RU2772830C1 - Method for producing silicon dioxide - Google Patents
Method for producing silicon dioxide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772830C1 RU2772830C1 RU2019122644A RU2019122644A RU2772830C1 RU 2772830 C1 RU2772830 C1 RU 2772830C1 RU 2019122644 A RU2019122644 A RU 2019122644A RU 2019122644 A RU2019122644 A RU 2019122644A RU 2772830 C1 RU2772830 C1 RU 2772830C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon dioxide
- residue
- hydrolysis
- lignin
- protector
- Prior art date
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 73
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 title claims abstract description 32
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 claims abstract description 31
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000001012 protector Effects 0.000 claims abstract description 18
- 150000002772 monosaccharides Chemical class 0.000 claims abstract description 14
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000005903 acid hydrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 24
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 claims description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000010903 husk Substances 0.000 claims description 12
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N HCl Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 claims description 8
- 239000007858 starting material Substances 0.000 claims description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 3
- 125000000623 heterocyclic group Chemical group 0.000 claims description 2
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 claims description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- 238000004537 pulping Methods 0.000 claims description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 claims 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 23
- 239000000047 product Substances 0.000 description 15
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 11
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 9
- 230000003301 hydrolyzing Effects 0.000 description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 8
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 8
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 7
- 229910021486 amorphous silicon dioxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 6
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 241000609240 Ambelania acida Species 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 3
- 241000209140 Triticum Species 0.000 description 3
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 3
- 239000010905 bagasse Substances 0.000 description 3
- 150000002402 hexoses Chemical class 0.000 description 3
- 150000002972 pentoses Chemical class 0.000 description 3
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 3
- 235000021307 wheat Nutrition 0.000 description 3
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 description 2
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium monoxide Chemical compound [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010411 cooking Methods 0.000 description 2
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 2
- -1 pentose sugars Chemical class 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 240000006669 Helianthus annuus Species 0.000 description 1
- 235000003222 Helianthus annuus Nutrition 0.000 description 1
- 229920001732 Lignosulfonate Polymers 0.000 description 1
- 241000209504 Poaceae Species 0.000 description 1
- 108010009736 Protein Hydrolysates Proteins 0.000 description 1
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002154 agricultural waste Substances 0.000 description 1
- 239000011260 aqueous acid Substances 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000005591 charge neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 1
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Polymers 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002045 lasting Effects 0.000 description 1
- 235000019357 lignosulphonate Nutrition 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003472 neutralizing Effects 0.000 description 1
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 150000008442 polyphenolic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 235000013824 polyphenols Nutrition 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- 150000004804 polysaccharides Polymers 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000010025 steaming Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии глубокой переработки сельскохозяйственных отходов, отходов городского хозяйства и других видов отходов (древесные опилки, солома пшеничная, рисовая и др., рисовая шелуха и шелуха подсолнечника, багасса быстрорастущих трав, осадочный ил городских очистных сооружений и т.д.), то есть, к области переработки целлюлозосодержащих материалов, с целью извлечения диоксида кремния и органических веществ, содержащихся в таких материалах, для дальнейшего их использования в различных областях техники. Так, извлекаемый при этом диоксид кремния может найти применение в шинной промышленности (в качестве наполнителя), производстве резино-технических изделий и пластмасс, химической и пищевой промышленности, машиностроении, электронике и электротехнической промышленности.The invention relates to a technology for the deep processing of agricultural waste, municipal waste and other types of waste (sawdust, wheat straw, rice straw, etc., rice husk and sunflower husk, bagasse of fast-growing grasses, sedimentary sludge from urban sewage treatment plants, etc.), that is, to the field of processing cellulose-containing materials, in order to extract silicon dioxide and organic substances contained in such materials, for their further use in various fields of technology. So, the silicon dioxide extracted in this case can be used in the tire industry (as a filler), the production of rubber products and plastics, the chemical and food industries, mechanical engineering, electronics and the electrical industry.
Уровень техникиState of the art
В качестве наиболее распространенного исходного сырья растительного происхождения для получения диоксида кремния используется рисовая шелуха. При этом применяются две различных технологии - без предварительной обработки исходного материала (рисовой шелухи) и с предварительной обработкой.Rice hulls are used as the most common plant-derived silica feedstock. In this case, two different technologies are used - without pre-treatment of the source material (rice husks) and with pre-treatment.
Способы получения диоксида кремния без предварительной обработки исходного сырья заключаются в простом обжиге рисовой шелухи при высоких температурах. Примерами такого способа могут служить патент ФРГ №2416291, кл. С04В и патент Великобритании №150 8825, МКИ С01В 33/12 где шелуху риса обжигают, варьируя температуру обжига в интервале 200°С-900°С. Основным недостатком такого способа получения диоксида кремния является получение этого продукта с невысокой степенью чистоты, а также выброс в атмосферу до 80% и более массы шелухи в виде газов.Methods for obtaining silicon dioxide without pre-treatment of the feedstock are simply roasting rice husks at high temperatures. Examples of such a method are German patent No. 2416291, class. C04B and UK patent No. 150 8825, MKI S01B 33/12 where the rice husk is fired, varying the firing temperature in the range of 200°C-900°C. The main disadvantage of this method of obtaining silicon dioxide is the production of this product with a low degree of purity, as well as the release into the atmosphere of up to 80% or more of the mass of the husk in the form of gases.
