CC BY
299
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 633.584
Г.И. Горбунов, О.Р. Расулов
ФГБОУВПО «МГСУ»
ПРОБЛЕМЫ РАЦИОНАЛЬНОЙ УТИЛИЗАЦИИ РИСОВОЙ СОЛОМЫ
Рассмотрены проблемы текущей утилизации и дальнейшего применения рисовой соломы и шелухи. Приведен анализ состояния решений указанных проблем в отрасли, рассмотрены существующие технологии утилизации и повторного использования рисовой соломы и шелухи. По результатам анализа сформулированы предпочтительные направления использования рисовых отходов.
Ключевые слова: рисовая солома, утилизация, сжигание, зола, аморфный кремнезем, химический состав, строительные материалы.
Основное место среди видов недревесного растительного сырья занимают сельскохозяйственные отходы, в частности, отходы от переработки зерновых культур, одним из которых является солома (рис. 1).
Различают озимую и яровую солому, злаковую и бобовую, а по видам растений: пшеничную, рисовую, ржаную, ячменную, конопляную и др.
Рис. 1. Рисовая солома
Хорошая злаковая солома—светлая, блестящая, упругая; долголежавшая— ломкая, пыльная, часто с пряным запахом. Рисовую солому получают при выращивании риса. Рис выращивают в Китае, Корее, Вьетнаме, Индии, Малайзии, Узбекистане, Таджикистане, Киргизии, а также в России и др. Родина риса — Юго-Восточная Азия, где он был известен еще в доисторические времена. Это единственное культурное растение, которое возделывается на полях, покрытых слоем воды.
Для народов Китая, Малой Азии, Индонезии рис издавна стал важнейшей продовольственной культурой.
Первыми европейцами, которые попробовали рисовую кашу, были воины Александра Македонского. Они же и рассказали о возделывании риса в Индии, Иране и других странах. После этого на протяжении нескольких столетий употребление риса считалось дорогим удовольствием и его использовали в основном как лечебное средство.
По данным Министерства сельского хозяйства Республики Таджикистан в год здесь засевают около 13 тыс. га риса. При переработке зерна риса образуется большое количество отходов: шелухи (рис. 2) и стеблей соломы. Так, с 1 га посевной площади получают в среднем 5 т риса, а 1 т риса дает 1 т соломы. Это означает, что с каждого гектара посевов остается более 5 т отходов в виде соломы, а с 13 тыс. га — около 65 тыс. т соломы.
Рисовую солому используют в основном для сельскохозяйственных нужд: обычно она идет на корм животным. Питательность соломы обусловливается главным образом содержанием в ней углеводов и степенью лигнификсации клетчатки. Солома озимых культур отличается более высокой степенью лигнификсации клетчатки, что делает ее менее питательной. У соломы яровых культур клетчатка менее лигнифицирована, легче поддается измельчению при пережевывании и воздействию на нее пищеварительных соков. Однако рисовая солома все же не является полезным пищевым продуктом для животных, поэтому очень часто ее просто сжигают на полях, загрязняя при этом окружающую среду.
Рисовая солома состоит из трех частей: корни, стебли, листья.
После сбора риса корни обычно остаются в земле, где он посеян и выращен.
Стебель риса — полый цилиндрический росток диаметром 3.. .7 мм, высотой от 50 до 200 см, а у глубоководных видов риса до 3.5 м. Стебель соломы неоднороден. В процессе роста стебля с наружной его стороны образуется жи-ровосковой слой в виде плотной инкрустированной кремнием и не смачивающейся водой пленки. С внутренней стороны это образование отсутствует.
В настоящее время для соблюдения международных экологических норм вышеуказанные отходы утилизируют, в частности, используют в качестве утеплителей в зданиях и сооружениях (рис. 3), добавок при производстве строительных материалов, а также при устройстве кровли.
Рис. 2. Рисовая шелуха
Рис. 3. Солома в виде блока
7/2013
Исходными материалами для такой кровли служат солома и глина. Особенно хороша ржаная солома, обмолоченная вручную, или так называемая «сторнованная», несколько хуже — мятая или измельченная солома машинного обмолота.
