稻壳及其燃烧、裂解产物的应用

　　稻壳是碾米行业产生的副产物，主要元素组成为C、H、O和Si等，物相组成主要有木质素类、纤维素类和二氧化硅等。研究证明，稻壳的化学组成大约为：灰分20%、木质素22%、纤维素38%、二氧化硅18%、其他有机物2%。

　　稻壳灰（RHA）是稻壳燃烧后的剩余成分，焙烧稻壳可得到稻壳总量约20%的稻壳灰。稻壳灰中含有80%~95%的二氧化硅，其余为未燃碳等。二氧化硅以非晶态存在，比表面积50~60m²/g，具有化学活性高、易溶出等特点。稻壳灰可用作生产硅化合物和碳材料的生产原料。

　　碳化稻壳（CRH）是将稻壳加热，使其中纤维素、半纤维素等裂解、转化为可燃性气体，木质素、半木质素转化为木炭性物质之后所产生的剩余物，俗称稻壳炭。所产生的可燃性气体可直接用作燃料或转化为液体生物质燃料。所产生的稻壳炭外观呈黑色，主要成份为炭。与稻壳灰相比，稻壳炭含有较多的固定碳，其多孔疏松结构使稻壳炭具有体轻、导热性低、耐火度高、吸附性强等特性。稻壳炭固定碳含量在45%~50%之间，二氧化硅含量在25%~30%之间，同时还含有2%~5%的金属氧化物、15%~20%的挥发分以及1%~2%的水等。稻壳炭可用作保温材料、冶金材料，同时是生产碳素合硅化合物的***原料。

　　（1）制备活性炭

　　活性炭具有多孔性、热稳定性能优良和比表面积大等特点，被广泛应用于水处理、油品加工、环境保护、化工等领域。

　　稻壳炭呈多孔、疏松蜂窝状结构，具有较高的化学活性和良好的吸附性能，可用于生产***活性炭。近年来，对以稻壳为原料通过物理或化学的方法生产活性炭的研究十分广泛。

　　南阳东方应用化工研究所经过多年研究，开发出了以稻壳为原料热裂解回收生物质燃料，再以所得稻壳炭生产高比表面积稻壳基活性炭、高分散性轮胎专用白炭黑及生产过程主要生产原料的循环利用技术。所得活性炭比表面积达到3050m2/g，高分散性轮胎专用白炭黑产品质量符合GB/T 32678-2016标准，同时实现了主要生产原料氢氧化钠的全循环利用，不仅消除了污水产生与排放对环境造成的污染，而且避免了氢氧化钠的大量采购，大幅度降低了生产成本。目前，该工艺已成功实现工业化。　

     （2）制备石墨烯

　　石墨烯的传统制备方法主要包括以金属薄膜为原料的化学气相沉积法，以碳化硅为原料的外延生长法和以石墨烯氧化物为原料的化学还原法。这些方法都存在着不同的缺点，如化学气相沉积法流程复杂，外延生长法所需的原料碳化硅成本较高且处理温度超过1500℃，化学还原法所用试剂有毒且流程复杂。上述缺点限制了传统制备方法的推广应用。近年来，有研究者提出以稻壳为原料，通过煅烧以及化学活化的方法制备石墨烯，研究结果证明，该方法是一种简单且廉价的石墨烯生产方法，具有推广应用价值。

　　（3）制备锂离子电池负极

　　硅材料具有比表面积大和多孔的特性，是制备锂离子电池负极的优良材料。稻壳具有相互连接的纳米多孔结构，用稻壳制备的硅材料作为锂离子电池负极时电化学性能优异。纳米硅材料孔隙率高，以硅材料做负极时无需破坏电极表面的固态结构就能实现内部的膨胀与收缩，实现锂离子的自由嵌入和脱嵌。

　　研究发现，从稻壳中直接制备高纯硅纳米粒子(SiNPs ) ,SiNPs粒径为10~40nm，具有多孔结构，用作锂离子电池负极时电池比容量高达2790mAh/g，是碳负极材料的7倍，循环300次后仍可保留86%的比容量。研究还发现，稻壳灰可用于制备锂离子电池负极，其多孔的纳米结构可以解决硅负极应用时的很多问题，如提高比容量、延民循环寿命等。

　　（4）制备非晶态二氧化硅和硅化合物

　　二氧化硅和硅主要用于橡胶、电子、磨料、耐火材料以及太阳能领域。二氧化硅是制备高纯硅、氮化硅、碳化硅和硅化镁的重要原料。

　　以稻壳灰为硅源，通过溶胶法可以制备出用于药物运输系统的非晶态多孔二氧化硅和纳米二氧化硅粒子。Le等采用溶胶-凝胶法合成了纳米二氧化硅粒子。实验用稻壳灰是将稻壳置于600%锻烧4h得到，合成的产物为非晶态二氧化硅，平均粒径为3nm。

　　Salavati-Niasari等以稻壳灰为原料，室温下使用高能行星式球磨机球磨6h得到球状、粒径为70nm的非晶态纳米二氧化硅粒子。Shelke等以稻壳灰为原料制备出非晶态二氧化硅。制备过程如下:首先用NaOH处理稻壳灰得到硅酸钠，再通过酸洗提纯得到最终产物二氧化硅，在实验条件下，稻壳灰中90%的二氧化硅都转换为硅酸钠。印度理工学院用氢氧化钠碱处理稻壳，用过滤后的硅酸钠溶液制备出二氧化硅。用稻壳灰制备的二氧化硅可用于橡胶、增强剂、混凝土、洁齿剂或作为食品干燥剂。

　　研究发现稻壳中的二氧化硅完全有可能应用于需要高纯硅及其化合物的半导体和太阳能电池等高科技领域。除此之外，以稻壳为原料通过铝热还原法、镁热还原法、碳热还原法等也可以制备高纯硅或硅化合物。

　　（5）制备储能材料和电容器

　　Prabunathan通过实验得到聚苯胺稻壳灰(PANI/RHA)和加入了MnO2的聚苯胺稻壳灰(PANI/MnO2 /RHA)纳米复合材料，并将其用于储能装置。研究表明，与纯稻壳灰相比，PANI/RHA纳米复合材料的电容量提高了17倍，PANI/MnO2 /RHA纳米复合材料的电容量提高了54倍。稻壳灰作为一种可再生的生物质能源，可用于制备超级电容器的负极。

　　（6）制备金属化合物

　　I,uangvaranunt等以铝粉、铜粉和稻壳灰为原料，采用粉末冶金法制备了铝铜/氧化铝复合材料。铝基体通过与掺杂的稻壳灰中的二氧化硅发生放热反应生成了氧化铝增强相。铝基复合材料在强度、刚度和耐磨性等方面都优于富钥锂的铝基合金。