Recovery Conditions, Impurity Composition, and Characteristics of Amorphous Silicon Dioxide from Wastes Formed in Rice Production

Table 3. Content of amorphous SiO
2
in ash from rice husk and straw in relation to the processing procedure
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
Raw material
³
SiO
2
content, wt %, for indicated processing scheme
ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
³
I
³
II
³
III
³
IV
³
V
³
VI
³
VII
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
RH-1
³
77.50
*
³
93.48
³
96.40
³
96.44
³
99.80
³
99.79
³
RH-2
³
80.45
*
³
91.71
³
95.83
³
98.05
³
99.27
³
99.80
³
99.83
RH-3
³
47.50
³
93.48
³
96.40
³
96.44
³
99.81
³
99.86
³
99.79
RH-4
³
44.70
³
93.56
³
95.64
³
97.60
³
99.89
³
99.83
³
99.53
RH-5
³
42.50
³
93.26
³
95.64
³
98.07
³
99.65
³
99.55
³
99.83
RH-6
³
44.12
³
92.73
³
95.71
³
98.36
³
99.86
³
99.99
³
99.98
RH-7
³
38.70
³
88.63
³
97.55
³
95.47
³
98.75
³
99.99
³
97.68
RH-8
³
38.05
³
87.58
³
91.45
³
94.34
³
97.32
³
99.99
³
98.43
RH-9
³
38.22
³
88.54
³
97.32
³
95.43
³
98.42
³
99.99
³
99.05
RH-10
³
³
88.20
**
³
³
³
97.05
³
99.99
³
RH-11
³
39.92
³
89.54
³
93.59
³
94.92
³
99.72
³
99.80
³
99.95
RH-12
³
39.56
³
92.70
³
96.05
³
95.53
³
97.64
³
99.00
³
99.10
RH-13
³
38.76
³
91.84
³
95.98
³
98.06
³
99.50
³
99.99
³
99.64
RH-14
³
42.44
³
91.74
³
95.92
³
98.60
³
99.72
³
99.87
³
99.88
RH-15
³
43.58
³
91.80
³
95.75
³
98.46
³
99.72
³
99.56
³
98.46
RH-16
³
43.05
³
92.85
³
96.02
³
98.76
³
99.72
³
99.78
³
98.76
RH-17
³
44.76
³
93.58
³
95.64
³
97.60
³
99.89
³
99.53
³
RH-18
³
43.51
³
91.46
³
94.62
³
97.54
³
99.95
³
99.99
³
99.84
RH-19
³
35.48
³
92.43
³
96.07
³
95.61
³
99.88
³
99.99
³
99.90
RS-1
³
39.43
³
88.16
³
92.34
³
94.68
³
97.54
³
99.84
³
RS-2
³
³
³
³
³
95.53
³
98.16
³
RS-3
³
38.42
³
87.57
³
90.44
³
91.42
³
93.36
³
98.58
³
RS-4
³
³
³
³
³
97.47
³
99.03
³
RS-5
³
37.60
³
86.54
³
89.60
³
95.88
³
97.86
³
99.39
³
99.40
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
*
Thermolysis in a helium flow.
**
Burning in the pilot installation.