Во втором виде технологии используется предварительная обработка исходного сырья перед стадией обжига разбавленными растворами минеральных или органических кислот, промывка водой и затем ступенчатый отжиг остатка в интервале температур 300°С-1100°С (патенты US 7998448 В2 и US 9403688 В1). Однако, и при ее использовании велика масса отходов (на предварительной стадии обработки не удаляют лигнин, а только частично целлюлозу и гемицеллюлозу) и получают один вид продукции, диоксид кремния, находящийся в аморфной фазе.The second type of technology uses pre-treatment of the feedstock before the firing stage with dilute solutions of mineral or organic acids, washing with water and then stepwise annealing of the residue in the temperature range of 300°C-1100°C (patents US 7998448 B2 and US 9403688 B1). However, even when using it, a lot of waste is large (at the preliminary stage of processing, lignin is not removed, but only partially cellulose and hemicellulose) and one type of product is obtained, silicon dioxide, which is in the amorphous phase.
Таким образом, хотя использование предварительной подготовки исходного сырья при получении диоксида кремния методом обжига дает лучший результат по сравнению с методами без предварительной подготовки сырья, однако, ей присущи два существенных недостатка. Во-первых, многоступенчатость процессов с использованием больших объемов жидкостей и разнообразной аппаратуры, что приводит к высоким энергетическим затратам. Во-вторых, они не позволяют комплексно переработать и использовать все потенциально возможные полезные сопутствующие вещества целлюлозосодержащих материалов. Рисовая шелуха содержит лишь около 15-20%% диоксида кремния (как и многие другие целлюлозосодержащие материалы и отходы), а в существующих технологиях безвозвратно теряются оставшиеся 80-85%% веществ, входящих в состав материала -это целлюлоза, полисахариды, лигнин и ряд других ценных веществ, которые уничтожаются.Thus, although the use of pretreatment of feedstock in the production of silicon dioxide by roasting gives a better result compared to methods without pretreatment of feedstock, however, it has two significant drawbacks. Firstly, the multi-stage processes with the use of large volumes of liquids and various equipment, which leads to high energy costs. Secondly, they do not allow for the complex processing and use of all potentially useful accompanying substances of cellulose-containing materials. Rice husk contains only about 15-20% of silicon dioxide (like many other cellulose-containing materials and waste), and in existing technologies, the remaining 80-85% of the substances that make up the material are irretrievably lost - these are cellulose, polysaccharides, lignin and a number of other valuable substances that are destroyed.
Более эффективным является способ получения диоксида кремния (патент US 8178067 В2) из отходов лесного, сельскохозяйственного сырья или материалов, содержащих гексозу и/или пентозу и SiO2, где перед процессом обжига с целью получения диоксида кремния, проводят кислотный гидролиз (в присутствии минеральной или органической кислоты) исходного целлюлозосодержащего материала в два этапа, используя повышенное давление. При этом удается снизить содержание компонентов, содержащих гексозы и пентозы, в исходном материале до 10 вес % и 20 вес %, соответственно. При этом содержание полифенолов (в частности, лигнина) в остатке после стадии гидролиза, достигает 40 вес %, что затрудняет и удорожает процесс обжига остатка. Отжиг остатка после гидролиза проводят при температуре от 400°С до 1200°С.More effective is the method of obtaining silicon dioxide (patent US 8178067 B2) from waste forestry, agricultural raw materials or materials containing hexose and/or pentose and SiO 2 , where before the roasting process to obtain silicon dioxide, acid hydrolysis is carried out (in the presence of organic acid) of the original cellulose-containing material in two stages using increased pressure. In this case, it is possible to reduce the content of components containing hexoses and pentoses in the starting material to 10 wt % and 20 wt %, respectively. At the same time, the content of polyphenols (in particular, lignin) in the residue after the hydrolysis stage reaches 40 wt %, which complicates and increases the cost of the process of roasting the residue. Annealing of the residue after hydrolysis is carried out at a temperature of from 400°C to 1200°C.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Задачей настоящего изобретения является создание способа получения диоксида кремния путем сжигания целлюлозосодержащего материала, прошедшего предварительную подготовку, направленную на удаление (максимальное сокращение) его углеродной части до процесса сжигания. Другой задачей изобретения является создание такого способа, при котором наряду с получением в качестве конечного целевого продукта диоксида кремния можно извлечь из исходного сырья другие полезные продукты, моносахариды (гексоз и пентоз), а также чистый несульфированный лигнин.The objective of the present invention is to provide a method for producing silicon dioxide by burning cellulose-containing material that has undergone preliminary preparation aimed at removing (maximum reduction) of its carbon part before the combustion process. Another object of the invention is to provide such a process, in which, in addition to obtaining silicon dioxide as the final target product, other useful products, monosaccharides (hexose and pentose), as well as pure non-sulfonated lignin, can be extracted from the feedstock.
