Объект исследования, разработки или проектирования: Объектом исследования является синтетические цеолиты и нанокомпозиты полученные из агроотходов рисовой шелухи
Цель работы: Целью предлагаемого проекта является разработка технологии преобразования агроотходов рисовой шелухи в пористые нанокомпозиты путем ступенчатой экстракции и гидротермального синтеза, с последующей пропиткой наночастицами металлов или модификацией поверхности поверхностно-активными веществами для улучшения сродства к целевым загрязнителям и увеличения адсорбционной способности.
Методы исследования: Анализы для проверки образования цеолитной фазы проводится с помощью передовых методов, таких как XRD, XRF, SEM, TGA, FTIR,. Удельная площадь поверхности и характеристики пор образцов диоксида кремния были определены методами Брунауэра-Эммета-Теллера (BET) и теории функционала плотности (DFT). Адсорбционные эксперименты проводятся на специальном ртутном анализаторе или в УФ-видимом диапазоне в случае катионных красителей с использованием стандартных процедур анализа.
Полученные результаты и новизна: Основное выращивание риса развито в Казахстане в основном в Кызылординской области и в небольшом количестве в Туркестанской и Жетысуской области. Образцы высокоочищенного аморфного кремнезема (98-99%) с площадью поверхности в диапазоне от 120 до 980 м2/г были успешно синтезированы с использованием рисовой шелухи из различных регионов Казахстана из разных сортов. Выщелачивание при предварительной обработке HCl и контролируемом прокаливании при 600°C в течение 4 ч выявило снижение содержания оксида металла в составе рисовой шелухи. Чистоту синтезированного диоксида кремния определяли с помощью рентгеноструктурного анализа. С чистотой 99,7% диоксид кремния был синтезирован из образца рисовой шелухи из Туркестанской области, который был получен путем дальнейшей очистки. Дальнейшие эксперименты по получению цолита из кремнезема и исследование сорбционных свойств будет проводится именно из образца рисовой шелухи из Туркестанской области. Нынешний подход был сравнен с другими исследованиями, которые также были направлены на получение образца кремнезема из рисовой шелухи. Сравнение было проведено, чтобы показать важность таких параметров, как продолжительность и температура термической обработки, сорт риса, географическое положение и концентрация используемой кислоты. Научная новизна предлагаемого проекта заключается во внедрении наночастиц серебра и магнетита в структуру цеолита, полученного из золы рисовой шелухи в качестве биоисточника, богатого кремнеземом.
Основные конструктивные и технико экономические показатели: Экологические и экономические выгоды проекта связаны друг с другом. Повторное использование рисовой шелухи для приготовления нового пористого цеолитного материала снижает образование сельскохозяйственных отходов и позволяет избежать ненужных процессов сжигания для ее утилизации. Кроме того, использование цеолитов на основе рисовой шелухи для очистки воды потенциально может минимизировать стоимость процессов очистки воды за счет внедрения эффективного альтернативного подхода. Еще одним потенциальным рынком сбыта цеолитовых адсорбентов может быть производство фильтровальных установок. Насколько нам известно, в стране нет ни одной местной компании, использующей рисовую шелуху для приготовления синтетических цеолитов и нанокомпозитов для любого применения. Таким образом, он может пролить свет на новые производственные линии для цеолитов на основе биомассы и может рассматриваться как недорогой заменитель активированного угля, по крайней мере, по техническим причинам. Осуществимость процесса в пилотном масштабе еще предстоит подтвердить, однако предлагаемое исследование может заложить основу для будущих исследований и расширения процесса.
Эффективность: Предварительная обработка кислотой может повлиять на химический состав продуктов, полученных из рисовой шелухи, но не на структурное образование, будь то кристаллическое или аморфное образование. Структура SiO2 зависит от температуры и продолжительности прокаливания, и при температуре выше 700-900 °C образуются кристаллические формы. Несколько факторов могут вызвать изменение состава рисовой шелухи, например, сельскохозяйственные факторы и климатические изменения или географические факторы. Химический состав рисовой шедухи указывает на то, что SiO2 является основной частью кремнистого ускорителя, а количество металлических примесей невелико. Образцы рисовой шелухи без предварительной кислотной обработки содержат от 73,9% до 84,4% SiO2. После обработки соляной кислотой содержание увеличилось до 99,7%. Это доказало, что применение метода предварительной обработки полезно для удаления металлических примесей и улучшения чистоты кремнезема.
