostlinné části vloží do nádoby mikrovlnného reaktoru o mikrovlnném výkonu maximálně 1500 W s obsahem 65% kyseliny dusičné nebo s obsahem lučavky královské tvořené směsí tří dílů kyseliny dusičné 65% a jednoho dílu kyseliny chlorovodíkové 38% po dobu 50 minut až 70 minut, přičemž rozkladná reakce vložených rostlinných částí probíhá ve třech časových kontinuálních úsecích. V prvém časovém úseku 15 minut práce mikrovlnného reaktoru se realizuje náběh teploty v mikrovlnném reaktoru na hodnotu 190 °C až 230 °C, růst tlaku na hodnotu 5,5 MPa při maximálním výkonu mikrovlnného reaktoru 1500 W. Následuje vlastní rozklad rostlinného materiálu probíhající po dobu 20 minut až 40 minut při teplotě 230 °C, tlaku 5,5 MPa a mikrovlnném výkonu reaktoru v rozmezí 600 W až 750 W. Třetí kontinuální fází je vypnutí mikrovlnného zdroje a ve zbývajícím časovém úseku se ponechá klesnout teplota v reaktoru na hodnotu cca 75 °C a tlak na hodnotu cca 0,5 MPa a získané aglomeráty nanočástic biomorfního oxidu křemičitého se promyjí destilovanou vodou do hodnoty pH 7 a následně osuší. V průběhu tohoto rozkladného procesu s použitím kyseliny dusičné nebo lučavky královské se současně odstraní nežádoucí ionty draslíku, hořčíku, sodíku, vápníku a hliníku a také organická fáze rostlinných částí.
Vstupní surovina, která má být podrobena fyzikálně-chemickému rozkladu, nemusí být předem zpracována mletím, nemusí být promývána vodou ani jinými rozpouštědly a nemusí být dodatečně sušena. Bylo zjištěno, že díky prostoru mezi volně nasypanými slupkami např. rýže dochází k rozkladné reakci snáze a získaný prášek ve formě nanočástic biomorfního oxidu křemičitého se jeví jako jemnější.
Vlastní rozkladný proces spolu s procesem na odstranění nežádoucích doprovodných iontů prvků probíhá v přítomnosti výše zmíněných kyselin za podmínek, které jsou dosaženy v mikrovlnném reaktoru při jeho výkonu minimálně 600 W až 750 W, při teplotě 190 °C až 230 °C a tlaku maximálně 5,5 MPa.
Produktem uvedených procesů jsou aglomeráty nanočástic biomorfního oxidu křemičitého o velikosti desítek nanometrů. Částice jsou uchovávány pro následující zpracování ve vodném roztoku nebo mohou být vysušeny do formy prášku.
Odzkoušeny byly hmotnostní poměry rostlinných částí s užitým množstvím kyselin. V případě užití kyseliny dusičné o koncentraci 65 % bylo použito na 0,8 g až 1,2 g rostlinných částí 10 ml až 14 ml kyseliny dusičné o koncentraci 65 %. Také na shodné množství rostlinných částí bylo použito 10 ml až 14 ml lučavky královské.
Nanočástice biomorfního oxidu křemičitého získané postupem podle vynálezu byly charakterizovány z hlediska velikosti částic a jejich čistoty a dále také porovnány s komerčně dodávaným produktem. Pro charakterizaci byly použity uvedené analytické metody a to rastrovací elektronová mikroskopie, FT-IR, EDX analýza.
Objasnění výkresů
Postup získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého podle vynálezu je blíže objasněn na připojených výkresech, na nichž značí obr. 1 grafické znázornění rozkladného procesu probíhají
-3CZ 305968 B6 čího v nádobě mikrovlnného reaktoru, přičemž vlastní rozkladný proces sestává ze tří kontinuálních úseků charakterizovaných průběhem mikrovlnného výkonu reaktoru v závislosti na průběhu teplot a tlaků v reaktoru, obr. 2 snímek z rastrovací elektronové mikroskopie s biomorfním oxidem křemičitým získaným rozkladem rostlinného materiálu, znázorněny jednotlivé částice a shluky biomorfního oxidu křemičitého, obr. 3 pomocí EDX analýzy chemické složení biomorfního oxidu křemičitého získaného rozkladem rostlinného materiálu s obsahem prvků C, O a Si a obr. 4 porovnání jednotlivých chemických vazeb charakteristických pro S1O2 získaných pomocí FT-IR analýzy, kde průběh označený (A) platí pro synteticky vyrobený oxid křemičitý Cab-OSil, průběh označený (B) se týká nanočástic biomorfního oxidu křemičitého získaných rozkladem celých rýžových slupek v HNO3 65 % a průběh označený (C) se týká nanočástic biomorfního oxidu křemičitého získaných rozkladem celých rýžových slupek v lučavce královské tvořené směsí 3 díly HNO3 65 % + 1 díl HC1 38 %.