Эти и другие, сопутствующие задачи, в частности, сокращение затрат на предварительную обработку сырья и снижение количества образующихся газообразных продуктов при проведении этапа обжига сырья, прошедшего предварительную обработку, при получении диоксида кремния, решаются настоящим изобретением за счет использования технологии предварительной обработки сырья, включающей:These and other related tasks, in particular, reducing the cost of pre-treatment of raw materials and reducing the amount of gaseous products formed during the stage of roasting raw materials that have undergone preliminary processing, when obtaining silicon dioxide, are solved by the present invention through the use of a raw material pre-treatment technology, including:
кислотный гидролиз сырья при рН<5, температуре 140-240°С и повышенном давлении, отделение от продуктов реакции лигнина и моносахаридов.acid hydrolysis of raw materials at pH<5, temperature 140-240°C and elevated pressure, separation of lignin and monosaccharides from reaction products.
Выделение диоксида кремния осуществляют путем сжигания твердой части гидролизного остатка при температуре 350-750°С.The selection of silicon dioxide is carried out by burning the solid part of the hydrolysis residue at a temperature of 350-750°C.
Для повышения выхода моносахаридов как одного из побочных полезных продуктов наряду с диоксидом кремния, гидролиз целесообразно вести в присутствии по меньшей мере одного из протекторов, защищающих моносахариды от воздействия высоких температур и давления. В качестве такового могут использоваться кетоны или кислородосодержащие гетероциклы.To increase the yield of monosaccharides as one of the by-products along with silicon dioxide, it is advisable to carry out hydrolysis in the presence of at least one of the protectors that protect monosaccharides from exposure to high temperatures and pressure. As such, ketones or oxygen-containing heterocycles can be used.
Целесообразно также осуществление дополнительно следующих операций:It is also advisable to carry out the following additional operations:
для снижения содержания углерода отмывать гидролизный остаток растворителем;to reduce the carbon content, wash the hydrolysis residue with a solvent;
для снижения содержания оксидов металлов обрабатывать гидролизный остаток 1N хлористоводородной кислотой;to reduce the content of metal oxides, treat the hydrolysis residue with 1N hydrochloric acid;
при повышенном содержании в исходном сырье лигнина подвергать его (сырье) щелочной варке.with an increased content of lignin in the feedstock, subject it (raw materials) to alkaline pulping.
Целесообразно, но не обязательно, использовать в качестве исходного сырья рисовую шелуху.It is advisable, but not necessary, to use rice husk as a raw material.
При осуществлении предварительной обработки сырья в соответствии с настоящим изобретением становится возможным максимально извлечь из основной массы исходного материала углеродную составляющую в виде промышленно полезных продуктов (лигнин, моносахариды) в количестве до 80% от общей массы. Гидролизный (минеральный) остаток составляет около 20% от исходного сырья и содержит в основном диоксид кремния с примесями окислов металлов и незначительных остатков углерода.When pre-treatment of raw materials is carried out in accordance with the present invention, it becomes possible to extract as much as possible from the bulk of the raw material the carbon component in the form of industrially useful products (lignin, monosaccharides) in an amount of up to 80% of the total mass. The hydrolysis (mineral) residue is about 20% of the feedstock and contains mainly silicon dioxide with impurities of metal oxides and minor carbon residues.
Указанные выше характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из нижеследующего детального описания его, данного в виде примеров осуществления изобретения, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительный чертеж.The above characteristics and advantages of the invention will become clearer from the following detailed description of it, given by way of non-limiting embodiments of the invention, with reference to the accompanying drawing.
Краткое описание чертежаBrief description of the drawing
На фиг. 1 представлен вариант технологической схемы осуществления способа в соответствии с изобретением.In FIG. 1 shows a variant of the technological scheme for the implementation of the method in accordance with the invention.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Обратимся к рассмотрению фиг. 1, на которой представлена технологическая схема осуществления способа.Let us turn to the consideration of Fig. 1, which shows the flow chart of the method.
