專利名稱：由含硅的植物物質(zhì)回收有用產(chǎn)物及能量的方法
由含硅的植物物質(zhì)回收有用產(chǎn)物及能量的方法發(fā)明背景1. 發(fā)明領(lǐng)域所公開并要求權(quán)利的本發(fā)明涉及一種用于通過環(huán)保型工藝從含硅的植物物質(zhì)(siliceous plant matter)回收有用產(chǎn)物和能量的方法。更特別的， 本文陳述的本發(fā)明涉及諸如無定形二氧化硅、木質(zhì)素、半纖維素、纖維素 衍生糖等產(chǎn)物的回收，及通過避免大氣碳化作用凈增長并減少氧化氮和硫 排放物的方法從包括稻殼、稈和葉等含硅植物的可再生資源回收熱能。此 外，通過改變本發(fā)明的某些步驟，其專業(yè)人員能夠選擇性地控制由所公開 發(fā)明制備的無定形二氧化硅的"質(zhì)量"(即具有更高或更低的碳含量、更 多或更少的無機殘留物及更高或更低的孔隙率)。此外，本文的發(fā)明可用 于制備更高純度(基本無碳元素、有機和無機雜質(zhì))和孔隙率(每單位重 量更大表面積)的無定形二氧化硅，其之前不能夠通過熱解從含硅的植物 物質(zhì)提取。2. 相關(guān)技術(shù)的描述無定形二氧化硅目前被制備、銷售并用于許多目的。但是，除Shipley 的美國專利號No.6,406,678之外，目前制備無定形二氧化硅所通過的方法 導(dǎo)致來自外部供應(yīng)能源的大量能量消耗、大量碳、氧化氮和硫排放物被引 入大氣中和/或利用高污染的化學(xué)物質(zhì)(背景信息見Shipley的美國專利號 No.6，406,678和Stephens等的美國專利號N0.6,375，735中陳述的關(guān)于用于 制備無定形二氧化硅的各種其他技術(shù)的討論)。此外，如見于含硅的植物 物質(zhì)中的，無定形二氧化硅以晶格狀結(jié)構(gòu)存在，緊密地與各種有機化合物 (諸如纖維素、木質(zhì)素、半纖維素)及各種無機化合物(包括鹽、凝膠、 水合物和鐵、鉀、4丐和鈉的氧化物)交織在一起。通過熱解去除這些有機和無機的化合物(因此產(chǎn)生有用的熱能)，以便留下基本純的具有高孔隙 率的無定形二氧化硅(如同其于植物物質(zhì)中所存在的)，已成為難以解決 的問題。如果植物物質(zhì)于低溫被熱解，碳和有機雜質(zhì)的去除通常是不完全 的。較高溫度下的熱解引起二氧化硅的晶格狀結(jié)構(gòu)熔化，減少其孔隙率(每 單位重量的有效表面積)并使雜質(zhì)截留在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)。更高溫度下的熱解 引起不合乎需要的二氧化硅的結(jié)晶。單獨熱解對于去除無機雜質(zhì)作用不 大。如果二氧化硅在熱解過程中被熔化，熱解后從二氧化硅去除無機雜質(zhì) 是困難的。另一方面，由諸如稻殼等含硅的植物物質(zhì)制造能量(例如，見Pitt的美國專利號No.3,959,007)具有某些局限性。也就是說，可以用另外方式 回收的木質(zhì)素、半纖維素、纖維素衍生的糖及其他有用的有機化合物在燃 燒中被毀壞。這些有機化合物的燃燒導(dǎo)致增加的氧化氮和硫排放物。此外， 對與燃燒產(chǎn)物接觸的表面(諸如蒸氣鍋爐的水管)往往會以玻璃涂覆，以 便減少上述鍋爐回收熱能的效率。此外，所得的含硅的灰含有大量碳、有 機和無機雜質(zhì)，使上述灰的應(yīng)用受到限制。然而，上述二氧化硅可溶解于 水玻璃中，之后從其沉淀出相對純的無定形二氧化硅，上述方法使用大量 能量，采用苛刻(harsh)和污染的化學(xué)物質(zhì)，且所得無定形二氧化硅保 留過多水分而不適于在各種應(yīng)用中使用(諸如，在室溫下硅橡膠產(chǎn)物趨向 于延遲固化)。本文公開的發(fā)明提供了一種方法，通過所述方法可以環(huán)境友好型(不 使大氣碳化、降低氧化氮和硫排放物并且不涉及高污染化學(xué)物質(zhì)的使用) 的方式從含硅的植物物質(zhì)(諸如稻殼、稈及葉)提取選定特性(包括碳、 無機雜質(zhì)的量和孔隙率)的無定形二氧化硅；還可以提取木質(zhì)素、半纖維 素、纖維素衍生的糖和有用的能量。發(fā)明目的本發(fā)明的首要目的是提供一種方法，借助其可將目前經(jīng)常被認(rèn)為是食 品生產(chǎn)的無用副產(chǎn)物的可再生含硅的植物物質(zhì)用于有益的用途，也就是既 用于諸如二氧化硅，尤其是具有大孔隙率的高純度無定形二氧化硅、木質(zhì)