Příklady uskutečnění vynálezu
Příklad 1
Nanočástice biomorfního oxidu křemičitého byly připraveny přidáním 12 ml kyseliny dusičné o koncentraci 65 % do 1 g rýžových slupek. Slupky ponořené v kyselině byly vloženy do nádoby mikrovlnného reaktoru, ve kterém probíhala rozkladná reakce po dobu 1 hod. při teplotě v rozmezí 190 °C až 230 °C, maximálním tlaku 5,5 MPa (55 bar) a mikrovlnném výkonu maximálně 1500 W - viz obr. 1, kde průběh označený písmenem (A) představuje mikrovlnný výkon reaktoru při rozkladném procesu, průběh označený písmenem (B) představuje tlak při rozkladném procesu a průběh označený písmenem (C) představuje teplotu při rozkladném procesu. Proces probíhající v nádobě mikrovlnného reaktoru sestával ze tří kontinuálních úseků. Prvním úsekem realizovaným v časovém intervalu 15 minut je náběh teploty na hodnotu 230 °C, růst tlaku na hodnotu 5,5 MPa (55 bar) při maximálním výkonu mikrovlnného reaktoru 1500 W. Druhým úsekem je vlastní rozklad rostlinného materiálu probíhající po dobu 30 minut při teplotě 230 °C, tlaku 5,5 MPa (55 bar) a mikrovlnném výkonu 600 W až 750 W. Třetím úsekem probíhajícím po dobu 15 minut po vypnutí mikrovlnného zdroje je pokles teploty na hodnotu 75 °C a pokles tlaku na hodnotu 0,5 MPa (5 bar). Aglomeráty nanočástic biomorfního oxidu křemičitého získané výše popsaným rozkladným procesem jsou zbaveny nežádoucích doprovodných iontů draslíku, sodíku, vápníku, hliníku, hořčíku a neobsahují žádné zbytky organické fáze. Produkt rozkladu byl promyt destilovanou vodou do hodnoty pH 7 a následně vysušen. Získané částice biomorfního oxidu křemičitého byly charakterizované pomocí FT-IR, SEM, EDX analýzy - viz obr. 2 s jednotlivými částicemi biomorfního oxidu křemičitého a s jejich shluky, obr. 3 s údaji o chemickém složení získaného biomorfního oxidu křemičitého, kde jeho chemické složení je udáno jednak v hmotnostních procentech a jednak v atomových procentech, přičemž přítomnost uhlíku je způsobena pouze fixací prášku při EDX analýze. Obsah kyslíku a křemíku v hmotnostních procentech a v atomových procentech udává tabulka pod obr. 3. V provedení podle obr. 4 jsou mezi sebou porovnány chemické vazby charakteristické pro oxid křemičitý, kde na horizontální osu jsou vyneseny údaje o vlnočtech a na osu svislou údaje o normalizované absorbanci. Průběh označený písmenem (A) udává údaje o synteticky vyrobeném oxidu křemičitém, zatímco průběh označený písmenem (B) se týká nanočástic biomorfního oxidu křemičitého získaných rozkladem celých rýžových slupek v HNO3 65 %. Porovnáním obou průběhů byla dokázána shodnost obou získaných vzorků. Získané částice biomorfního oxidu křemičitého byly charakterizované pomocí FT-IR, SEM, EDX analýzy -viz obr. 2, 3, 4.