Table 4. Content of metal oxides in the samples of amorphous SiO
2
obtained from rice husk and straw
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
Raw material
³
Content, wt %
ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
³
SiO
2
³ Na
2
O
³
MgO
³
CaO
³
ZnO
³ Al
2
O
3
³
MnO
³
Fe
2
O
3
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
RH-3
³ 96.40 ³
0.03
³
0.33
³
0.35
³ 0.008 ³ 0.043 ³ 0.09
³
0.027
³ 99.79 ³
0.08
³
0.06
³
0.11
³ 0.003 ³ 0.043 ³ 0.07
³
0.021
RH-6
³ 92.73 ³
0.02
³
0.46
³
0.87
³ 0.013 ³ 0.062 ³ 0.20
³
0.06
³ 99.86 ³
0.02
³
0.07
³
0.02
³ 0.002 ³ 0.017 ³ 0.014 ³
0.054
RS-1
³ 97.54 ³
0.15
³
0.08
³
0.08
³ 0.002 ³ 0.07
³ 0.05
³
0.16
³ 99.84 ³
0.05
³
0.03
³
0.005
³ 0.005 ³ 0.14
³ 0.023 ³
0.163
RS-3
³ 93.36 ³
0.09
³
0.86
³
0.50
³ 0.025 ³ 0.08
³ 0.15
³
0.26
³ 98.58 ³
0.11
³
0.09
³
0.13
³ 0.003 ³ 0.172 ³ 0.056 ³
0.50
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
(DRON-2.0 diffractometer, Cu
K
=
radiation), and ther-
mal gravimetric (Q-1000 derivatograph, MOM, Hun-
gary) methods by the standard procedures. The sili-
con content was found gravimetrically [19]. The con-
tent of free carbon was determined by the procedure
described in [20], and that of phosphorus, photocol-
orimetrically [21]. The specific surface area of amor-
phous SiO
2
was measured by the procedure described
in [22], with methylene blue. The substance density
in toluene at 25
oC, bulk weight, solubility in water,
and solution pH were determined by the common
procedures. The results of chemical analysis of ash
and specific surface area of its particles are listed in
Tables 3
35.

---

RUSSIAN JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY
Vol. 78
No. 2
2005
322
ZEMNUKHOVA et al.
Table 5. Solubility of silica s (SiO
2
content >95%) and
solution pH
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄ
Solution tem-
³ Heating time, ³ Solution ³
s, %
perature,
oC ³
min
³
pH
³
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄ
25
³
60
³
8.34
³
3.2
70
³
60
³
8.45
³
4.6
90
³
5
³
7.92
³
2.4
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄ
Table 6. Specific surface area of ash from rice husk and
straw in relation to the preparation procedure
ÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
Processing
³
S
sp
, m
2
g
!1
ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
scheme ³
RH
³
RS
ÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
I
³
142
3459
³
II
³
80
3309
³
230
3302
III
³
159
3310
³
IV
³
173
3297
³
V
³
270
3300
³
291
3309
VI
³
243
3301
³
VII
³
270
3303
³
ÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
All ash samples obtained from RH and RS by
the procedures listed in Table 2 have the same pow-
der X-ray patterns, typical of amorphous substances
[12]; they contain a single diffuse peak in the range
2
q = 18o326o. In pyrolysis of RH and RS samples in
a helium flow or at air deficiency (Table 2, scheme I),
a black amorphous product (black ash) is formed.
The yield of this product is 14
328% from straw and
36
3 44% from husk. According to Table 3, the SiO
2
content in this product varies in the range 77
3 80%
in helium flow and 39
3 88% at air deficiency. The
carbon concentration in the black ash is 4
3 60oC, de-
pending on the conditions of thermolysis and pretreat-
ment of raw materials.
Oxidative burning of RH and RS in an air flow
(Table 2, scheme II) is accompanied by formation of
a dark grey ash; its yield is 7
314% from RS and
11
321% from RH. The content of amorphous SiO
2
in
the ash varies in the range 86
388% for RS and 873
93% for RH.
Leaching of this ash with an acid (Table 2, sche-
me IV) gives a light finely dispersed amorphous sub-
stance with a SiO
2
content of 91
395% for RS and
94
398% for RH (Table 3).
Schemes III, V
3VII (Table 2) involve extraction of
water-soluble organic and inorganic substances from
the raw material with hot water or an acid. The com-
position and content of the extractive substances de-
pends on the type of a raw material and extraction
conditions. Extracts with various compositions can be
obtained depending on the goals of their subsequent
treatment to recover biologically active polysaccha-
rides [13], xylose [12], and other substances [9].