Сочетание соломы и глины придает кровле такие важные характеристики, как водонепроницаемость и защита от жары и холода. В этой системе глина скрепляет соломенные снопики в единый монолит, а соломины отводят воду с поверхности кровли.
Вместо ржаной соломы можно использовать пшеничную или рисовую солому. Солома должна быть без травы и гнили.
Глину обычно применяют только жирную, с содержанием песка не более 15 %. Ее заготавливают заранее на зиму из расчета 1 м3 на 30...35 м2 кровли. Промороженная глина становится более рыхлой и легко размокает.
Приступая к роспуску глины, ее прежде всего разрыхляют. Затем разрыхленную глину засыпают в творильную яму слоями 10.15 см, заливают водой (в соотношении примерно 1 : 2) и выдерживают не менее 5.6 ч. Затем ее перемешивают до получения однородной массы. Густоту глины, как правило, определяют по поставленной в нее соломинке. Если соломинка стоит вертикально, а прилипший к ней раствор не стекает, глину можно использовать. Если соломинка падает, а раствор стекает с нее, необходимо добавить глины (в слишком густую глину добавляют воду). В приготовленном глиняном тесте могут оставаться комки, поэтому его лучше всего процедить через сито с ячейками 1^1 см.
Как только глина перестанет стекать со снопиков, их можно использовать на покрытие. Укрытые соломой снопики можно хранить не более 2 сут, иначе качество их ухудшится.
При устройстве теплоизоляции здания солому используют в виде блоков (см. рис. 3). Коэффициент теплопроводности блоков из соломы находится в пределах 0,04.0,09 Вт/(мК), что является экономически выгодным при строительстве дома своими руками, при этом используют соломенный блок размером 0,3.1,2 х 0,46 х 0,37 м.
Первые дома из блоков прессованной соломы были сооружены в США в XIX в. С тех пор сохранилось свыше 100 построек, которые простояли уже более века. В последние десятилетия соломенные дома становятся все популярнее и в Европе. В Германии и Англии были построены сотни таких домов. В Китае с 1998 по 2004 г. возведено более 600 соломенных зданий различного назначения [1].
На рис. 4 показаны дома с деревянным каркасом и утеплителем из прессованной соломы.
Рис. 4. Дома с деревянным каркасом и утеплителем из прессованной соломы
Рисовую солому как сырье используют во многих отраслях: в производстве биоэтанола, биоразлагаемых пластмасс, кремния, целлюлозы, бумаги, картона, плетеных изделий, тепловой энергии и т.д.
В странах, производящих эти продукты, проблема полной ликвидации соломы не решена в силу ряда ее специфических свойств. Во многих странах недревесное сырье является основным видом сырья, из которого производят целлюлозу. В Китае почти 87 % целлюлозосодержащей продукции производят из соломы. В Иране также из рисовой соломы получают целлюлозу [2]. По данным иранских ученых при низкотемпературной варке из рисовой соломы была получена целлюлоза с выходом 57,7 % от массы абсолютно сухой соломы с содержанием 15,2 % пентозанов, 3,7 % лигнина и 3,5 % золы.
Черноморская энергетическая компания разработала и запатентовала технологию утилизации отходов сельскохозяйственного производства с одновременным получением электрической и тепловой энергии, биоудобрений, сжиженного газа (метан), биокорма для птицы и животных. По свойствам и химическому составу многие отходы близки к природному сырью для производства строительных материалов и могут служить его полноценными заменителями.
В Узбекистане [3] в качестве материала, заменяющего асбест, наиболее перспективно использование волокна, полученного из рисовой и пшеничной соломы, которая составляет 20 % от массы товарного риса и пшеницы. Там предложено частично заменять асбестовое волокно в асбестоцементных материалах целлюлозой, полученной модифицированием рисовой и пшеничной соломы. Химический анализ показал, что целлюлоза рисовой соломы в основном состоит из а-целлюлозы (до 80 %). Пентозаны, лигнин, легкогидролизующи-еся вещества во время обработки остаются в варочных растворах. Этот подтверждают данные химических анализов о наличии функциональных групп органических соединений и, главное, а-целлюлозы, приведенные в табл. 1 [3].
