بخشی از مقاله
چکیده
سیلیسیم به دلیل کاربردهای بسیار گسترده در کشاورزی و صنعت امروزه یکی از عناصر مفید به حساب می آید. پوسته بیرونی شلتوک برنج یکی از پسماندهای کشاورزی است که دارای محتوای بالایی از سیلیس بیشکل است و بازیافت و مصرف آن در کشاورزی پایدار، کاری ارزشمند است. هدف از این مطالعه استخراج سیلیسیم از پوسته بیرونی برنج و در نهایت تولید کود سیلیسیمدار با کیفیت بالا می باشد.
استخراج سیلیسیم به روش خاکسترسازی در کوره در دمای 800 درجه سانتیگراد انجام شد. برای این منظور از اسید هیدروکلریک جهت برای شست و شوی یونهای فلزی موجود در خاکستر پوسته برنج استفاده شد. در مرحله بعد کود سیلیکات پتاسیم به بوسیله پتاسیم هیدروکسید تولید و خالصسازی شد. بدلیل کمبود و گران بودن کود سیلیسیمدار وارداتی، انجام این پژوهش بسیار مفید خواهد بود کمک بسیاری به پیشرفت در کشاورزی کشور خواهد کرد.
-1 مقدمه
برنج از قدیمیترین گیاهان زراعی دنیا و مبدا پیدایش آن آسیای جنوب شرقی به ویژه هند و چین است. پس از گندم بیشترین سطح زیر کشت اراضی کشاورزی جهان به برنج اختصاص دارد و بخش عمده خوراک نیمی از جمعیت جهان است. حدود 20 درصد از وزن شلتوک را غلاف و سبوس آن تشکیل می دهد که بیشتر آن دور ریخته می شود
پوسته بیرونی شلتوک برنج یکی از پسماندهای کشاورزی، با درصد سیلیس قابل توجه است که در حجم بالا در دنیا تولید میشود. بر اساس گزارش FAO ،میزان تولید برنج در سال 2011 حدود 475 میلیون تن و سهم ایران حدود 3/2 میلیون تن بود - . - 10 میزان تولید سالانه پوسته برنج حدود یک پنجم میزان تولید برنج است
در ایران سالانه حدود 640 هزار تن پوسته شلتوک برنج تولید میشود. در حال حاضر در کشور ما تنها استفادهای که پوسته درونی برنج در مقیاس وسیع دارد استفاده از آن به عنوان خوراک دام و طیور است. اما با توجه به این که بیش از 70 درصد ساختار پوسته بیرونی برنج لیگنوسلولز و بیش از 10 تا 20 درصد آن را سیلیس بیشکل تشکیل میدهد، ارزش چندانی برای تغذیه دام و طیور ندارد
سیلیس - SiO2 - دومین عنصر از نظر فراوانی در پوسته زمین است. سیلیس هم در صنعت و هم در کشاورزی کاربرد دارد. معادن سیلیس زیادی در زمین وجود ندارد و این عنصر جزو عناصر گران و کمیاب است. شیشه سازی، تولید فیبرهای نوری، ساخت عایقهای الکتریکی و حرارتی، ساخت جاذبها و تولید فرآوردههای دارویی، از کاربردهای صنعتی سیلیس است
یکی از عناصر ضروری برای رشد بهینه برنج، سیلیس است. منبع قابل استفاده به عنوان کود سیلیسیمدار از نوع ارگانیک یا در بازار مصرف وجود ندارد یا وارداتی است این در حالی است که پژوهشهای زیادی مبنی بر اثر مثبت ناشی از افزودن کود سیلیسیمدار به زمین های کشاورزی مانند شالیزار گزارش شده است