Příklad 2
Nanočástice biomorfního oxidu křemičitého byly připraveny přidáním 12 ml lučavky královské (směs 3 díly kyseliny dusičné 65 % + 1 díl kyseliny chlorovodíkové 38 %) do 1 g rýžových
-4CZ 305968 B6 slupek. Slupky ponořené v kyselině byly vloženy do nádoby mikrovlnného reaktoru, ve kterém probíhala rozkladná reakce po dobu 1 hod. při teplotě v rozmezí 190 °C až 230 °C, maximálním tlaku 5,5 MPa (55 bar) a mikrovlnném výkonu maximálně 1500 W - viz obr. 1, kde průběh označený písmenem (A) představuje mikrovlnný výkon reaktoru při rozkladném procesu, průběh označený písmenem (B) představuje tlak při rozkladném procesu a průběh označený písmenem (C) představuje teplotu při rozkladném procesu. Vlastní proces probíhající v nádobě mikrovlnného reaktoru sestával ze tří kontinuálních úseků. Prvním úsekem realizovaným v časovém intervalu 15 minut je náběh teploty v mikrovlnném reaktoru na hodnotu 230 °C, růst tlaku na hodnotu 5,5 MPa (55 bar) a to při maximálním výkonu mikrovlnného reaktoru 1500 W. Druhým úsekem je vlastní rozklad rostlinného materiálu probíhající po dobu cca 30 minut při teplotě 230 °C a tlaku 5,5 MPa (55 bar) a mikrovlnném výkonu 600 W až 750 W. Třetím kontinuálním úsekem probíhajícím po dobu 15 minut po vypnutí mikrovlnného zdroje je pokles teploty na hodnotu 75 °C a pokles tlaku na hodnotu 0,5 MPa (5 bar). Aglomeráty nanočástic biomorfního oxidu křemičitého získané výše popsaným rozkladným procesem byly zbaveny nežádoucích doprovodných iontů draslíku, sodíku, vápníku, hliníku, hořčíku a neobsahují také žádné zbytky organické fáze původních slupek. Produkt rozkladu byl promyt destilovanou vodou do hodnoty pH 7 a následně vysušen. Získané částice biomorfního oxidu křemičitého byly charakterizované pomocí FT-IR, SEM, EDX analýzy - viz obr. 2 s jednotlivými částicemi biomorfního oxidu křemičitého a s jejich shluky, obr. 3 s údaji o chemickém složení získaného biomorfního oxidu křemičitého, kde jeho chemické složení je udáno jednak v hmotnostních procentech a jednak v atomových procentech, přičemž přítomnost uhlíku je způsobena pouze fixací prášku při EDX analýze. Obsah kyslíku a křemíku v hmotnostních procentech a v atomových procentech udává tabulka pod obr. 3. V provedení podle obr. 4 jsou mezi sebou porovnány chemické vazby charakteristické pro oxid křemičitý, kde na horizontální osu jsou vyneseny údaje o vlnočtech a na osu svislou údaje o normalizované absorbanci. Průběh označený písmenem (A) udává údaje o synteticky vyrobeném oxidu křemičitém, zatímco průběh označený písmenem (C) se týká nanočástic biomorfního oxidu křemičitého získaných rozkladem celých rýžových slupek v lučavce královské tvořené směsí 3 díly HNO3 65 % a 1 díl HC1 38 %. Z porovnání obou průběhů byla doložena shodnost obou získaných vzorků. Získané částice biomorfního oxidu křemičitého byly charakterizované pomocí FT-IR, SEM, EDX analýzy - viz obr. 2, 3,4.
Claims (6)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí charakteristických jeho vysokým obsahem, vyznačená tím, že rostlinné části se bez jakékoliv předchozí úpravy vloží do nádoby mikrovlnného reaktoru o mikrovlnném výkonu maximálně 1500 W s obsahem 65% kyseliny dusičné nebo s obsahem lučavky královské tvořené směsí tří dílů 65% kyseliny dusičné a jednoho dílu 38% kyseliny chlorovodíkové po dobu 50 minut až 70 minut, přičemž rozkladná reakce vložených rostlinných částí probíhá ve třech časových kontinuálních úsecích, kdy v prvém časovém úseku 15 minut se realizuje náběh teploty v mikrovlnném reaktoru na hodnotu 190 °C až 230 °C, růst tlaku na hodnotu 5,5 MPa při maximálním výkonu mikrovlnného reaktoru 1500 W, načež následuje vlastní rozklad rostlinného materiálu probíhající po dobu 20 minut až 40 minut při teplotě 230 °C, tlaku 5,5 MPa a mikrovlnném výkonu reaktoru v rozmezí 600 W až 750 W, následuje vypnutí mikrovlnného zdroje a ve zbývajícím časovém úseku se ponechá klesnout teplota na hodnotu cca 75 °C a tlak na hodnotu cca 0,5 MPa a získané aglomeráty nanočástic biomorfního oxidu křemičitého se promyjí destilovanou vodou do hodnoty pH 7 a následně osuší.