Табл. 1. Химический состав рисовой соломы
Компонент Количество, %
Целлюлоза 80.82
а-целлюлозы 78.80
Пентозаны —
Лигнин 0,3.0,5
Зольность 16.18
Разработана технология получения модифицированных волокон целлюлозы из рисовой и пшеничной соломы путем механохимической обработки в кислотной и щелочной средах [3]. По своим характеристикам полученные волокна аналогичны асбестовым и могут быть использованы для частичной замены асбеста в композиции: цемент, асбест, модифицированные волокна, вода.
Разработка новых методов химической переработки недревесного растительного сырья с целью получения целлюлозы основывается на представлении о химическом составе сырья. Основными компонентами растительных тканей являются углеводный комплекс (гемицеллюлозы, целлюлоза), лигнин, экстрактивные и минеральные вещества. В качестве объектов исследования рассматриваются солома и шелуха.
Результаты химического состава недревесного растительного сырья, полученные в УГЛТУ г. Екатеринбурга, приведены в табл. 2.
Табл. 2. Химический состав соломы и шелухи риса
Компоненты Солома Шелуха
Целлюлоза 43,6 38,6
Лигнин 22,3 31,3
Пентозаны 11,6 1,2
Водный экстракт 3,7 11,0
Смолы, жиры, воски 5,1 2,0
Зола 13,7 16,9
Отличительными особенностями представленного состава являются высокая зольность шелухи с содержанием минеральных веществ, из которых 80.95 % приходится на долю диоксида кремния, а для соломы — наличие жи-ровоскового слоя на внешней и внутренней поверхности соломины. В настоящее время во многих регионах, культивирующих рис, проводятся исследования по утилизации отходов переработки риса. Эти исследования направлены, в основном на получение целлюлозы, лигнина и др., а также на процесс горения соломы и шелухи риса и изучение продуктов горения (золы). При сжигании рисовой соломы по данным различных источников [3, 4] образуется от 16 до 20 % золы. Состав золы после сжигания соломы приведен в табл. 3.
Табл. 3. Химический состав золы, %
железа (III) 0,7.0,9 ~
кальция 3,6.3,8
2,1.2,2 89.91
натрия 2,1.2,3
калия 1,6.1,7
Анализируя табл. 3, следует отметить, что зола рисовой соломы в основном состоит из диоксида кремния SiO2 (89.91 %).
Известно, что диоксид кремния в природе может существовать в кристаллическом виде (кварц), аморфизированном и стеклообразном состоянии, что во многом зависит от температурных условий его образования. Многие исследователи [5—7] изучали влияние режима процесса горения рисовой соломы на состав золы и вида диоксида кремния. Институт химии Дальневосточного отделения РАН проводит исследования по получению диоксида кремния из отходов производства риса. Установлено [6], что при сжигании 1 т соломы получают от 70 до 120 кг аморфного диоксида кремния, а при сжигании 1 т шелухи — от 120 до 200 кг кремнезема, содержащей от 90 до 99,99 % аморфного SiO2.
Сжигание рисовой шелухи в условиях «зажатого слоя» позволяет управлять процессом термообработки на всех стадиях и получать продукт со стабильным заданным качеством. Диоксид кремния с содержанием основного вещества от 88 до 99,99 % как в аморфной, так и в кристаллической или смешанной формах. Также увеличить выход конечного продукта, который состав-
Оксид
магния
кремния
ляет не менее 80 % от теоретически возможного. Результаты представленных исследований позволяют осуществлять переработку отходов рисового производства в непрерывном режиме, что является более технологичным и может быть эффективно использовано для сжигания других аналогичных по свойствам материалов с указанным техническим результатом. В МГСУ [8] проводились исследования по применению аморфного кремнезема в качестве активной минеральной добавки при получении пенозолобетона. В настоящее время проводятся исследования по применению золы рисовой шелухи и соломы в производстве стеновых керамических материалов.
Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что основными рациональными методами утилизации рисовой соломы являются:
использование рисовой соломы в строительстве при устройстве кровли и теплоизоляции ограждающих конструкций, а также при настилке полов зданий;
использование соломы в качестве заменителя асбеста в производстве асбе-стоцементных изделий;
переработка соломы для производства целлюлозы и лигнина; получение электрической и тепловой энергии при сжигании соломы; получение различных видов диоксида кремния при сжигании соломы; использование в качестве активной минеральной добавки при производстве пеннозолобетона и стеновых керамических материалов.
Библиографический список
1. Щукин А.А. Это не сказка про трех поросят // Эксперт. 2012. № 13 (796). Режим доступа: http://expert.ru/expert/2012/13/eto-ne-skazka-pro-treh-porosyat/. Дата обращения: 05.04.2013.
2. Исследование компонентного состава рисовой соломы ИРИ и свойств получаемой из нее целлюлозы / Р. Шокри Монсеф, А.К. Хрипунов, Ю.Г. Баклагина и др. // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья : материалы III Всеросс. конф. Барнаул : Изд-во Алтайского государственного университета, 2007. Кн. 1. С. 53—55.
3. Технология получения модифицированных волокон из отходов агропромышленного комплекса для использования при производстве асбестоцементных изделий / Д.К. Адылов, Г.М., Бектурдиев, Ф.М. Юсупов, Р.Н. Ким // Сотрудничество для проблемы отходов : материалы 8-й Междунар. конф., Харьков. Режим доступа: http://waste.ua/ cooperation/2011/theses/adylov.html. Дата обращения: 20.04.2013.
4. Физико-химические свойства целлюлозы, полученной окислительно-орга-носольвентным способом из растительного сырья / А.В. Вураско, А.Р. Минаков, Н.Н. Гулемина, Б.Н. Дрикер // Материалы интернет-конференции. Режим доступа: http://ftacademy.ru/stience/mtemet-conference/mdex.php?c=1&a=66. Дата обращения: 15.04.2013.
5. Виноградов В.В., Виноградова Е.П. Способ подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния. Патент ЗФ № 2191158 (з. № 2001113525/12 от 22.05.2001 г.)
6. Добржанский В.Г., Земнухова Л.А., Сергиенко В.И. Способ получения водорастворимых силикатов из золы рисовой шелухи. Патент РФ № 2106304 (з. № 96118801 от 23.09.96 г.)
7. Способ получения диоксида кремния и тепловой энергии из кремнийсодержа-щих растительных отходов / А.А. Скрябин, А.М. Сидоров, Е.М. Пузырев, В.П. Щурен-ко. Патент РФ № 2291105. Барнаул, 2007.
8. Румянцев Б.М., Данг Ши Лан. Пенозолобетон с активным кремнеземом // Строительные материалы и технологии XXI века. 2006. № 6. С. 38—39.
Поступила в редакцию в мае 2013 г.
Об авторах: Горбунов Герман Иванович — кандидат технических наук, профессор кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Расулов Олимджон Рахмонбердиевич — аспирант кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, olimjon.rasulov.1977 @ mail.ru.
Для цитирования: ГорбуновГ.И., Расулов О.Р. Проблемы рациональной утилизации рисовой соломы // Вестник МГСУ 2013. № 7. С. 106—113.
G.I. Gorbunov, O.R. Rasulov
RICE STRAW RECYCLING PROBLEMS
The authors present a fairly extensive analysis of the state of the cereal crop industry in the Republic of Tajikistan and other regions of East and South-East Asia. Problems of generation of a huge amount of waste in the course of processing of cereals, in particular, rice straw processing by-products, are raised by the authors. The authors propose their original solution to the problems in question. Besides, traditional and original methods of application of rice straw in low-rise construction and production of building materials are presented in the article. The major part of the article covers traditional methods of disposal of rice straw as a raw material used in the production of cellulose, lignin biodegradable plastic, paper, cardboard, wicker products, thermal energy, etc. Another important issue, covered in the article, is the study of the straw/husk burning process, as well as the possibility of generating ash that contains various forms of silica. The fact that the ash content of the straw, according to various sources, varies within the range of 16-20 %, and its silica content may be up to 89-91 % make it possible for the authors to state that straw and husk ash can be used as an active mineral additive in the production of effective building materials. It is noteworthy that the problems raised in the article are relevant, and their practical solutions are feasible.