Исходный материал поступает в «мельчитель» - дозатор М (или без предварительного измельчения, как в случае, например, использования первичного осадочного ила очистных сооружений). Из дозатора М твердый материал с частицами размером 0.5-1.0 мм поступает в смеситель 2. Туда же через дозатор 1 подается раствор для гидролиза (ГР). Реакционная масса подается поочередно из смесителей 2 и 1 через насос-дозатор 3 и обратный клапан К в реактор 4. Реактор 4 снабжен не показанными на схеме обогревательной рубашкой, датчиками температуры, давления, предохранительным клапаном, сифоном, соединенным с верхним клапаном (дросселем) для сброса продуктов реакции, нижним клапаном (дросселем) для сброса продуктов реакции, (а также, вентилем для ввода пара непосредственно в аппарат 4, при необходимости, для быстрого разогрева реакционной массы и введения части необходимого количества воды для гидролизующего раствора или для предварительной пропарки исходного сырья перед обработкой гидролизующими растворами, если это необходимо).The source material enters the "grinder" - dispenser M (or without preliminary grinding, as in the case, for example, of using primary sedimentary sludge from treatment facilities). From the dispenser M, the solid material with particles 0.5–1.0 mm in size enters the
Происходит нагрев реакционной массы и продукты реакции сбрасываются из реактора 4 через клапаны (дроссели) аппарата 4 в гидроциклон 5, где происходит их быстрое охлаждение и отделение летучих побочных продуктов, которые, в свою очередь, выводятся через клапан 6 из циклона 5 в накопитель (не показан). Затем, через фильтры 7 и 15, на которых отделяют твердые компоненты реакционной массы, раствор продуктов реакции поступает в дистиллятор 8, где отделяются протекторы (или, по крайней мере, один). Протекторы возвращаются в мерник - дозатор 1 для приготовления ГР. Остаток подается на фильтр (или гидроциклон) 9, где происходит отделение лигнина, и затем поступает в «нейтрализатор» 10, снабженный рН метром (11), мерником дозатором нейтрализующего раствора (12). Нейтрализованные продукты (водный раствор Сахаров) через фильтр 13 собираются в приемную емкость 14 и далее направляются на ферментацию.The reaction mass is heated and the reaction products are discharged from the
Твердый остаток из фильтров 15 и 7 направляются в накопитель 16, где (при необходимости) обрабатывают ацетоном для удаления остатков лигнина, затем 1 N раствором HCl и промывают водой на фильтре 17. Твердый остаток подается в сушилку 18, а оттуда в зональную печь 19, где устанавливаются зоны с определенной температурой сжигания твердого остатка в зависимости от того, какого качества диоксид кремния необходимо получить для определенной области применения. Получаемый диоксид кремния содержит общий углерод в количестве <0,02 вес %, что говорит об исчерпывающем удалении углерода из исходного целлюлозосодержащего материала в виде полезных сопутствующих продуктов.The solid residue from the
Для некоторых целлюлозосодержащих материалов, где количество лигнина достаточно высоко, возможна предварительная обработка такого сырья, например, «щелочной варкой» в растворе разбавленной щелочи, например, 4% водном растворе NaOH. В этом случае в технологическую схему добавляет блок предобработки (схема 1, поз. 20). Измельченный продукт в этом случае поступает через дозатор М в «варочный котел» (не показан), где осуществляется его обработка щелочным раствором (Т=95°С-100°С; 2 часа) и выварка основной части лигнина, содержащегося в исходном субстрате. Затем, происходит отмывка щелочи от твердого субстрата на фильтре, и он поступает в технологическую цепочку схемы 1 через поз. 2, а щелочной раствор лигнина направляется в отстойник (не показан), где лигнин высаживается. Щелочь возвращают в технологический цикл, а осадок лигнина через центрифугу (или гидроциклон) выводится из процесса.For some cellulose-containing materials, where the amount of lignin is high enough, it is possible to pre-treat such raw materials, for example, by "alkaline cooking" in a dilute alkali solution, for example, 4% aqueous NaOH solution. In this case, a preprocessing block is added to the technological scheme (
Схема позволяет осуществлять и многократную обработку дозы исходного материала новыми порциями гидролизующей жидкости. При этом в реактор через дозирующий насос сначала подается реакционная смесь с образцом целлюлозосодержащего материала из смесителя 2 и, после выдержки, жидкие продукты реакции сбрасываются через верхний клапан (дроссель) в циклон 5. Твердый обрабатываемый образец при этом остается в автоклаве. Свежая гидролизующая жидкость подается из смесителя 1, насосом-дозатором 3, который переключается (возможно, автоматически) на этот смеситель. На один забор с образцом из смесителя 2, происходит 2 забора чистого гидролизующего раствора из смесителя 1. Клапаны для «сброса» продуктов также работают поочередно: на 2 сброса через верхний клапан (дроссель), происходит один «сброс» через нижний клапан (дроссель), при этом происходит третья обработка остатков образца материала.The scheme also allows multiple processing of a dose of the starting material with new portions of the hydrolyzing liquid. In this case, the reaction mixture with a sample of cellulose-containing material from
Ниже представлены примеры осуществления изобретения с использованием различных исходных материалов (в том числе, и на основе рисовой шелухи) и различных протекторов моносахаридов. Общие результаты представлены в Таблице 1.Below are examples of the invention using various starting materials (including those based on rice husks) and various monosaccharide protectors. The overall results are presented in Table 1.