素、半纖維素和纖維素衍生糖等有用的有形產(chǎn)物的制備，也用于有用能量 的制造。本發(fā)明的另一個首要目的是提供一種用于以環(huán)境友好型方式制備 所述有形產(chǎn)物和有用能量的方法，即不使大氣碳化，不依賴于灰、污染的 化學(xué)物質(zhì)的使用并比當(dāng)前使用的方法具有更少的氧化氮和硫排放物。本發(fā) 明的另外目的是提供一種方法，通過所述方法可根據(jù)需要選擇性地控制由 所述方法產(chǎn)生的無定形二氧化硅的質(zhì)量(即碳、無機化合物的量和孔隙 率)。發(fā)明概述本文描述的方法涉及通過不使大氣碳化、減少氧化氮和硫排放物并且 不采用苛刻、污染的化學(xué)物質(zhì)的方法，制備各種產(chǎn)物(諸如硅、木質(zhì)素和 半纖維素、纖維素衍生糖)和有用能量的含硅的植物物質(zhì)(諸如稻殼、稈 及葉)的有益用途。根據(jù)所需終產(chǎn)物的性質(zhì)和質(zhì)量，可以于熱解前使含硅的植物物質(zhì)經(jīng)受下述過程浸漬于水中，分離浸漬水并處理固體以引起碳?xì)浠衔锏倪€原 和/或無機化合物的去除。木質(zhì)素、半纖維素、纖維素衍生糖可以從用于 浸漬和/或浸泡含硅的植物物質(zhì)的水回收。在氧存在下，固體熱解產(chǎn)生含 硅的灰。通過改變熱解前的步驟和熱解溫度，所得含硅的灰可以選擇性地 含有或多或少的無定形或結(jié)晶的硅、或多或少的碳、或多或少的無機殘留 物并具有所需的孔隙率。熱解前的處理可以選擇性地包括浸漬于水中；去除浸漬水；通過浸 泡于含有氧化溶質(zhì)的水溶液中而還原有機化合物固體；通過浸泡于含有螯 合劑、無機和/或有機酸的水溶液中而增溶無機化合物固體；及漂洗并干 燥這些固體。剩余的固體之后在氧存在下，通常于引起結(jié)晶二氧化硅形成 的溫度之下的溫度進行放熱熱解。來自熱解的熱量可被截留用于其有益用 途，包括電能的產(chǎn)生。熱解后，所得含硅的灰(包括無定形二氧化硅)可 以水洗滌和/或施以各種化學(xué)漂洗以便去除更多雜質(zhì)。木質(zhì)素、半纖維素 和纖維素衍生糖可以從所述浸漬水回收。通過熱解前去除木質(zhì)素、半纖維 素、纖維素衍生糖，由熱解產(chǎn)生的氧化氮和硫排放物被減少。通過改變本
文所公開方法的步驟，不同規(guī)格的二氧化硅可選擇性的被制備。 附圖簡要說明

圖1是由所公開發(fā)明包括的用于從含硅的植物物質(zhì)回收二氧化硅、木 質(zhì)素、半纖維素、纖維素衍生糖和熱能的步驟的示意圖，所述步驟中的一 些步驟是可選的。發(fā)明優(yōu)選實施方式盡管本發(fā)明將參考優(yōu)選實施方式進行描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理 解可以做出各種變化且同等物可以替換其要素而不脫離本發(fā)明的范圍。此外，可以做出許多修改以使特定情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)而不脫離其 實質(zhì)范圍。因此，其意圖在于本發(fā)明不限于預(yù)期用于實施本發(fā)明的最佳方 式的所公開的特定實施方式，相反地本發(fā)明將包括所附權(quán)利要求范圍之內(nèi) 的所有實施方式和其法律同等物。本發(fā)明的工作產(chǎn)品是含硅的植物物質(zhì)。盡管稻殼、稈及葉因為他們的 高含量無定形二氧化硅而是優(yōu)選的，但其他含硅的植物物質(zhì)，包括竹類、象草(elephant grass )和/或硅藻藻類也可以通過本文公開的發(fā)明處理。圖l是本發(fā)明包括的各步驟的示意圖(其中一些是可選的)，其用于 處理含硅的植物物質(zhì)以制備二氧化硅、木質(zhì)素、半纖維素、纖維素衍生糖 和熱能；而不依賴于外部能源、不使大氣碳化、不使用苛刻、污染的化學(xué) 物質(zhì)并減少氧化氮和碌排方文物。如圖1中步驟1示出的，本發(fā)明的第一優(yōu)選步驟是清洗含硅的植物物 質(zhì)以去除異物，諸如石頭、污塊、砂和其他雜質(zhì)。稻殼的例子中，該步驟 優(yōu)選地通過篩分和洗滌完成。因為水是相對廉價的，因此洗滌將優(yōu)選地以 水完成。水可含有表面活性劑以有助于去除雜質(zhì)。根據(jù)含硅物質(zhì)和于特定 場所可利用的資源的性質(zhì)，用于清洗含硅的植物物質(zhì)的其他方法對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員將是已知的。如通過圖2的步驟2示出的，本發(fā)明優(yōu)選實施方式的第二步驟是由基
