АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Рисовая шелуха

Рисо́вая шелуха́ (также рисовая лузга́, рисовая мякина́; англ. rice husk или англ. rice hull) — наружная твёрдая оболочка зерна риса, прежде всего посевного (Oryza sativa L.), образующаяся как многотоннажный побочный продукт при первичной переработке необрушённого риса (падди) на рисоочистительных и крупяных предприятиях. Шелуха составляет около 20 % от массы необрушённого зерна и в процессе помола отделяется от необрушённого зерна, после чего получают бурый рис[1][2][3].

Мировое производство риса-падди в 2020 году достигло около 756,7 млн тонн, что обусловливает образование огромных количеств шелухи — по различным оценкам, от 150 млн до 152 млн тонн ежегодно[1][4]. В Китае, крупнейшем производителе риса в мире, объём ежегодно образующейся шелухи достигает 40 млн тонн[5]. Значительная часть шелухи сжигается или размещается на полигонах, что может приводить к экологическим проблемам.

Одной из отличительных особенностей рисовой шелухи является высокое содержание диоксида кремния (кремнезёма): до 19—21 % от массы в расчёте на неорганические составляющие, тогда как в обычной древесине или соломе неорганических примесей не более 5—7 %[5]. Именно это обстоятельство, с одной стороны, придаёт шелухе ценные технологические качества, а с другой — существенно затрудняет её традиционную утилизацию (компостирование и неконтролируемое сжигание).

Общие сведения
Рисовая шелуха
Побочный продукт от рис

История использования

В традиционной переработке риса шелуха часто рассматривалась как отход помола, который либо вывозили на свалки или складировали без переработки, либо сжигали без какого‑либо контроля за характеристиками образующейся золы[2]. В условиях мелких и средних рисоочистительных предприятий шелуха нередко использовалась как доступное местное топливо для получения пара, обжига кирпича и других теплотехнических процессов, однако систематическое освоение её потенциала как сырья для материалов началось существенно позже, с распространением концепций ресурсосбережения и «зелёной химии»[2][1].

Ранние этапы механизации помола риса сопровождались постепенным переходом от ручных приёмов удаления оболочки к простейшим механическим устройствам. В обзоре по использованию рисовой шелухи отмечается, что для отделения оболочек от ядра изначально использовали ручной труд: зерно растирали в ступках, после чего более лёгкие оболочки сдували с поверхности продукта, а позже появились примитивные рисотолчеи (rice pounders). В 1885 году в Бразилии была создана конструкция, ставшая прототипом современных лущильных машин, что позволило увеличить объёмы перерабатываемого сырья и, соответственно, поступления шелухи как побочного продукта в промышленных масштабах[2].

С середины XX века на фоне роста производства риса и концентрации переработки на крупных предприятиях стала очевидной экологическая проблема накопления золы рисовой шелухи (англ. rice husk ash, RHA), возникающей при её сжигании в котлах и топках. В обзорных работах подчёркивается, что многие годы основным способом обращения с шелухой и золой оставалось простое сжигание и захоронение, приводившее к загрязнению почвы и воздуха в районах размещения рисоочистительных комплексов[2]. Высокое содержание аморфного диоксида кремния сделало золу рисовой шелухи объектом исследований[5].

Начиная с 1970—1980‑х годов в различных странах был развёрнут комплекс исследований по применению золы рисовой шелухи в качестве пуццолановой добавки к цементу, компонента кирпича и других строительных материалов, а также источника высокочистого кремнезёма для химической промышленности. В обзорной статье о применении шелухи и золы подчёркивается, что к началу XXI века зола рисовой шелухи рассматривается как сырьё для металлургии (теплоизолирующие порошки для промежуточных ковшей), производства огнеупорных и теплоизоляционных материалов, а также как перспективный ресурс для получения кордиерита и других силикатных фаз[2].

В России ведутся разработки технологий переработки золы рисовой шелухи. Пермский национальный исследовательский политехнический университет предложил безотходную схему переработки золы рисовой шелухи с получением жидкого стекла и гранулированного пеностекла, в которой диоксид кремния используется для синтеза силикатного клея, углерод — для вспенивания стекла, а оксиды кальция и магния — в качестве компонентов пеностекольного материала[5].