Пример 1Example 1
В реактор загружено 130 г первичного осадочного ила очистных сооружений города с влажностью 30% (100 г сухого исходного материала), который был три раза по 5 мин обработан при Т=180°С и рН=1,87 гидролизующим раствором (ГР), при соотношении исходный материал / гидролизующий раствор 1:10 и соотношении протектор / вода в гидролизующем растворе 4: 1 (протектор - ацетон). ГР вводился через обратный клапан дозирующим насосом, а продукты реакции выводились через верхний и нижний дроссели автоклава в гидроциклоны, как это описано выше (схема 1).The reactor was loaded with 130 g of primary sedimentary sludge from city treatment facilities with a moisture content of 30% (100 g of dry source material), which was treated three times for 5 minutes at T=180°C and pH=1.87 with a hydrolyzing solution (GR), at the ratio of the starting material / hydrolyzing solution 1:10 and the ratio of protector / water in the hydrolyzing solution 4: 1 (protector - acetone). GR was introduced through a check valve with a dosing pump, and the reaction products were removed through the upper and lower autoclave throttles into hydrocyclones, as described above (Scheme 1).
После фильтрования гидролизный остаток исходного ила был высушен до постоянного веса (32 г). Из объединенных гидролизных растворов, после фильтрования, был удален протектор дистилляцией в вакууме водоструйного насоса. Выпавший лигнин был отделен фильтрованием. Со стенок отгонной колбы был смыт и высушен осевший лигнин. Суммарный выход лигнина 28,6 г. Остаток (водный раствор Сахаров) был нейтрализован до рН=6,1 «кальциевым молочком» (СаО), осадок отфильтрован. Концентрация Сахаров в водном растворе определяли по сахариметру. Выход Сахаров составил 32,5 г. Летучие продукты реакции собирались в накопительные емкости через вентили циклонов. Их примерное содержание 6,9 г (табл. 1, п. 1).After filtration, the hydrolysis residue of the original sludge was dried to a constant weight (32 g). From the combined hydrolysis solutions, after filtration, the protector was removed by distillation in a water jet pump vacuum. The precipitated lignin was separated by filtration. The settled lignin was washed off and dried from the walls of the stripping flask. The total yield of lignin was 28.6 g. The residue (an aqueous solution of sugars) was neutralized to pH=6.1 with "calcium milk" (CaO), the precipitate was filtered off. The concentration of sugars in the aqueous solution was determined by saccharimeter. The yield of sugars was 32.5 g. The volatile reaction products were collected in storage tanks through cyclone valves. Their approximate content is 6.9 g (Table 1, p. 1).
Гидролизный остаток, содержащий диоксид кремния, обрабатывают ацетоном для растворения оставшихся следов лигнина, который остался в твердом остатке после фильтрования. При этом снижается содержание общего углерода примерно на 3, 5 вес %. После промывания остатка 1N раствором HCl происходит снижение общего содержания оксидов металлов до 0,80 вес %. Далее, после подсушивания на воздухе, остаток направляется в зональную печь. Отжиг остатка при Т=600°С приводит к получению диоксида кремния с содержанием общего углерода <0,02 вес %. Выход аморфного диоксида кремния 96,5 вес %. Выход диоксида кремния 29, 5% от исходного сырья в пересчете на абсолютно сухое исходное сырье.The hydrolysis residue containing silica is treated with acetone to dissolve the remaining traces of lignin, which remained in the solid residue after filtration. This reduces the content of total carbon by about 3.5 wt%. After washing the residue with a 1N HCl solution, the total content of metal oxides decreases to 0.80 wt%. Further, after drying in air, the residue is sent to the zone furnace. Annealing the residue at T=600°C leads to the production of silicon dioxide with a total carbon content of <0.02 wt%. The yield of amorphous silicon dioxide is 96.5 wt%. The output of silicon dioxide 29, 5% of the feedstock in terms of absolutely dry feedstock.