Область применения: Концепция предлагаемого проекта двояка: во-первых, эффективное использование сельскохозяйственных отходов в пористом композитном материале с добавленной стоимостью за счет использования рисовой шелухи в качестве ресурса, богатого кремнеземом; во-вторых, применять полученный пористый композит для очистки водоемов от традиционных (ионы тяжелых металлов) и возникающих загрязнителей (фармацевтика). Это согласуется с Целями устойчивого развития ООН: чистая вода и санитария (№6), промышленность, инновации и инфраструктура (№9) и ответственное потребление и производство (№12). Также в Казахстане действует приоритетная дорожная карта по «Государственной программе Республики Казахстан по питьевому водоснабжению на 2001–2030 годы», которая направлена на достижение более эффективных технологий очистки.
Задачи: 1) Выделение и характеристика (микроструктурный, морфологический, элементный, термический анализ) синтетического кремнезема не менее чем из двух местных образцов агроотходов рисовой шелухи; 2) Оптимизация условий гидротермальной реакции превращения кремнезема рисовой шелухи в нанопористые цеолиты (изучение соотношение реагентов, время кристаллизации и старения, температура обжига и др.); 3) Пропитка наночастиц металла или оксида металла (серебро ил магнетит) для получения нанокомпозитов или модификация поверхности цеолитов, полученных из рисовой шелухи, додецилсульфатом натрия (SDS), алкилсульфоновой кислотой или Тритоном-X-100 для функционализации цеолитов для удаления целевых загрязняющих веществ в воде; 4) Экспериментальное изучение кинетики и равновесной адсорбции синтезированных нанокомпозитов и исходных цеолитов для удаления Hg2+ и катионных красителей (кристаллический фиолетовый и/или метиленовый синий) из воды; 5) Влияние параметров адсорбции, таких как рН и концентрация исходного раствора, влияние конкурирующих загрязняющих веществ, дозировка адсорбента. 6) Построение и применение моделей кинетики адсорбции (псевдопервого порядка, псевдовторого порядка и др.) и изотерм (Ленгмюра, Фрейндлиха и др.) для описания и прогнозирования профиля адсорбции на неоднородной поверхности. 7) Исследование механизма удаления с помощью передовых методов характеризации и программного обеспечения для определения состава путем моделирования условий адсорбции.
Ожидаемые результаты: Для очистки воды планируется переработка агроотходов в материал с добавленной стоимостью, который соответствует принципам устойчивого развития и экономики замкнутого цикла. Ожидается, что предлагаемый проект даст представление о синтезе цеолитов и нанокомпозитов с использованием местной рисовой шелухи. Следующие действия дадут важные фундаментальные знания: исследования роста цеолитовой фазы из богатой кремнеземом рисовой шелухи, формирования нанокомпозита путем пропитания наночастиц, также модификации поверхности и механизмов взаимодействия целевых загрязняющих веществ с модифицированными адсорбентами. Кроме того, модификация поверхности цеолитов, полученных из рисовой шелухи, а также структурная пропитка наночастицами серебра или магнетита должны продемонстрировать исключительную адсорбционную способность по отношению к целевым загрязнителям (ртути и катионным красителям). Проект предполагает разработку оптимизированного метода производства цеолитов и нанокомпозитов, модификаций поверхности и структуры, который можно было бы масштабировать для изучения на малых установках. Предлагаемый проект имеет большой потенциал для подачи заявок на патенты и коммерциализации, поскольку новые адсорбенты на основе биоотходов могут предложить недорогой и эффективный подход к восстановлению существующих технологий. Требования к количеству статей по результатам исследований устанавливаются в документации по конкурсу. Каждая статья будет содержать информацию об идентификационном регистрационном номере (ИРН) и названии проекта, в рамках которого она финансировалась, с указанием грантового финансирования в качестве источника. Планируется публикация не менее 3 (трех) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти); либо не менее 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, входящих в 1 (первый) и (или) 2 (второй) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 65 (шестидесяти пяти); либо не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом научном издании, входящем в 1 (первый) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science и (или) имеющем процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 80 (восьмидесяти).
Руководитель организации — Акназаров Сестагер Хусаинович ( Доктор химических наук ) Руководитель работы — Тауанов Ж.Т. (PhD in Materials Science and Engineering, PhD) Период реализации: 2022 - 2024