本不污染植物物質(zhì)的方法將含硅的植物物質(zhì)分為小顆粒。較小的顆粒更易于通過含有化學(xué)物質(zhì)的液體(chemical bearing liquid)浸濕、浸泡、穿透 并在本發(fā)明的隨后步驟中被熱解。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解用于分開含硅的 植物物質(zhì)而不引入污染物的各種方法包括磨粉、破碎、粉碎、研磨等等。如圖1中步驟3示出的，本發(fā)明優(yōu)選實施方式的第三步是將植物物質(zhì) 浸漬于水中，所述水優(yōu)選地在有效時間長度內(nèi)升高溫度。盡管關(guān)于含硅的 植物物質(zhì)浸漬于水中產(chǎn)生有益效果的確切方式并沒有明確寫在權(quán)利要求 中，但認(rèn)為其達到下述結(jié)果使含硅的植物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)浸濕并膨脹(從而 使其更易于被隨后的水性化學(xué)處理(water borne chemical treatments)滲 透)；去除水溶性無機化合物(防止它們在熱解過程中使二氧化硅熔化(fluxing)并構(gòu)成由熱解產(chǎn)生的終產(chǎn)物二氧化硅的污染物)；并將某些有 機化合物(諸如來自含硅的植物物質(zhì)的木質(zhì)素、半纖維素和纖維素衍生糖) 懸浮或溶解到水懸浮液或溶液中(其使植物物質(zhì)的含硅結(jié)構(gòu)更易于^^皮隨后 的化學(xué)浴滲透)以制備浸漬水，而諸如木質(zhì)素、半纖維素和纖維素^"生糖 等有用的有機物質(zhì)可以從該浸漬水分離；以及通過熱解前去除一些有機化 合物而使熱解產(chǎn)生較少的氧化氮和硫排放物)。然而，于所述方面沒有確 切寫在權(quán)利要求中，但認(rèn)為無定形二氧化硅以晶格狀或蜂窩狀結(jié)構(gòu)存在于 含硅的植物物質(zhì)中，所述結(jié)構(gòu)被長鏈有機物質(zhì)(諸如木質(zhì)素和纖維素)和 各種無機物質(zhì)(諸如鐵、鉀、釣、鈉和其他金屬凝膠、水合物等)直接(intimately)穿透。本發(fā)明的一個目的是提供一種通過不引起植物物質(zhì)的 無定形二氧化硅熔化(flux)并因此而"閉合"(成為較小孔隙率)的方式 從含硅的植物物質(zhì)去除非含硅的有機和無機化合物的方法。通常，這通過 含硅的植物物質(zhì)的熱解前化學(xué)處理完成，下文作出更完整的描述，其中 a)去除該物質(zhì)的無機化合物，這些無機化合物在氧存在下的低溫?zé)峤膺^程 中會轉(zhuǎn)化為引起所述物質(zhì)的無定形二氧化硅熔化的化合物(諸如金屬氧化 物)，及b)將所述物質(zhì)的自然產(chǎn)生的有機化合物(其在氧存在下低溫?zé)?解不被揮發(fā))還原為其他有機化合物(其在氧存在下通過低溫?zé)峤庵饕?為二氧化碳揮發(fā))。以上描述的步驟3主要涉及制備含硅的植物物質(zhì)以便 促進這些化學(xué)處理。無論將含硅的植物物質(zhì)浸漬于水中的確切方式是什 么，均觀察到在接近水沸點的溫度下浸漬含硅的植物物質(zhì)約1或更多小時
可加速并改善隨后化學(xué)處理的結(jié)果。此步驟的副產(chǎn)物是含有諸如木質(zhì)素和半纖維素等有用有機化合物的浸漬7JC ( steep water)的形成；通過過濾、離心和/或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知 的其他方法，所述化合物可從浸漬水被回收(如圖1步驟10示出的)。 此外，熱解前，去除木質(zhì)素和半纖維素及水溶性有機化合物，結(jié)果是熱解 過程中氧化氮和硫排放物的減少。本發(fā)明優(yōu)選實施方式的步驟4和5 (圖1中示出)是將剩余固體浸泡 于增溶金屬化合物和其他上述無機雜質(zhì)的水溶液中(步驟4 )和/或?qū)⑺?材料浸泡于含有氧化溶質(zhì)的水溶液。本發(fā)明這兩步驟的任一個可與本發(fā)明 的步驟3 (以上所述)組合，使其彼此或(即使非優(yōu)選的)以相反順序被 執(zhí)行。