В начале XXI века на фоне развития цифрового производства и аддитивных технологий рисовая шелуха и производные от неё материалы исследуются как компоненты для 3D‑печати, цифровых фрезерных операций и других видов обработки с числовым программным управлением. Обзор исследований по цифровому применению рисовой шелухи фиксирует смещение научного интереса от традиционных направлений (энергетика, строительные материалы) к созданию композитов для 3D‑печати, цифрово управляемых плитных материалов и высокодисперсных форм кремнезёма (наносилики), используемых в биомедицине и нанотехнологиях[1]. Современные исследования рассматривают шелуху как источник кремнезёма и сырьё для различных материалов[1][2].

Состав и свойства

Химический состав

Рисовая шелуха является лигноцеллюлозным материалом с высоким содержанием минеральных компонентов. Органическую часть составляют целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, неорганическую — преимущественно аморфный кремнезём. По данным ряда исследований, типичный химический состав воздушно-сухой шелухи выглядит следующим образом[1][2]:

Химический состав рисовой шелухи (по данным различных источников)
Компонент Содержание, %
Целлюлоза 25—50
Гемицеллюлоза 18—21
Лигнин 25—31
Кремнезём (SiO₂) 15—20
Растворимые вещества 2—5
Влага 7,5—15

Из-за повышенного содержания лигнина по сравнению с обычной древесиной рисовая шелуха обладает более высокой гидрофобностью, что затрудняет процессы биологического разложения.[1] Насыпная плотность шелухи невелика и составляет 90—150 кг/м³, что важно при её транспортировании и хранении[2].

Кремнезём в шелухе находится преимущественно в форме опала — аморфного гидратированного SiO₂, образующего нанопористые слои в наружных частях оболочки. Эта структура выполняет защитную функцию, ограждая зерно от насекомых и микроорганизмов в период вегетации[2]. Содержание кремнезёма варьируется в зависимости от сорта риса, климатических условий, типа почв и применяемых удобрений[5].

Зола рисовой шелухи

При сжигании шелухи образуется зола рисовой шелухи (англ. rice husk ash, RHA), составляющая около 20—25 % от её массы.[1] Зола содержит 82—95 % аморфного диоксида кремния при относительно незначительных количествах оксидов кальция, магния, калия, железа и алюминия[1][5]. Физические характеристики и химическая чистота золы существенно зависят от параметров сжигания: температуры, продолжительности, подачи воздуха и метода разделения продуктов горения[1].

При неполном сгорании в золе накапливается остаточный углерод, а оксиды кальция и магния выступают балластными примесями. Именно наличие этих примесей, по данным учёных Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), долгое время препятствовало получению химически чистого кремнезёма из золы рисовой шелухи и ограничивало её применение утилитарными задачами — например, добавлением в асфальтобетон вместо песка[5].

Аморфный кремнезём золы рисовой шелухи по своим характеристикам сопоставим с природными минералами — трепелом и диатомитом, которые специально добывают в горнопромышленных условиях для получения аморфного SiO₂. Однако, в отличие от этих ископаемых ресурсов, зола рисовой шелухи представляет собой возобновляемое сырьё[5].

Физические свойства

Рисовая шелуха обладает рядом специфических физических свойств, определяющих направления её практического использования:

  • Теплотворная способность: 13—16 МДж/кг в расчёте на сухое вещество[2].
  • Зольность: 15,3—24,6 % от сухой массы после полного сжигания.
  • Пористость: аморфный SiO₂ в составе шелухи и золы формирует высокоразвитую пористую структуру, что обусловливает значительную удельную поверхность и адсорбционные свойства материала[1].
  • Гидрофобность: благодаря высокому содержанию лигнина изделия на основе рисовой шелухи проявляют более высокую водоотталкивающую способность по сравнению с изделиями из древесного сырья[1].
  • Биостойкость: из-за содержания аморфного диоксида кремния шелуха крайне медленно разлагается в почве и не поддаётся компостированию без специальных добавок[2].

Пуццоланические свойства

Зола рисовой шелухи относится к высокоактивным пуццоланам — материалам, вступающим в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция в присутствии воды с образованием гидросиликатов кальция, придающих бетону повышенную прочность и долговечность. Применение RHA в строительстве получило широкое международное признание: реакционноспособная зола рисовой шелухи фактически повсеместно рекомендована международными строительными нормами в качестве минеральной добавки к цементу[2].

Производство и переработка

Получение шелухи при помоле риса

Рисовая шелуха образуется на первом этапе шелушения: необрушённое зерно (падди) подаётся в шелушильную машину, где резиновые или абразивные вальцы механически снимают внешние цветковые чешуи. В результате из 1 кг мелёного белого риса получается около 0,28 кг шелухи[6]. Современная лущильная машина в её нынешнем виде была изобретена в Бразилии в 1885 году[2].