Key words: rice straw, recycling, incineration ash, amorphous silica, construction materials.
References
1. Shchukin A.A. Eto ne skazka pro trekh porosyat [This Is Not a Fairytale about Three Little Pigs]. Ekspert [Expert]. 2012, no. 13(796). Available at: http://expert.ru/expert/2012/13/ eto-ne-skazka-pro-treh-porosyat/ Date of access: 05.04.2013.
2. Monsef Shokri R., Khripunov A.K., Baklagin Yu.C. Issledovanie komponentnogo sos-tava risovoy solomy IRI i svoystvpoluchaemoy iz nee tsellyulozy [Research into the Composition of Rice Straw and Properties of the Cellulose Made of It]. Novye dostizheniya v khimii i khimicheskoy tekhnologii rastitel'nogo syr'ya : materialy III Vserossiyskoy konferentsii [New advances in chemistry and chemical engineering plant materials: Materials of III All-Russian Conference]. Barnaul, ASU Publ., 2007, pp. 53—55.
3. Adylov D.K., Bekturdiev G.M., Yusupov F.M., Kim R.N. Tekhnologiya polucheniya modifitsirovannykh volokon iz otkhodov agropromyshlennogo kompleksa dlya ispol'zovaniya pri proizvodstve asbestotsementnykh izdeliy [Technology for Generation of Modified Fivers from Agricultural Waste Used in the Production of Asbestos-cement Products]. Materialy 8-y Mezhdunarodnoy konferentsii «Sotrudnichestvo dlya problemy otkhodov» [Presentation Ma-
terials. 8th International Conference "Cooperation in Waste Problems". Khar'kov, February 23—24, 2011. Available at: http://waste.ua/cooperation/2011/theses/adylov.html. Date of access: 20.04.2013.
4. Vurasko A.V., Minakov A.R., Gulemina N.N., Driker B.N. Fiziko-khimicheskie svoys-tva tsellyulozy, poluchennoy okislitel'no-organosol'ventnym sposobom iz rastitel'nogo syr'ya [Physicochemical Properties of Cellulose Generated from Plant Raw Materials Using Organo-solv Oxidation]. Materials of an Internet Conference. Available at: http://ftacademy.ru/science/ internet-conference/index.php?c=1&a=66. Date of access: 15.04.2013.
5. Vinogradov V.V., Vinogradova E.P. Sposob podgotovki risovoy shelukhi dlya polucheni-ya vysokochistogo dioksida kremniya [Method of Preparation of Rice Husk for the Generation of High-Purity Silicon Dioxide]. Patent Number: 2191158. Patent Class: S01V33/12. Application Number 2001113525/12 filed on 22.05.2001; publication dated 20.10.2002., Krasnodar.
6. Dobrzhanskiy V.G. Zemnukhova L.A., Sergienko V.I. Sposob polucheniya vodorast-vorimykh silikatov iz zoly risovoy shelukhi [Method of Generation of Water-soluble Silicates from Rice Husk Ash]. RF Patent no. 2106304 (Application no. 96118801 of 23.09.96).
7. Skryabin A.A., Sidorov A.M., Puzyrev E.M., Shchurenko V.P. Sposob polucheniya dioksida kremniya i teplovoy energii iz kremniysoderzhashchikh rastitel'nykh otkhodov [Method of Generation of Silicon dioxide and Thermal energy from Siliceous Plant Waste]. Barnaul, AltGTU Publ., 2007.
8. Rumyantsev B.M., Dang Shi Lan. Penozolobeton s aktivnym kremnezemom [Aerated Ash Concrete Containing Active Silica]. Stroitel'nye materialy i tekhnologii XXI veka [Construction Materials and Technologies of the 21st Century]. 2006, no. 6, pp. 38—39.
About the authors: Gorbunov German Ivanovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Rasulov Olimdzhon Rakhmonberdievich — postgraduate student, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; olimjon. [email protected].
For citation: Gorbunov G.I., Rasulov O.R. Problemy ratsional''noy utilizatsii risovoy sol-omy [Rice Straw Recycling Problems]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 7, pp. 106—113.