即例如，僅以實例方式，本發(fā)明步驟3的水可含有溶質(zhì)檸檬酸，該 檸檬酸通過螯合作用使金屬化合物增溶(如由步驟4說明的)，因此同時 完成本發(fā)明的"浸漬含硅的植物物質(zhì)"(步驟3)及"增溶含硅的植物物 質(zhì)的金屬化合物"(步驟3 )的步驟。通過另外的實例方式，氧化溶質(zhì)(諸 如以實例方式的過氧乙酸)可以作為溶質(zhì)被添加(從而滿足本發(fā)明步驟5 的條件)，因此本發(fā)明的步驟3、 4和5通過將含硅的植物物質(zhì)浸漬于含 有檸檬酸(增溶劑)和過氧乙酸(氧化劑)的水中而同時完成。盡管本發(fā)明的步驟4和5可以被組合，及那些步驟的任一或兩者與本 發(fā)明步驟3組合的事實，仍應(yīng)被理解的是本發(fā)明的步驟4和5具有不同目 的，并實現(xiàn)不同結(jié)果。通過理解這些步驟各自的目的和結(jié)果，對本領(lǐng)域技 術(shù)人員很明顯的是這些步驟各自的修改可被做出以選擇性地制備不同的 終產(chǎn)物，及不同質(zhì)量的終產(chǎn)物。第一個例子中，指出如果本發(fā)明的步驟3和4同時地、連續(xù)地^f皮完成， 但不去除浸漬水，之后步驟4的酸于適宜溫度會將浸漬水的半纖維素水解 為纖維素衍生糖，如通過圖1的步驟11示出的。還指出即通過水溶液(其溶液溶解增溶的化合物)增溶含硅的植物物 質(zhì)的金屬化合物的步驟4具有其他功能。也就是含硅的植物物質(zhì)于熱解之 前去除金屬化合物增加由熱解產(chǎn)生的無定形二氧化硅的孔隙率，允許熱解 在更高溫度(不產(chǎn)生無定形二氧化硅的熔化)下進行且得到更純的無定形
二氧化硅(具有更少無機雜質(zhì))。盡管關(guān)于于其熱解前增溶含硅的植物物質(zhì)的金屬化合物而產(chǎn)生的無 定形二氧化硅比沒有該步驟而被制備的無定形二氧化硅具有更高孔隙率 (每單位重量更高的表面積)的確切方式?jīng)]有明確寫在權(quán)利要求中，但認(rèn) 為是含硅的植物物質(zhì)可能含有諸如凝膠和水合物等的金屬化合物，其在熱解時一皮轉(zhuǎn)化為金屬氧化物，并且所述氧化物起熔劑(fluxingagent)的作用， 其引起植物物質(zhì)的無定形二氧化硅的結(jié)構(gòu)(其在自然狀態(tài)下是相當(dāng)多孔 的，通常超過每克幾百平方米)于相當(dāng)?shù)偷臏囟?800。C以下)下熔化， 變成至少部分"閉合"，從而具有較少的孔。通過去除至少一些這樣的金 屬化合物(于之后溶解其的水溶液中使其增溶)，相信可在特定溫度下避 免或減少此熔化和/或?qū)⑵溲舆t到更高溫度(該更高溫度增加由熱解產(chǎn)生 的熱能的回收效率)。此外，金屬化合物通常會被認(rèn)為是由熱解產(chǎn)生的無 定形二氧化硅的不期望的雜質(zhì)并需要去除它們，因而步驟4提供了于熱解前完成所述去除的方式(得到來自熱解的更純的無定形)。例如，僅通過實例方式，當(dāng)熱解前根據(jù)本發(fā)明的步驟4處理時，由稻 殼(rice hills)熱解產(chǎn)生的無定形二氧化硅已被指出從約20至40平方米/ 克增加到多達300至400平方米/克。 一些情況下，由熱解產(chǎn)生的無定形 二氧化硅具有低孔隙率而無關(guān)緊要。假如這樣，通過使用更弱的溶液、或 于更低溫度下或在更短的時間段，本發(fā)明的此步驟可被省略或調(diào)整。本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，檸檬酸是本發(fā)明步驟4的優(yōu)選增溶溶質(zhì)。 但其他水溶性螯合劑，包括乙二胺、乙二胺四乙酸("EDTA，，)和二巰 基丙醇，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他水溶性螯合劑可以被使用。可替 換的，除螯合劑之外，不溶解二氧化硅的無機和/或有機酸可^^皮使用來替 換所述螯合劑。應(yīng)務(wù)必選擇自身不構(gòu)成最終二氧化硅產(chǎn)物的不期望污染的 或不改變其二氧化硅的表面化學(xué)的有機或無機酸。類、土壤及其他生長條件而變化，所以不可能規(guī)定用于各種含硅的植物物 質(zhì)的確切溶質(zhì)濃度，但對于含硅的植物物質(zhì)熱解前由其去除的每摩爾無機 化合物而言將通常是二分之一至一摩爾螯合劑( 一些螯合劑截留多于一摩