Технологические схемы переработки шелухи делятся на несколько основных направлений:

  1. Прямое сжигание для получения тепловой энергии и пара.
  2. Газификация с последующим использованием синтез-газа в двигателях внутреннего сгорания.
  3. Контролируемый пиролиз для получения биоугля и конденсируемых органических продуктов.
  4. Термохимическая переработка золы для извлечения кремнезёма и производства силикатных продуктов.
  5. Механическая переработка (измельчение) для использования в качестве наполнителя композиционных материалов.

Получение золы и кремнезёма

Зола рисовой шелухи является ключевым полупродуктом её глубокой переработки[7]. Качество золы как источника аморфного SiO₂ определяется условиями сжигания. При температурах ниже 800 °C сохраняется аморфная структура кремнезёма, наиболее ценная для химических применений; при превышении этого порога происходит кристаллизация диоксида кремния с образованием кристобалита или тридимита, что снижает пуццоланическую активность материала[2].

Для повышения чистоты SiO₂ применяют кислотное или щелочное выщелачивание. Обработка разбавленными растворами HCl, H₂SO₄ или HNO₃ позволяет удалить оксиды металлов-примесей: после кислотной обработки содержание SiO₂ в золе возрастает с исходных ~85—93 % до 95—98 %. Щелочное выщелачивание (NaOH) позволяет переводить кремнезём в силикат натрия («жидкое стекло»), который затем используется как самостоятельный продукт или как прекурсор для дальнейшего синтеза[5].

Учёные ПНИПУ предложили комплексную безотходную технологию утилизации золы рисовой шелухи. В её основе лежит щелочное растворение аморфного SiO₂ с получением жидкого стекла (силикатного клея) в качестве главного продукта. Углерод, присутствующий в золе, используется для вспенивания стекла при производстве гранулированного пеностекла. Оксиды магния и кальция, выступавшие ранее балластными примесями, переходят в состав пеностекольного материала, формируя его пористую структуру. Таким образом, все компоненты золы рационально используются, а отходов фактически не образуется[5].

Синтез наносилики

Перспективным направлением глубокой переработки является синтез наночастиц диоксида кремния — наносилики (nanosilica). Для этого очищенный кремнезём золы растворяют в щёлочи с получением силиката натрия, из которого золь-гель методом или методом химического осаждения синтезируют частицы SiO₂ нанометрового диапазона (как правило, 25—100 нм)[8]. Биогенная наносилика из рисовой шелухи характеризуется высокой удельной поверхностью, пористой структурой и биосовместимостью, что открывает широкие перспективы в биомедицинских и каталитических приложениях.

Производство ДСП и строительных плит

Рисовая шелуха используется в качестве исходного сырья для производства древесно-стружечных плит (ДСП). Частицы шелухи смешиваются со связующими — синтетическими смолами (мочевино-формальдегидными, фенол-формальдегидными), а также экологичными альтернативами на основе крахмала, соевого протеина или лимонной кислоты — и горячим прессованием формируются в плитные материалы. Содержание в шелухе SiO₂ снижает её привлекательность для термитов, повышая биостойкость изделия[2][1].

Цифровое производство

В последние годы исследуется применение рисовой шелухи и золы в технологиях 3D-печати. Наиболее распространённый подход — введение частиц шелухи как наполнителя в нити ПЛА или АБС-пластика для FDM-принтеров. Золу рисовой шелухи добавляют в цементные составы для экструзионной 3D-печати строительных конструкций; было показано, что добавка RHA ускоряет твердение смеси и уменьшает деформацию под нагрузкой собственного веса при послойном нанесении. Также исследована возможность селективного лазерного спекания (SLS) порошковых композиций на основе сополиамида с рисовой шелухой для изготовления изделий методами литья по выплавляемым моделям[1].

Применение

Энергетика

Рисовая шелуха является важным биомассовым топливом в рисопроизводящих странах. Для выработки 1 МВт·ч электроэнергии требуется около 1 тонны шелухи; электростанции мощностью 2—10 МВт на данном топливе считаются коммерчески рентабельными. Шелуха сжигается в котлах-утилизаторах рисозаводов как для получения процессового пара, так и для выработки электроэнергии. Для снижения дымовыделения применяется газификация: в газогенераторах шелуха газифицируется с получением генераторного газа, сгорающего голубым пламенем, а биочар остаётся как ценный почвенный улучшитель[2]. Традиционное производство кирпича в ряде регионов по-прежнему использует шелуху в качестве топлива при обжиге.