Пример 2Example 2
Трехкратной автоклавной обработке подвергнуто 146 г багассы с влажностью исходного образца 46% (100 г сухого образца) при рН=2,5; при температуре 150-190°С (предпочтительно, 180°С); длительность каждой обработки 5 мин. Соотношение ГР / образец и протектор / вода, аналогично примеру 1. Протектор смесь метилэтилкетона с ацетоном при соотношении 1:1. Методика обработки аналогична примеру 1. Остаток образца после автоклавного гидролиза составил 18 г. Выход Сахаров и лигнина 62 г и 18 г, соответственно (табл. 1, п. 2). Содержание летучих продуктов 2 г. Остаток после гидролиза обрабатывается по аналогии с примером 1 и затем поступает в зональную печь для сжигания. Диоксид кремния, полученный при Т=750°С содержит <0,02 вес % общего углерода. Выход аморфного диоксида кремния 96,1% (чистота диоксида кремния 98%). Выход диоксида кремния 16, 7% от исходного сырья в пересчете на абсолютно сухое исходное сырье.Three times autoclave treatment was subjected to 146 g of bagasse with a moisture content of the original sample of 46% (100 g of dry sample) at pH=2.5; at a temperature of 150-190°C (preferably 180°C); the duration of each treatment is 5 minutes. The ratio of GR / sample and protector / water, similar to example 1. Protector mixture of methyl ethyl ketone with acetone at a ratio of 1:1. The processing method is similar to example 1. The rest of the sample after autoclave hydrolysis was 18 g. The yield of sugars and lignin was 62 g and 18 g, respectively (Table 1, p. 2). The content of
Пример 3Example 3
Образец пшеничной соломы 110 г с влажностью 4,82% поместили в автоклав и провели трехкратную обработку, длительностью 4 мин каждая, при Т=190°С; рН=1,6. Соотношение ГР / образец и протектор / вода, аналогично примеру 1. Протектор метилэтилкетон. Методика обработки аналогична примеру 1. Остаток образца после гидролиза 18,2 г. Выход Сахаров и лигнина 62,66 г и 20,2 г, соответственно (табл. 1, п. 3). Содержание летучих продуктов 3,64 г. После промывки ацетоном от остатков лигнина и водным раствором соляной кислоты (1N) для снижения общего содержания окислов металлов в остатке до 0, 88 вес %, гидролизный остаток отожжен в зональной печи при Т=750°С. Полученный диоксид кремния содержал <0,02 вес % общего углерода и имел чистоту 97%. Выход аморфного диоксида кремния 96.5% и 17,0% от исходного сырья в пересчете на абсолютно сухое исходное сырье.A sample of wheat straw 110 g with a moisture content of 4.82% was placed in an autoclave and treated three times, lasting 4 minutes each, at T=190°C; pH=1.6. The ratio of GR / sample and protector / water, similar to example 1. Protector methyl ethyl ketone. The processing method is similar to example 1. The rest of the sample after hydrolysis is 18.2 g. The yield of sugars and lignin is 62.66 g and 20.2 g, respectively (Table 1, p. 3). The content of volatile products is 3.64 g. After washing with acetone to remove lignin residues and an aqueous solution of hydrochloric acid (1N) to reduce the total content of metal oxides in the residue to 0.88 wt%, the hydrolysis residue was annealed in a zone furnace at T=750°C. The resulting silica contained <0.02 wt% total carbon and was 97% pure. The output of amorphous silicon dioxide is 96.5% and 17.0% of the feedstock in terms of absolutely dry feedstock.
Пример 4Example 4
Образец пшеничной соломы был предварительно обработан 4% раствором NaOH при температуре 97-100°С в течение двух часов («щелочная варка»). Затем, образец был отфильтрован от раствора, промыт на фильтре от остатков щелочного раствора и высушен. При такой обработке из образца соломы высвобождается большая часть лигнина (остаток лигнина в соломе может составлять около 11%) и часть гемицеллюлозы. Остаток соломы после обработки составляет в среднем 41,7% от исходного образца, взятого в обработку. Некоторое количество пентозных Сахаров может быть выделено из фильтратов, при необходимости.A sample of wheat straw was pre-treated with 4% NaOH solution at a temperature of 97-100°C for two hours ("alkaline cooking"). Then, the sample was filtered from the solution, washed on the filter from the remnants of the alkaline solution and dried. With this treatment, most of the lignin is released from the straw sample (the lignin residue in the straw can be about 11%) and part of the hemicellulose. The rest of the straw after processing averages 41.7% of the original sample taken for processing. Some of the pentose sugars can be recovered from the filtrates, if necessary.
Обработанный образец соломы (как описано выше) весом 110 г с влажностью 10% помещен в автоклав, где трижды обработан (по 4 мин) при Т=180°С; рН=2,1; ГР с соотношением протектор: вода=1:1 (протектор - метилэтилкетон) и при соотношении Образец: ГР=1:10. Объединенные гидролизаты поместили в «титратор» (как это описано выше при втором варианте осуществления процесса) и довели рН до 10 и дали раствору отстояться для формирования осадка лигнина.The treated straw sample (as described above) weighing 110 g with a moisture content of 10% is placed in an autoclave, where it is processed three times (4 min each) at T=180°C; pH=2.1; GR with the ratio protector: water=1:1 (protector - methyl ethyl ketone) and at the ratio Sample: GR=1:10. The combined hydrolysates were placed in a "titrator" (as described above in the second embodiment of the process) and the pH was adjusted to 10 and the solution allowed to settle to form a lignin precipitate.