- 2. Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého podle nároku 1, vyznačená tím, že rostlinné části se smíchají s kyselinou dusičnou o koncentraci 65 % v poměru 0,8 g až 1,2 g rostlinných částí na 10 ml až 14 ml kyseliny dusičné o koncentraci 65 %.-5CZ 305968 B6
- 3. Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého podle nároku 1, vyznačená tím, že rostlinné části se smíchají s lučavkou královskou v poměru 0,8 g až 1,2 g rostlinných částí na 10 ml až 14 ml lučavky královské.
- 4. Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého podle nároku 1, vyznačená tím, že v průběhu rozkladného procesu s použitím kyseliny dusičné nebo lučavky královské se současně odstraní nežádoucí ionty draslíku, hořčíku, sodíku, vápníku a hliníku a také organická fáze rostlinných částí.
- 5. Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého podle nároku 1, vyznačená tím, že nanočástice biomorfního oxidu křemičitého získané z rozkladného procesu se uchovávají buď ve vodném roztoku, nebo se vysuší na prášek.
- 6. Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého podle nároku 1, vyznačená tím, že se použijí rostlinné části charakterizované vysokým obsahem oxidu křemičitého, jako jsou rýžové slupky, rýžové stonky, různé druhy přesličky, osiny ječmene.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-210A CZ305968B6 (cs) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí charakteristických jeho vysokým obsahem |
| JP2016027327A JP6375324B2 (ja) | 2015-03-26 | 2016-02-16 | 植物部位からバイオモルフィックシリカのナノ粒子を得る方法であって、前記植物部位はその高含有量によって特徴付けられる方法。 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-210A CZ305968B6 (cs) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí charakteristických jeho vysokým obsahem |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2015210A3 CZ2015210A3 (cs) | 2016-05-25 |
| CZ305968B6 true CZ305968B6 (cs) | 2016-05-25 |
Family
ID=56020048
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2015-210A CZ305968B6 (cs) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí charakteristických jeho vysokým obsahem |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6375324B2 (cs) |
| CZ (1) | CZ305968B6 (cs) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2688090B2 (es) * | 2017-03-29 | 2019-07-22 | Univ Cordoba | Procedimiento para la obtencion de biosilice a partir de cascara de arroz |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4214920A (en) * | 1979-03-23 | 1980-07-29 | Exxon Research & Engineering Co. | Method for producing solar cell-grade silicon from rice hulls |
| CN1063087A (zh) * | 1992-01-25 | 1992-07-29 | 交通部公路科学研究所 | 从稻壳内提取高纯度二氧化硅的方法 |
| WO2001058808A1 (en) * | 2000-02-09 | 2001-08-16 | Rk Chemical Co. Ltd. | Method of preparation for silica (sio2) from rice bran |
| RU2191159C1 (ru) * | 2001-05-25 | 2002-10-20 | Хачатуров Николай Артемович | Способ получения ультрадисперсного аморфного или нанокристаллического диоксида кремния |
| WO2012148561A2 (en) * | 2011-02-28 | 2012-11-01 | Texas State University - San Marcos | Silica nanoaggregates and organosilicon complexes and methods of forming them from biomass materials |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0800193D0 (en) * | 2008-01-05 | 2008-02-13 | Univ York | Biorefinery products in structural materials |
| CN101973554B (zh) * | 2010-09-16 | 2012-10-31 | 昆明理工大学 | 一种制备介孔二氧化硅材料的方法 |
-
2015
- 2015-03-26 CZ CZ2015-210A patent/CZ305968B6/cs not_active IP Right Cessation
-
2016
- 2016-02-16 JP JP2016027327A patent/JP6375324B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4214920A (en) * | 1979-03-23 | 1980-07-29 | Exxon Research & Engineering Co. | Method for producing solar cell-grade silicon from rice hulls |
| CN1063087A (zh) * | 1992-01-25 | 1992-07-29 | 交通部公路科学研究所 | 从稻壳内提取高纯度二氧化硅的方法 |