Oxidative burning of the residue of the raw mate-
rial after extraction gives light (Table 2, scheme III)
or white (schemes V
3VII) ash consisting of pure
amorphous SiO
2
(Table 3). The SiO
2
content in the
product obtained after extraction of the raw material
with water is 89
392% for RS and 91397% for RH.
The purest silica samples in which the SiO
2
con-
tent reaches 99.99% are obtained from the raw ma-
terial pretreated with an acid. An increase in the acid
concentration from 0.1 to 1 N does not appreciably
affect the product quality.
Oxides of the following elements were found in
the samples of amorphous silica: Na, K, Rb, Cu, Ag,
Mg, Ca, Zn, Al, Mn, Fe, and P. The content of oxides
depends on the SiO
2
purity and varies in the follow-
ing ranges (wt %): Fe(III) 0.5
3 0.02, Al 0.4 3 0.02,
Ca 0.3
3 0.005, Mg 0.83 0.03, Zn 0.023 0.003, Mn(II)
0.1
3 0.01, Cu 0.0023 0.0007, and Ag less than 0.0005.
Data on the content of the main concomitant oxides in
some ash samples are listed in Table 4.
The calcination loss of silica obtained by sche-
mes III and V
3VII at 1000oC is 0.135%. According
to an X-ray phase analysis, after heating all the sub-
stances studied transform from amorphous to crystal-
line state corresponding to
a-cristobalite and tridymite.
The density of silica obtained from RH and RS
containing no less than 95% SiO
2
was determined in
toluene at 25
oC to be 2.01 + 0.05 g cm
!3
. The bulk
weight of the substance obtained from RH compacted
under a pressure of 150 kgf cm
!2
is 867, and that in
the case of RS, approximately 600 g l
!1
. The solubil-
ity and pH of the solution of amorphous silica vary
with the solution temperature and heating duration
(Table 5).
The specific surface area S
sp
of ash depends on
the type of a raw material and procedure of its pro-
cessing (Table 6). The samples of black ash obtained
by scheme I (Table 2) have the highest S
sp
. This prod-
uct containing silica and carbon is of independent
interest for industries using carbon-silicon materials as
fillers for industrial rubber items, in metallurgy, and
as a sorbent. The other substances (products obtained
by schemes II
3VII) also have a large surface area;
S
sp
varies in the range 80
3310 m
2
g
!1
, depending on

---

RUSSIAN JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY
Vol. 78
No. 2
2005
RECOVERY CONDITIONS AND CHARACTERISTICS OF AMORPHOUS SILICON DIOXIDE
323
the type of the raw material and preparation procedure.
In crystallization of the substance, the S
sp
decreases,
on the average, to 8
310 m
2
g
!1
.
Comparison of the characteristics of amorphous
SiO
2
obtained from rice husk and straw with the main
characteristics of some references for silicon dioxide
recovered from mineral raw materials shows that
the product meets the requirements of GOST (State
Standard) 14 922
377 and 9428373. The concentration
of concomitant impurities in the samples of silica
obtained from rice husk and straw is lower.
Thus, the data obtained suggest that the wastes
from rice production, RH and RS, are good raw ma-
terials for production of amorphous SiO
2
of varied
quality. This product can be used first and foremost
in branches using such forms of silica as diatomace-
ous earth, kieselguhr, tripoli powder, carbon white,
Aerosil, microsilica, and carbonized silica.
CONCLUSIONS
(1) Sodium, potassium, rubidium, copper, silver,
magnesium, calcium, zinc, manganese(II), aluminum,
iron(III), and phosphorus oxides were found among
concomitant impurities in samples of amorphous silica
obtained from rice husk and straw.
(2) All silicon-containing products obtained in pro-
cessing of rice husk and straw can be used in various
branches of industry as carbon-silicon materials and
as pure amorphous or crystalline silica.