قیمت کود سیلیسیمدار معدنی و یا ارگانیک وارداتی آنقدر گران است که مصرف آن در شالیزار صرفه اقتصادی ندارد درحالیکه. مصرف کود سیلیسیمدار در شالیزار مقاومت برنج را به آفات و بیماریهای گیاهی مانند کرم ساقه خوار و ورس - خوابیدن - افزایش میدهد. مصرف کود سیلیسی در شالیزار ضمن کاهش مصرف سموم، به نفع محیط زیست است
گیاهان سیلیس موجود در خاک را به شکل اسید منو سیلیسیک جذب میکنند - . - 15 به گیاهانی که مقادیر زیادی سیلیس در اندامهای خود انباشت می کنند اصطلاحا گیاهان انباشت کننده سیلیس گفته می شود. در این گیاهان سیلیس انباشت شده به 5 تا 20 درصد وزن خشک گیاه می رسد
در این زمینه پژوهشهایی در رابطه با نحوه توزیع، انباشت و فیزیولوژی سیلیس در گندم، جو، بامبو و تفاله چغندر قند - باگاس - انجام شده است . - 8 - فرایند معمول تولید سیلیس از طریق واکنش فرم معدنی سیلیس مانند کوارتز با کربنات سدیم در دمای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد است. این فرآیند نیاز به خالص سازی و مصرف انرژی بسیار بالا دارد - . - 14 استخراج سیلیس از زیتوده گیاهی در دمای پایین گزینه مناسبتری است. استفاده از این منابع علاوه بر اینکه از نظر مصرف انرژی بسیار با صرفه است، یک فرآیند دوستدار محیط زیست نیز میباشد
استخراج سیلیس از زیتوده گیاهی در چند سال اخیر در سطح دنیا مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در مطالعهای که توسط Shen و همکاران - 2011 - انجام شد، آنها تاثیر دما و زمان کلسینه کردن بر استخراج سیلیس از پوسته برنج بدون فرایند شستشوی اسیدی و آمادهسازی با شستشو ی اسیدی را مورد بررسی قرار دادهاند. آنها دمای پایین، زمان کوتاهتر و استفاده از روش آمادهسازی را برای استخراج سیلیس پیشنهاد کردهاند - . - 18 حدود 10 درصد وزن خشک پوسته بیرونی شلتوک برنج، سیلیس است که با توجه به سطح زیر کشت برنج و عملکرد و تولید شلتوک درکشور ظرفیت اسمی 87 تن سیلیس قابل استحصال است
با توجه به مقدار قابل توجه تولید پوسته بیرونی شلتوک برنج به عنوان ماده دورریز در کارخانجات شالیکوبی در شمال کشور، می تواند به هرچه معقولتر کردن قیمت تمام شده این محصول کمک کند. با توجه به بررسیهای انجام شده، به دلیل گران بودن کود سیلیسیو در دسترس نبودن آن و در مقابل، ارزان و در دسترس بودن پوسته بیرونی شلتوک برنج" که بعنوان ماده دورریز و پسماند کارخانجات شالیکوبی محسوب میشود،" انجام تحقیقات بمنظور امکان سنجی تولید کود سیلیسیمدار از این ماده دورریز ضروری و از اهداف این پژوهش بود. در این مطالعه از پوسته بیرونی شلتوک برنج بعنوان منبع تولید سیلیس بیشکل و کود سیلیکاته استفاده شد.
-2 مواد و روشها
در این تحقیق پوسته بیرونی شلتوک برنج از کارخانه شالیکوبی شاقاجی واقع در شهر سنگر استان گیلان تهیه شد. اسید هیدروکلریدریک - %37 - و هیدروکسید پتاسیم - KOH - تولیدی مرک آلمان خریداری و استفاده شد. در تهیه محلولها از آب دیونیزه استفاده و آزمایشات در دانشگاه گیلان انجام شد.