Лигнин отделили фильтрованием и высушили (10 г). Из фильтрата, после нейтрализации, дистилляцией в вакууме водоструйного насоса был удален метилэтилкетон. Выход Сахаров составил 64,2 г. Остаток образца соломы после гидролиза 17,68 г, а после обработки растворителем и водным раствором кислоты 17.0 г (табл. 1, п. 4). Сжиганием остатка, по аналогии с примерами 1 - 4, в зональной печи получают аморфный диоксид кремния с выходом 98.8%, содержанием основного вещества 98% и выходом 17,0% от абсолютно сухого исходного сырья.Lignin was separated by filtration and dried (10 g). From the filtrate, after neutralization, methyl ethyl ketone was removed by distillation in a vacuum water jet pump. The yield of sugars was 64.2 g. The residue of the straw sample after hydrolysis was 17.68 g, and after treatment with a solvent and an aqueous acid solution, 17.0 g (Table 1, p. 4). By burning the residue, by analogy with examples 1 - 4, in a zone furnace, amorphous silicon dioxide is obtained with a yield of 98.8%, a basic substance content of 98% and a yield of 17.0% from absolutely dry feedstock.
Пример 5Example 5
Навеска опилок деревьев хвойных пород 100 г (в пересчете на сухой образец) была подвергнута трехразовой обработке в автоклаве (по 6 мин) при Т=170-190°С (предпочтительно, 180°С); рН=1,87 раствором, содержащим смесь ацетон / вода в соотношении 4:1 при разбавлении, аналогичном предыдущим примерам. Выделение продуктов реакции проводилось по методике, аналогичной примеру 1. Выход летучих продуктов 6.2 г. Выход моносахаридов составил 35,6 г; лигнина 30 г. Конверсия исходного образца достигла 71,6% (табл. 1, п. 5). Перед сжиганием в зональной печи (750°С), остаток (28,4 г) обрабатывали по аналогии с вышеуказанными примерами. Выход аморфного диоксида кремния 90%.A sample of sawdust of coniferous trees 100 g (in terms of a dry sample) was subjected to three autoclave treatments (6 minutes each) at T=170-190°C (preferably 180°C); pH=1.87 with a solution containing a mixture of acetone/water in a ratio of 4:1 at a dilution similar to the previous examples. The selection of reaction products was carried out according to a method similar to example 1. The yield of volatile products 6.2, the yield of monosaccharides amounted to 35.6 g; 30 g of lignin. The conversion of the initial sample reached 71.6% (Table 1, p. 5). Before burning in a zone oven (750° C.), the residue (28.4 g) was treated in analogy to the above examples. The yield of amorphous silicon dioxide is 90%.
Пример 6Example 6
Навеска рисовой шелухи 97,1 г (в пересчете на сухой образец) была подвергнута обработке в автоклаве аналогично методике Примера 1. Выход моносахаридов составил 57,7% от веса исходного материала (56,03 г) при конверсии 80% (табл. 1, п. 6). Выход лигнина 14,6%, сопутствующие продукты 7,7%. Остаток после гидролиза 19,42 г (20%). Перед сжиганием в зональной печи, остаток обрабатывали по аналогии с вышеуказанными примерами. Выход аморфного диоксида кремния 97,1% при отжиге в зональной печи при 600°С.A portion of rice husks 97.1 g (in terms of dry sample) was subjected to autoclaving similar to the procedure of Example 1. The yield of monosaccharides was 57.7% of the weight of the starting material (56.03 g) at a conversion of 80% (Table 1, item 6). Lignin yield 14.6%, by-products 7.7%. Residue after hydrolysis 19.42 g (20%). Before burning in a zone furnace, the residue was treated in analogy to the above examples. The output of amorphous silicon dioxide 97.1% when annealing in a zone furnace at 600°C.
Пример 7Example 7
Навеска рисовой шелухи 100 г (в пересчете на сухой образец) была подвергнута обработке в автоклаве аналогично по методике Примера 1. Выход моносахаридов составил 58,1% от веса исходного материала при конверсии 81% (табл. 1, п. 7), выход сопутствующих продуктов 7,9%. Остаток после гидролиза 19,0 г. Перед сжиганием в зональной печи, остаток обрабатывали по аналогии с вышеуказанными примерами. Выход аморфного диоксида кремния 96,0% при отжиге в зональной печи при 750°С.Rice husk weighed 100 g (in terms of dry sample) was autoclaved similarly according to the method of Example 1. products 7.9%. Residue after hydrolysis 19.0 g. Before burning in a zone furnace, the residue was treated in analogy to the above examples. The output of amorphous silicon dioxide 96.0% when annealing in a zone furnace at 750°C.
Ссодержание остаточного углерода в диоксиде кремния не превышало 2% при температуре отжига гидролизного остатка 350°С и 0,02% при температуре 600 и 750°С.The content of residual carbon in silicon dioxide did not exceed 2% at the annealing temperature of the hydrolysis residue of 350°C and 0.02% at temperatures of 600 and 750°C.