爾摩爾比的雜質(zhì))。對于所得無定形二氧化硅的最高化學(xué)純度和孔隙率， 于檸檬酸的例子中，至少一摩爾或更多溶質(zhì)將被用于存在于含硅的植物物 質(zhì)中的每摩爾無機氧化物。如果期望或允許更低的化學(xué)純度和孔隙率，可如前所述，兩種其他有益效果被指明由去除無機化合物而產(chǎn)生。也就 是，熱解可于更高溫度下進行(其對于回收熱能通常是更有效的)而不使 無定形二氧化硅熔化，且所得終產(chǎn)物(無定形二氧化硅)含有要通過熱解 后處理而處理的較少雜質(zhì)。如圖1示出的本發(fā)明的步驟5將不被討論。本發(fā)明的步驟5涉及在氧 存在下于相當(dāng)?shù)蜏囟?500°C至900。C )通過熱解將不易于揮發(fā)的含硅物 質(zhì)的有機化合物還原為在氧存在下于上述溫度通過熱解易于揮發(fā)(主要為 二氧化碳)的化合物。為此，步驟5包括熱解前將含硅的植物物質(zhì)浸泡于 含有氧化溶質(zhì)的水溶液中。盡管熱解前將含硅的植物物質(zhì)浸泡于含有氧化 溶質(zhì)的水溶液中而于熱解過程中去除有機化合物的方式?jīng)]有確切寫入權(quán) 利要求，但認(rèn)為溶液的氧化劑起類似于"化學(xué)剪刀"的作用，其將植物物 質(zhì)的較長鏈碳?xì)浠衔?切割"為較短鏈的碳?xì)杌衔?，該較短鏈的碳?xì)?化合物在氧存在下于植物物質(zhì)熱解過程中易于揮發(fā)(主要是二氧化碳)。 雖然任何有效的氧化劑在將生物材料的長鏈碳?xì)浠衔镞€原為在有氧情 況下于熱解過程中更易于揮發(fā)的化合物的方面顯示為有效的，但應(yīng)務(wù)必選 擇經(jīng)濟的、相對安全的、易于使用的，并且自身不會對熱解后保留的終產(chǎn) 物(無定形二氧化硅)構(gòu)成不期望的化學(xué)殘留物的溶質(zhì)。因此，雖然本發(fā) 明包括許多氯酸鹽、高氯酸鹽、硝酸鹽、高錳酸鹽和某些過氧化物化合物 (諸如芬頓試劑)，但它們并不是優(yōu)選的。過氧乙酸是優(yōu)選的氧化溶質(zhì)， 因其中的乙酸催化過氧化氫，并且其殘留物易于通過漂洗被去除。但過氧 化氫是最優(yōu)選的氧化劑，因為其被消耗之后，水是其僅有的殘余物。如果 處理殼過程中，過氧化物沒有完全被消耗，則通常情況下為了確保植物物 質(zhì)的有機材料完全還原，使剩余的氧于短時期內(nèi)自發(fā)地放氣，可以通過加 熱、機械攪拌、電解或各種其他已知方法來加速所述放氣過程。根據(jù)植物物質(zhì)的性質(zhì)(諸如植物種類、其可被分得多么細(xì)致、預(yù)浸泡
時間和溫度等)和終產(chǎn)物所需特性，氧化溶質(zhì)的強度、含硅的植物物質(zhì)暴 露于所述溶質(zhì)的時間及溫度可以被改變。也就是說，浸泡含硅的植物物質(zhì) 于水溶液中的步驟涉及碳和碳化合物的量，其在隨后繼續(xù)的使含硅的植物 物質(zhì)熱解的步驟之后將保留于無定形二氧化硅中。因此，如果實際上不含 碳的無定形二氧化硅被期望作為終產(chǎn)物，則應(yīng)在升高的溫度下和/或在更 長時間段內(nèi)使用更強的氧化溶液以確保熱解前含硅的植物物質(zhì)的碳?xì)寤?合物分子完全還原。溫度和氧化溶液濃度，其均可以通過將少量被處理的殼放置到暴露于空氣的加熱(近似600。C)金屬板上而容易地確定。如果含硅的植物物質(zhì)幾秒內(nèi)氧化為基本不含碳的二氧化硅的精細(xì)的、純的白色灰，那么已發(fā)生碳?xì)?化合物的完全還原。如果檢測出任何含碳?xì)埩粑?其作為黑色"斑點"是 可見的和/或其可通過實驗室試驗被發(fā)現(xiàn))，那么額外的還原被需要(如 果基本不含碳的無定形二氧化硅是所需終產(chǎn)物)。另一方面，如果需要或 可接受無定形二氧化硅中存在一些碳?xì)埩粑?，那么可在更低溫度下?或 在更短時間段內(nèi)使用較弱的氧化溶液。實際上，如果從終產(chǎn)物(無定形二 氧化硅)去除碳是完全沒有必要的，則可省略將含硅物質(zhì)浸泡于含有氧化 溶質(zhì)的水溶液中的步驟。如圖l步驟6示出的，如上述浸泡含硅的植物物質(zhì)的結(jié)論，優(yōu)選以水 沖洗被處理的物質(zhì)以便去除保留在物質(zhì)上或浸濕所述物質(zhì)的浸漬水中的 無機化合物。如果非常高純度的二氧化硅被期望作為終產(chǎn)物，則根據(jù)特定 地點可利用的水的質(zhì)量，可以優(yōu)選用水來沖洗所述植物物質(zhì)而不是^f吏用已 被過濾的、去離子或甚至蒸餾水來沖洗所述植物物質(zhì)。