ACKNOWLEDGMENTS
The study was financially supported by the Min-
istry of Industry and Science of the Russian Federa-
tion (project no. 02.42.9).
REFERENCES
1. Voronkov, M.G., Zelchan, G.I., and Lukevics, E.J.,
Kremnii i zhizn’ (Silicon and Life), Riga: Zinatne,
1978.
2. Iler, R.K., The Chemistry of Silica, New York: Wiley,
1979.
3. Modifitsirovannye kremnezemy v sorbtsii, katalize i
khromatografii (Modified Silicas in Sorption, Catal-
ysis, and Chromatography), Lisichkin, G.V., Ed.,
Moscow: Khimiya, 1986.
4. Meditsinskaya khimiya i klinicheskoe primrnenie di-
oksida kremniya (Medical Chemistry and Clinical Ap-
plications of Silicon Dioxide), Chuiko, A.A., Ed.,
Kiev: Naukova Dumka, 2003.
5. Poluchenie sinteticheskogo dioksida kremniya osoboi
chistoty (Production of Synthetic Silicon Dioxide of
Ultrapure Grade), Moscow: NIITEKhim, 1979.
6. Krot, V.V., Zorya, L.N., Orlova, O.D., et al.,
Zh. Neorg. Khim., 1992, vol. 37, no. 6, pp. 1209
31213.
7. Potapov, V.V. and Kashura, V.N., Khim. Tekhno-
logiya, 2002, no. 9, pp. 2
39.
8. Ris i ego kachestvo (Rice and Its Quality), Koz’mi-
na, E.P., Ed., Moscow: Kolos, 1976.
9. Govindorao Venneti, M.H., J. Sci. Ind. Res., 1980,
vol. 39, no. 9, pp. 495
3515.
10. Saprykin, L.V. and Kiseleva, N.V., Khim. Drev.,
1990, nos. 3/7, pp. 119
3126.
11. Nakata, Y., Suzuki, M., Okutani, T., et al., J. Ceram.
Soc. Jpn. Int. Ed., 1989, vol. 97, no. 8, pp. 830
3836.
12. Zemnukhova, L.A., Sergienko, V.I., Davidovich, R.L.,
et al., Vestn. Dal’nevost. Otd. Ross. Akad. Nauk,
1996, no. 3, pp. 82
387.
13. Sergienko, V.I., Zemnukhova, L.A., Egorov, A.G.,
et al., Zh. Ross. Khim. O
!va im. D.I. Mendeleeva,
2004, vol. 48, no. 3, pp. 116
3124.
14. Kolzunova, L.G., Zemnukhova, L.A., Fedorishche-
va, G.A., et al., Zh. Prikl. Khim., 2000, vol. 73,
no. 10, pp. 1644
31651.
15. RF Patent 2 061 656.
16. Chakraverty, A., Banerjiee, H.D., and Pandey, S.K.,
Thermochim. Acta, 1987, vol. 120, pp. 241
3255.
17. USSR Inventor’s Certificate, no. 1 699 918.
18. Saprykin, L.V., Kiselev, N.V., and Temerdashev, Z.A.,
Khim. Drev., 1989, no. 2, pp. 80
382.
19. GOST (State Standard) 9428
!73. Chemicals: Sili-
con(IV) Oxide.
20. Klimova, V.A., Osnovnye mikrometody analiza or-
ganicheskikh soedinenii (The Main Methods of Anal-
ysis of Organic Compounds), Moscow: Khimiya, 1975.
21. Khimicheskii
analiz
gornykh
porod
i
mineralov
(Chemical Analysis of Rocks and Minerals), Moscow:
Nedra, 1974.
22. Aivazov, B.V., Praktikum po khimii poverkhnostnykh
yavlenii i adsorbtsii (Practical Guide on Chemistry of
Surface Phenomena and Adsorption), Moscow: Vys-
shaya Shkola, 1973.