摘要：研究稻壳灰中的SiO2在低浓度碱性条件下的高效溶解性，首先对温度、NaOH浓度、时间、液固比4个因素进行单因素实验，然后选取温度、NaOH浓度、时间3个因素设计组合实验，以SiO2溶出率为考察指标。结果表明：温度124℃、NaOH质量分数8%、时间1.5 h、液固比（mL:g）10:1。该条件下，多次实验得到SiO2的溶出率达98%。此研究对稻壳农业废弃物的回收及资源化化利用提供了技术支持，不仅将其变废为宝，还能保护生态环境。

　　关键词：稻壳灰；低浓度；SiO2溶出率；响应曲面法

　　0引言

　　稻壳是一种产量巨大的农业废弃物，常被直接丢弃或焚烧处理，燃烧后的稻壳灰又带来新的环境污染问题。稻壳灰中无定形SiO2含量高达80%，且具有一定的反应活性，所以用稻壳灰提取SiO2制备一些含硅产品，不仅能将稻壳废弃物利用起来，也解决了环境污染问题。对稻壳进行盐酸预处理，去除杂质金属离子以便更好地进行提取SiO2。

　　对于稻壳灰中SiO2的提取工艺中，马红超的研究以酸化后的稻壳通过采用2.5 mol/L的NaOH溶液碱溶4 h后，SiO2的提取率为90%。刘娟的研究采用正交实验设计，在实验条件为：NaOH溶液质量分数为20%、液固比3:1、反应时间4 h时，SiO2的提取率为95.74%。梁嘉成的研究确定了最佳SiO2提取条件为：NaOH溶液浓度1.9 mol/L、反应温度110℃、液固比4.8 mL/g，该条件下SiO2溶出率为71.6%。综上，对于低浓度碱性下高效提取SiO2都没有很好的研究，本文进行低浓度碱溶高效提取SiO2的实验研究，考察各因素对SiO2溶出率的影响，最终确定了最优的工艺参数，为稻壳灰中SiO2的高效提取及利用提供有效途径。

　　1实验部分

　　1.1原料和试剂

　　原料：实验所用稻壳来自黑龙江省绥化市某场提供的优质稻壳。

　　试剂：氢氧化钠、无水碳酸钠、溴甲酚绿、甲基红、乙醇、氟化钠、盐酸，均为分析纯。实验用水均为蒸馏水。

　　1.2原料预处理

　　取适量稻壳按固液比1:10与2.5%盐酸进行浸泡混合，在磁力搅拌器中90℃下反应2 h后，取出对其洗涤、抽滤至中性，而后在105℃下干燥至恒重。将酸处理后的稻壳放置瓷舟中在马弗炉650℃下煅烧0.5 h，使完全灰化至恒重，颜色为白色。对酸化处理后的稻壳灰进行化学成分分析，表1为稻壳酸处理后稻壳灰的XRF分析，从表1中可看出经过盐酸酸化处理后的稻壳灰中SiO2含量为98.15%，其他金属杂质含量明显较少。

　　采用X射线衍射法测定稻壳灰的物相组成，结果如图1所示。从图1可以看出，在15。~30o时，出现鼓包型的衍射峰，说明稻壳灰中的物象主要呈现非晶态。由于稻壳灰的主要化学成分为SiO2，则可认为稻壳灰中的SiO2为非晶态的SiO2，具有比较高的反应活性，这对SiO2的提取是有利的。

　　1.3稻壳灰的碱溶

　　取适量稻壳灰与NaOH溶液进行混合然后置于反应釜中施加预定温度，进行反应一段时间后取出，抽滤得到滤液和少量的滤渣，滤液即为硅酸钠溶液（水玻璃）。

　　1.4分析方法

　　根据国标GB/T 4209—2008测定硅酸钠溶液中二氧化硅的含量。

　　SiO2的溶出率(α)计算方法如式（1）：

　　α=m′/m×100%.（1）

　　式中：α为稻壳灰中SiO2的溶出率，%；m′为硅酸钠溶液中SiO2的质量，g；m为稻壳灰中SiO2的质量，g。

　　2结果与分析

　　2.1反应温度对SiO2溶出率的影响

　　由图2可知，随着温度的升高，SiO2溶出率逐渐增大，在120℃时溶出率达到了最大值，而后随着温度升高溶出率开始下降。温度升高，会导致活化状态的NaOH分子逐渐增加，可以加速NaOH与稻壳灰中的SiO2进行反应，从而使得SiO2溶出率提高。继续升高温度时，会使溶液变得黏稠，流动性变差，影响分子扩散，进而使得SiO2溶出率出现下降趋势，所以温度120℃为提取SiO2的最佳条件。