| WO2001058808A1 (en) * | 2000-02-09 | 2001-08-16 | Rk Chemical Co. Ltd. | Method of preparation for silica (sio2) from rice bran |
| RU2191159C1 (ru) * | 2001-05-25 | 2002-10-20 | Хачатуров Николай Артемович | Способ получения ультрадисперсного аморфного или нанокристаллического диоксида кремния |
| WO2012148561A2 (en) * | 2011-02-28 | 2012-11-01 | Texas State University - San Marcos | Silica nanoaggregates and organosilicon complexes and methods of forming them from biomass materials |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2015210A3 (cs) | 2016-05-25 |
| JP2016183092A (ja) | 2016-10-20 |
| JP6375324B2 (ja) | 2018-08-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shen | Rice husk silica-derived nanomaterials for battery applications: a literature review | |
| Tessema et al. | An overview of current and prognostic trends on synthesis, characterization, and applications of biobased silica | |
| Permatasari et al. | Agricultural wastes as a source of silica material | |
| Popa et al. | The synthesis, activation and characterization of charcoal powder for the removal of methylene blue and cadmium from wastewater | |
| Yu et al. | Biosorption of Cu2+, Co2+ and Ni2+ from aqueous solution by modified corn silk: Equilibrium, kinetics, and thermodynamic studies | |
| Obayomi et al. | Biosynthesis of Tithonia diversifolia leaf mediated Zinc Oxide Nanoparticles loaded with flamboyant pods (Delonix regia) for the treatment of Methylene Blue Wastewater | |
| Amri et al. | Elaboration, characterization and performance evaluation of a new environmentally friendly adsorbent material based on the reed filter (Typha Latifolia): Kinetic and thermodynamic studies and application in the adsorption of Cd (II) ion | |
| AU2019273121B2 (en) | Method for extracting soluble Si from an amorphous Sio2 bearing material | |
| Wang et al. | Ginkgo biloba L. shells-based adsorbent for the removal of Cu2+ and Cd2+ from aqueous solution: kinetics, isotherm, thermodynamics and mechanisms | |
| Seghir et al. | Methods for the preparation of silica and its nanoparticles from different natural sources | |
| Shaikhiev et al. | Review of peach (Prúnus pérsica) shell use to remove pollutants from aquatic environments | |
| Kavaz | Synthesis of silica nanoparticles from agricultural waste | |
| Al-Badaii et al. | Sustainable boron removal from aqueous solutions using pomegranate peel adsorbents: A comprehensive study on isotherms, kinetics, and thermodynamics | |
| CZ305968B6 (cs) | Metoda získávání nanočástic biomorfního oxidu křemičitého z rostlinných částí charakteristických jeho vysokým obsahem | |
| Rubio et al. | Applicability of Crambe abyssinica Hochst. byproduct as biosorbent in the removal of chromium from water. | |
| Saridewi et al. | Synthesis and characterization of ZnO nanoparticles using pumpkin seed extract (Cucurbita moschata) by the sol-gel method | |
| CN104561105B (zh) | 一种血红密孔菌生物合成金纳米颗粒的方法及其应用 | |
| Agunsoye et al. | Synthesis of silicon nanoparticles from cassava periderm by reduction method | |
| Azlin et al. | The preparation and characterization of silica from coconut husk | |
| Sriwuryandari et al. | Utilization of rice husk (Oryza sativa) for amorphous biosilica (SiO2) production as a bacterial attachment | |
| Calabrese et al. | New tailor-made bio-organoclays for the remediation of olive mill waste water | |
| WO2016038573A1 (en) | A process for preparing crude bio-oil from feedstock | |
| Saksule et al. | Adsorbents from karanja seed oil cake and applications | |
| Salman et al. | Preparation of mesoporous activated carbon from willow legs: Optimization study on removal of methylene blue using response surface methodology | |
| WO2006096709B1 (en) | Process for preparing amorphous salts |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20230326 |