沖洗植物物質(zhì)之后， 于熱解前其優(yōu)選地被干燥(如圖1步驟7所示出的)?，F(xiàn)通過改變本發(fā)明步驟4和5可見的是，其操作人員可以選擇性的控 制根據(jù)本發(fā)明制備的無定形二氧化硅的質(zhì)量。也就是說，通常如果從終產(chǎn)物的不完全的碳去除是可接受的，那么使含硅的植物物質(zhì)浸泡于含有氧化 溶質(zhì)的溶液中的步驟通過在所述方面(更弱的溶液、于更低溫度下、或在 更短時間段內(nèi))進行更少的處理而省略或調(diào)整。另一方面，如果相對低孔 隙率的無定形二氧化硅是可接受的終產(chǎn)物，那么使含硅的植物物質(zhì)浸泡于 使無機化合物增溶的水溶液中的步驟可通過在所述方面(使用更弱的溶 液、于更低溫度下、或在更短時間段內(nèi))進行更少的處理而省略或調(diào)整。 雖然在大多數(shù)情況下，需要基本不含碳的、高孔隙率的及含有較少有機和 無機殘留物的無定形二氧化硅，但是當(dāng)這是不期望或不必要時，所述方法 可被改變以制備所需要或必要的特定質(zhì)量的無定形二氧化硅。繼以上處理之后，所處理的含硅的植物物質(zhì)在氧存在下于控制的溫度(優(yōu)選的在500°C - 900°C范圍內(nèi)，但低于1,600°C )進行熱解(如圖1步 驟8示出的)。含硅的植物物質(zhì)在低于900。C的溫度下熱解將得到無定形 形式的二氧化硅。在超過1000°C的溫度下，可以預(yù)期形成一些結(jié)晶二氧 化硅。超過1，600。C,基本所有的二氧化硅均可能結(jié)晶。通過在任一上述 溫度下熱解而產(chǎn)生的二氧化硅沒有可檢測到的水含量。熱解過程中釋放的熱量(以熱氣的形式)可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公 知的幾種方法回收。熱解前從含硅的植物物質(zhì)去除無機化合物的一個不明 顯的優(yōu)點是減少這些熱氣覆蓋熱交換器表面(該表面與二氧化硅碰撞)的 趨勢，從而降低這些表面交換熱量的效率(水管熱交換器中，其"玻璃固 化(glassification )"在燃燒的未處理的含硅的植物物質(zhì)中被觀察到)。熱解后所得無定形二氧化硅可受到可以含有螯合劑、氨、無機和有機 酸或堿性溶質(zhì)的各種浴和/或漂洗(通過圖1步驟9示出的)，以促進可 能存留于此處的任何殘留物的去除。于下文陳述關(guān)于本發(fā)明的其他幾種不明顯的情況。有氧情況下含硅的 植物物質(zhì)的熱解是產(chǎn)生可用熱能的放熱過程，所述熱能超出由所述過程消 耗(諸如加熱浸泡溶液)的熱能，并且因此構(gòu)成獨立于化石燃料或外部能 源的可再生能源。還有，此多余能量是可利用的而不引起大氣的凈碳化(當(dāng) 含硅的植物物質(zhì)重新生長時，將熱解過程中被釋放到大氣中的碳從大氣回 收)。因此，諸如稻谷等作物不僅成為食物源，而且是不產(chǎn)生大氣凈碳化 的可再生能源。還有，熱解前去除木質(zhì)素和半纖維素與在相當(dāng)?shù)蜏囟?通 常在500。C - 900°C范圍內(nèi)，但低于1,600°C )下進行熱解的組合，使得在 目前所用的蒸氣發(fā)生設(shè)備中燃燒未處理稻殼(rice hill)產(chǎn)生更少的氧化氮 排放物。不僅如此，而且從浸漬水回收的木質(zhì)素和半纖維素自身也是具有 獨立價值的有用產(chǎn)品。因此，根據(jù)本文公開并要求權(quán)利的方法，可以采用 含硅的植物物質(zhì)來生產(chǎn)各種高度有用的產(chǎn)品，包括無定形二氧化硅(可選 擇性控制質(zhì)量的)、木質(zhì)素、半纖維素、纖維素衍生糖及熱能，而不產(chǎn)生 大氣碳化并且比由燃燒未使用如本文描述方法處理的含硅的植物物質(zhì)而 產(chǎn)生的那些具有更少的氧化氮排放物。雖然以上說明含有某些具體的實施方式，但這些具體的實施方式不應(yīng) 理解為對本發(fā)明范圍的限定，而是作為其一個優(yōu)選實施方式的例證。因此， 本發(fā)明的范圍應(yīng)不僅取決于示出的實施方式，而且取決于所附權(quán)利要求及 其法律等同物。
權(quán)利要求