Промышленная применимостьIndustrial Applicability
Способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получать диоксид кремния высокого качества из различных типов целлюлозосодержащих материалов, от отходов деревообрабатывающей промышленности и багассы до первичного осадочного ила очистных сооружений, то есть является достаточно универсальным.The method in accordance with the present invention makes it possible to obtain high quality silica from various types of cellulose-containing materials, from waste from the woodworking industry and bagasse to primary sedimentary sludge from sewage treatment plants, that is, it is quite versatile.
При этом обеспечивается высокий выход не только диоксида кремния, но и топливных моносахаридов, которые легко сбраживаются дрожжами в спирт и лигнина как ценного продукта для промышленности. Он позволяет снизить объем выделяющихся дымовых газов при проведении процесса сжигания гидролизного остатка, практически использовать тепло последних в технологическом процессе гидролиза и существенно снизить стоимость диоксида кремния за счет получения промышленно полезных сопутствующих продуктов.This ensures a high yield of not only silicon dioxide, but also fuel monosaccharides, which are easily fermented by yeast into alcohol and lignin as a valuable product for industry. It makes it possible to reduce the amount of flue gases released during the process of burning the hydrolysis residue, to practically use the heat of the latter in the hydrolysis process, and to significantly reduce the cost of silicon dioxide due to the production of industrially useful by-products.
Claims (7)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2772830C1 true RU2772830C1 (en) | 2022-05-26 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2036836C1 (en) * | 1992-11-10 | 1995-06-09 | Малое научно-внедренческое предприятие "Сибтерм" | Method for production of silicon dioxide |
US8178067B2 (en) * | 2005-08-31 | 2012-05-15 | Kurimoto, Ltd. | Method of making amorphous silicon powder |
RU2474535C1 (en) * | 2011-08-17 | 2013-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Технострой" (ООО Технострой) | Method of producing amorphous silicon dioxide |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2036836C1 (en) * | 1992-11-10 | 1995-06-09 | Малое научно-внедренческое предприятие "Сибтерм" | Method for production of silicon dioxide |
US8178067B2 (en) * | 2005-08-31 | 2012-05-15 | Kurimoto, Ltd. | Method of making amorphous silicon powder |
RU2474535C1 (en) * | 2011-08-17 | 2013-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Технострой" (ООО Технострой) | Method of producing amorphous silicon dioxide |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11242650B2 (en) | Methods and systems for solvent purification | |
US20110129886A1 (en) | Biorefinery Process for Extraction, Separation, and Recovery of Fermentable Saccharides, other Useful Compounds, and Yield of Improved Lignocellulosic Material from Plant Biomass | |
UA105365C2 (en) | Process for the production of sugars from biomass | |
SI2027159T1 (en) | A process for the stepwise treatment of lignocellulosic material to produce reactive chemical feedstocks | |
CN107021878B (en) | Co-production of levulinic acid and furfural from biomass | |
US20140034047A1 (en) | Processes and apparatus for lignin separation in biorefineries | |
EA020072B1 (en) | Process for the production of alcohol | |
BR112016030664B1 (en) | METHOD FOR PRODUCING FURFURAL FROM BIOMASS MATERIAL CONTAINING PENTOSAN | |
EA023806B1 (en) | Method for extracting fuel or propellant | |
CN107849588A (en) | Hydro-thermal mechanical treatment lignocellulose biomass produces tunning | |
RU2772830C1 (en) | Method for producing silicon dioxide | |
WO2008084490A1 (en) | A process for preparation of ethanol by hydrolysis of celluloses of ligno-cellulosic bio-mass | |
EA039772B1 (en) | Method for producing silicon dioxide | |
EA018882B1 (en) | Method of continuous acid hydrolysis of cellulose containing substances | |
JP5924188B2 (en) | Method for producing furfurals from lignocellulose-containing biomass | |
Alikasturi et al. | Extraction of glucose by using alkaline hydrolysis from Musa sapientum peels, Ananas comosus and Mangifera indica Linn | |
RU2359907C2 (en) | Method of rice hulls processing | |
WO2018013796A1 (en) | Continuous process for the ozonolysis of lignin to yield aromatic monomers | |
RU2264411C1 (en) | Method of production of betulin | |
JP6098675B2 (en) | Method for producing solid fuel from lignocellulosic material | |
Nurmalasari et al. | Thermal Stability Analysis of Cellulose From Sago Fiber Waste (Metroxylon sago) | |
RU2205158C1 (en) | Method for obtaining humic substances out of slime residues of domestic and/or industrial waste water | |
RU2304161C1 (en) | Hydrogenous coal processing method | |
US744510A (en) | Process of making albuminoid substances from maize. | |
RU2580884C1 (en) | Method of producing pectin and cellulose from beet pulp |