-1-2 استخراج سیلیسیم از پوسته بیرونی برنج
ابتدا 16 گرم پوسته بیرونی شلتوک برنج بعد از سابیدن از الک 40 مش عبور داده شد. سپس پودر حاصله در کوره به مدت 5 ساعت در دمای 800 درجه سانتیگراد قرار گرفت تا به خاکستر تبدیل شد. مقدار 20 میلیلیتر آب دیونیزه به 2/04 گرم خاکستر حاصله افزوده شد. pH نمونه مورد نظر با اسید هیدروکلریک یک نرمال بر روی 1 تنظیم شد. نمونه به مدت 2 ساعت بر روی شیکر قرار داده شد. سپس با کاغذ صافی واتمن 42 فیلتر و مواد موجود بر روی کاغذ صافی با اسید هیدروکلریک 2 نرمال شست و شو داده شد تا ناخالصیهای موجود شسته شود. همچنین برای از بین بردن کربن احتمالی در نمونه مورد نظر از آب اکسیژنه استفاده و سیلیسیم بدست آمده به مدت 48 ساعت در دمای 70 درجه سانتیگراد در آون خشک و خالص سازی شد
-2-2 تولید کود سیلیسیمدار از سیلیسیم استخراج شده
بعد از خشک شدن فیلترات باقی مانده و شست و شو با اسید کلریدریک، نمونه را با 60 میلیلیتر KOH یک نرمال ترکیب کرده و نمونه در ارلن 250 ریخته شد. به مدت 1ساعت بر روی دستگاه هیتر در دمای 175 درجه سانتیگراد با دور 700rpm قرار داده شد و در آن مگنت قرار داده شد تا بطور پیوسته هم زده شود و به طور کامل حل و بر روی ارلن شیشه ساعت گذاشته شد تا از تبخیر احتمالی آن جلوگیری شود. pH نمونه 13/6 شد که با اسید هیدروکلریک 2 نرمال pH روی 7 تنظیم و نمونه به مدت 48 ساعت در آون در دمای 70 درجه سانتیگراد خشک و محصول نهایی یعنی کود پتاسیم سیلیکات بدست آمد.
-3-2 تولید کود سیلیسیمدار گرانوله
فرم گرنوله کود با تلفیق مواد زیر بدست آمد.
-1 پتاسیم سیلیکات،-2 دولومیت، در کارگاه تولیدی شرکت فناور کود طبیعت خرد و از الک 200 مش عبور داده شد. -3 پتاسیم کربنات تجاری -4 ملاس
مواد فوق با نسبت های متفاوت با روش آزمون و خطا با هم مخلوط شد تا مناسب ترین نسبت بدست آید. سپس مجدد بر اساس تجربه بدست آمده، با مناسب ترین نسبت مواد اولیه در آزمایشگاه حاصلخیزی خاک و کود دانشگاه گیلان با هم مخلوط و به شکل گرانول در آمد. دراین مرحله پس از ساخت گرانول های با نسبت های مختلف از پودر فل, سنگ دولومیت، محلول پتاسیم کربنات و ملاس به عنوان مادهی چسباننده، مناسب ترین نسبت مواد اولیه بر اساس فرم پذیری خمیر حاصله و پایداری گرانول تولیدی بدست آمد
-4 نتایج و بحث
از هر 16 گرم پوسته بیرونی شلتوک برنج 2 گرم خاکستر و 1/86 گرم سیلیسیم با خلوص 93 درصد بدست آمد. از این مقدار سیلیسیم حدود 4/25 گرم کود بدست آمد - شکل . - 1 پس میتوان از این ماده دورریز برای تولید کود سیلیسمدار گرانوله استفاده و در سطح وسیع آن را تولید کرد که هم از لحاظ اقتصادی به صرفه خواهد بود و هم تاثیر مثبتی در بهبود و پیشرفت کشاورزی کشور بویژه در تولید برنج خواهد داشت. - 2010 - Hagiyalakshmi درجه خلوص سیلیس را با دمای بهینه 700 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت، 93/2 درصد گزارش نمود. همچنین با استفاده از سیلیس بدست آمده مواد نانو حفره سیلیکاتی تولید نمایند
در مطالعه دیگری قربانی و همکاران - 2013 - استخراج سیلیس از گیاه جگن- یک علف هرز در زمینهای کشاورزی در شمال ایران را بررسی کردند. در این مطالعه از ترکیب، دو روش آمادهسازی اسیدی شامل شستشوی اسیدی و همچنین احتراق کنترل شده در دمای با دامنه 600-800 درجه سانتیگراد استفاده شد. نتایج آنها نشان داد که سیلیس بیشکل با درجه خلوص بیش از 98 درصد در دمای احتراق 600 درجه سانتیگراد بدست میآید
در مطالعهای دیگر برای استخراج سیلیس از گیاه برنج از روش شستشو با اسید هیدروکلریدریک، در دمای با دامنه 500-900 درجه سانتیگراد استفاده شد. نتایج نشان داد که 99 درصد سیلیس بیشکل در دمای 800 درجه سانتیگراد قابل استحصال است