　　2.2 NaOH质量分数对SiO2溶出率的影响

　　由图3可知，随着NaOH质量分数的升高，SiO2溶出率出现了先增加又下降的情况，在NaOH质量分数为7.5%时达到了最大值。因为随着NaOH质量分数一直升高，会导致液体黏度过高，稻壳灰与NaOH溶液反应减慢，就会导致SiO2溶出减少。所以NaOH质量分数为7.5%为提取SiO2的最佳条件。

　　2.3反应时间对SiO2溶出率的影响

　　由图4可知，随着反应时间的增加，SiO2溶出率出现了先升高后基本不变然后下降的情况，在1.5 h时达到了最大值，时间的升高会使得稻壳灰与NaOH溶液反应更加充分，但是时间过长，会导致NaOH与稻壳灰中的其他粒子反应，从而使得其与稻壳灰中SiO2反应减少，因此溶出率下降。SiO2溶出率在2 h时与1.5 h时溶出率相差不大，故考虑效率问题，时间为1.5 h为提取SiO2的最佳条件。

　　2.4液固比对SiO2溶出率的影响

　　由图5可知，随着液固比的升高，SiO2溶出率先增加后下降，在10∶1时溶出率达到了最大值。随着液固比的增加，接触面增大，使得稻壳灰与NaOH溶液的接触反应更充分，溶出率就增大，后来溶出率出现了下降可能是液固比过大溶液中SiO32-的溶出变多抑制了OH-的扩散。所以液固比为10:1为提取SiO2的最佳条件。

　　2.5碱溶提取SiO2响应曲面实验

　　在单因素实验的基础上，4个因素中，液固比较其他3个因素对SiO2溶出率影响较弱，所以选取温度（A）、NaOH质量分数（B）、时间（C）三个因素根据Box-Behnken实验设计原理，以SiO2溶出率（Y）为响应值，设计3因素3水平5个中心点响应面分析实验，数据用Minitab软件分析确定最优工艺参数。

　　2.5.1响应曲面实验设计

　　根据Box-Behnken设计原理进行三因素三水平实验，以SiO2溶出率为响应值，通过单因素实验得出响应面实验的因素及水平见表2。

　　2.5.2响应曲面实验分析

　　通过Minitab软件对模型进一步分析得到最佳的实验条件是：温度124℃,NaOH质量分数7.9%，时间1.7 h，液固比10∶1，该条件下SiO2的提取率理论预测值可达到98.6%。在上述理论方案的基础上，为了方便实际操作，确定实际方案为NaOH质量分数为8%，温度为124℃,液固比为10∶1的条件下，反应1.5 h，稻壳灰中SiO2的提取率为98%，与理论预测值相差0.6%，说明该模型具有真实有效，对实践生产具有指导性。

　　3结论

　　1）通过单因素实验，大致确定了响应曲面的取值范围分别为：反应温度在100～140℃;NaOH质量分数在5%～10%；时间在0.5～2.5 h。

　　2）此模型的最佳工艺条件为：温度124℃,NaOH浓度8%，时间1.5 h，液固比10∶1。该条件下，稻壳灰中SiO2的溶出率理论预测值可达98.6%，与实际实验值98%相接近，进一步证明了此模型的可行性。

       参考文献：

　　[1]梁嘉成.稻壳灰基二氧化硅气凝胶的冷冻干燥法制备及其性能研究[D].杭州：浙江大学，2021.

　　[2]陈佩.稻壳预处理对稻壳灰的影响研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

　　[3]马红超，杨君，董晓丽，等.以稻壳为原料制备白炭黑和活性炭[J].大连工业大学学报，2011，30（3）：195-198.

　　[4]刘娟，侯书恩，靳洪允，等.稻壳灰制水玻璃的正交试验研究[J].粮食与饲料工业，2008（12）：6-7.

　　[5]xx坤.酸预处理对稻壳内离子浸出率及稻壳灰性能影响研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

　　[6]高凌宇.蛇纹石酸浸硅渣制备水玻璃和白炭黑工艺研究[D].长沙：中南大学，2022.