1. 一種用于由含硅的植物物質(zhì)制備所需孔隙率無定形二氧化硅的方法，其包括以下步驟浸泡所述含硅的植物物質(zhì)于水溶液中，所述水溶液包括用于使對制備 所需孔隙率無定形二氧化硅是有效的、選定量的水不溶性金屬化合物增溶 的物質(zhì)；從所述含硅的植物物質(zhì)去除所述水溶液；及 此后，在氧存在下熱解所述含硅的植物物質(zhì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述用于使所述水不溶性金屬化 合物增溶的物質(zhì)是與選定量的水不溶性金屬化合物反應(yīng)以形成水溶性化 合物的選定量的溶質(zhì)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述溶質(zhì)包括螯合劑。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述溶質(zhì)包括與無定形二氧化硅 不起反應(yīng)的無機酸。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述溶質(zhì)包括與無定形二氧化硅 不起反應(yīng)的有機酸。
6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述螯合劑選自由檸檬酸、乙二 胺、乙二胺四乙酸("EDTA，，)和二巰基丙醇組成的組。
7. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述螯合劑包括檸檬酸。
8. 如權(quán)利要求2所述的方法，其還包括于所述在氧存在下熱解所述 含硅的植物物質(zhì)的步驟之前浸泡所述含硅的植物物質(zhì)于含有氧化溶質(zhì)的 水溶液中的步驟。
9. 如權(quán)利要求3所述的方法，其還包括于所述在氧存在下熱解所述 含硅的植物物質(zhì)的步驟之前浸泡所述含硅的植物物質(zhì)于含有氧化溶質(zhì)的 水溶液中的步驟。
10. 如權(quán)利要求4所述的方法，其還包括于所述在氧存在下熱解所述含硅的植物物質(zhì)的步驟之前浸泡所述含硅的植物物質(zhì)于含有氧化溶質(zhì)的 水溶液中的步驟。
11. 如權(quán)利要求5所述的方法，其還包括于所述在氧存在下熱解所述 含硅的植物物質(zhì)的步驟之前浸泡所述含硅的植物物質(zhì)于含有氧化溶質(zhì)的 水溶液中的步驟。
12. 如權(quán)利要求6所述的方法，其還包括于所述在氧存在下熱解所述 含硅的植物物質(zhì)的步驟之前浸泡所述含硅的植物物質(zhì)于含有氧化溶質(zhì)的 水溶液中的步驟。
13. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)選自由過氧化物、 氯酸鹽、高氯酸鹽、硝酸鹽和高錳酸鹽組成的組。
14. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)選自由過氧化物、 氯酸鹽、高氯酸鹽、硝酸鹽和高錳酸鹽組成的組。
15. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)選自由過氧化物、 氯酸鹽、高氯酸鹽、硝酸鹽和高錳酸鹽組成的組。
16. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)選自由過氧化物、 氯酸鹽、高氯酸鹽、硝酸鹽和高錳酸鹽組成的組。
17. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)選自由過氧化物、 氯酸鹽、高氯酸鹽、硝酸鹽和高錳酸鹽組成的組。
18. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)包括過氧乙酸。
19. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)包括過氧乙酸。
20. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)包括過氧乙酸。
21. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)包括過氧乙酸。
22. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述氧化溶質(zhì)包括過氧乙酸。
23. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在500。C至 800°C范圍之間的溫度下被熱解。
24. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 950°C的溫度下,皮熱解。
25. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 1000。C的溫度下^f皮熱解。
26. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 1600°C的溫度下^^皮熱解。
27. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在500。C至 800°C范圍之間的溫度下被熱解。
28. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 950°C的溫度下一皮熱解。
29. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 1000。C的溫度下^t熱解。
30. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 1600°C的溫度下^^皮熱解。
31. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在500。C 至800。C范圍之間的溫度下被熱解。
32. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 950。C的溫度下纟皮熱解。
33. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 1000°C的溫度下一皮熱解。
34. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述含硅的植物物質(zhì)在低于 1600。C的溫度下被熱解。
35. 如權(quán)利要求8所述的方法，其還包括在所述浸泡所述含硅的植物 物質(zhì)于含有氧化溶質(zhì)的水溶液中的步驟之前浸漬所述含硅的植物物質(zhì)于 水中的步-驟。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其還包括從所述浸漬所述含;圭的植 物物質(zhì)于水中的步驟產(chǎn)生的浸漬水回收木質(zhì)素的步驟。
37. 如權(quán)利要求35所述的方法，其還包括從所述浸漬所述含硅的植 物物質(zhì)于水中的步驟產(chǎn)生的浸漬水回收半纖維素的步驟。
38.率的無定形二氧化硅和熱能的方法，其包括以下步驟浸漬含硅的植物物質(zhì)于水中；從所述含硅的植物物質(zhì)分離所述浸漬水；從所述浸漬水分離至少部分所述木質(zhì)素和/或半纖維素；浸泡所述含硅的植物物質(zhì)于水溶液中，所述水溶液包括用于使對制備 選定孔隙率無定形二氧化硅有效的量的水不溶性金屬化合物增溶的物質(zhì)； 及在氧存在下熱解所述含硅的植物物質(zhì)； 回收至少部分由所述熱解產(chǎn)生的所述熱能；及回收至少部分灰，所述灰包括所述熱解產(chǎn)生的選定孔隙率的無定形二 氧化硅。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其還包括于所述熱解所述含硅的植 物物質(zhì)的步驟之前浸泡所述含硅的植物物質(zhì)于含有氧化溶質(zhì)的水溶液中 的步驟。
全文摘要
本文公開的方法中，將含硅的植物物質(zhì)(siliceous plant matter)浸漬于水中、浸泡于含有使無機氧化物增溶的選定量的溶質(zhì)的水溶液中、浸泡于含有氧化溶質(zhì)的水溶液中、漂洗、干燥并且之后進行熱解以制備高孔隙率、低碳、水和無機雜質(zhì)含量的無定形二氧化硅。所述方法的實施還產(chǎn)生有用的能量，而且不產(chǎn)生大氣碳化作用，并比目前所用方法具有更少的氧化氮和硫排放物。木質(zhì)素、半纖維素和纖維素衍生糖可以從浸漬水(steepwater)中回收。通過改變本文所公開方法的步驟，無定形二氧化硅的所需孔隙率、碳、水和無機雜質(zhì)可選擇性地被控制。
文檔編號C01B33/12GK101146744SQ200680009310
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者拉里·W·施普雷 申請人:國際硅石技術(shù)公司