Строительство и производство материалов

Цемент и бетон

Зола рисовой шелухи (RHA) — один из наиболее изученных пуццолановых материалов. Её добавление в портландцемент улучшает прочность, снижает водопоглощение и повышает стойкость бетона к хлоридной и сульфатной агрессии. RHA рассматривается как равноценная замена микрокремнезёму — дефицитной добавке, получаемой при производстве кремния и кремниевых сплавов. Международные строительные нормы фактически повсеместно рекомендуют применение реакционноспособной RHA в составе смешанных цементов[2].

undefined

Жидкое стекло и пеностекло

Щелочная обработка золы рисовой шелухи позволяет получать жидкое стекло (силикатный клей) — важный промышленный продукт, применяемый при изготовлении жаропрочных и кислотостойких материалов, лакокрасочных и декоративных покрытий, антикоррозионных составов. Попутно образующееся гранулированное пеностекло применяется в качестве теплоизоляционной прослойки в объектах жилого, коммерческого и промышленного строительства, а также как лёгкий заполнитель в композиционных материалах[5].

Огнеупорная и керамическая промышленность

Благодаря малой теплопроводности, высокой температуре плавления, низкой насыпной плотности и высокой пористости RHA используется как теплоизолирующий порошок в металлургическом производстве в качестве «tundish-порошка»: его засыпают на поверхность жидкой стали в промежуточном ковше (tundish), предотвращая быстрое охлаждение расплава в процессе непрерывной разливки. Кремнезём RHA служит сырьём для синтеза кордиерита — огнеупорного материала с низким коэффициентом термического линейного расширения, применяемого для теплоизоляции. Огнеупорные кирпичи на основе рисовой шелухи приобретают пористость при выжигании органических составляющих, что повышает их теплоизолирующие характеристики[2].

undefined

Сельское хозяйство и садоводство

Парбоилированная (обработанная паром) рисовая шелуха широко применяется в качестве субстрата в гидропонном и защищённом грунте. Учёные Университета Пердью (США) показали, что шелуха может полностью заменять перлит в соотношении 80 % торфа и 20 % шелухи без снижения эффективности регуляторов роста растений. В исследовании анютиных глазок (Viola wittrockiana) и калибрахоа (Calibrachoa × hybrida) между вариантами с перлитом и рисовой шелухой не было выявлено достоверных различий ни по высоте, ни по длине стебля. Использование шелухи выгодно как по экономическим соображениям (перлит требует горнодобычи и высокотемпературной обработки и является невозобновляемым ресурсом), так и по экологическим[9].

Помимо применения в качестве субстрата, рисовая шелуха используется для мульчирования почвы, повышения аэрации и влагоудерживающей способности, снижения уплотнения. В измельчённом виде она служит органическим удобрением после вермикомпостирования: с помощью дождевых червей процесс перегнивания занимает около четырёх месяцев[2].

Водоподготовка и охрана окружающей среды

Рисовая шелуха обладает высокими адсорбционными свойствами. Сырая и химически модифицированная шелуха применяется как биосорбент для извлечения тяжёлых металлов (свинца, кадмия, хрома, ртути), органических красителей и других загрязнителей из сточных вод.[2] После предварительной химической обработки кислотой или щёлочью адсорбционная ёмкость материала существенно возрастает. Рисовая шелуха также исследуется как носитель для иммобилизации биокатализаторов в процессах ферментативного разложения загрязнителей[2].

Химическая и пищевая промышленность

Рисовая шелуха служит сырьём для получения ряда химических продуктов. Органические составляющие могут быть переработаны в фурфурол, ксилит, этанол, уксусную кислоту и лигносульфоновые кислоты. Кремнезём золы находит применение в производстве резины (упрочняющий наполнитель), в косметике, зубных пастах (в качестве абразива и загустителя) и в пищевой промышленности — как антислёживающий агент[2].

Кроме того, рисовая шелуха рассматривается как источник пищевых волокон для создания функциональных мучных изделий. На основе гидролизованной рисовой шелухи разработаны рецептуры галет, в которых шелуху вводят в количестве около 7 % к массе пшеничной муки, что позволяет увеличить содержание пищевых волокон, снизить энергетическую ценность продукта и усилить его детоксикационные свойства за счёт адсорбции и выведения ионов тяжёлых металлов из организма[10].

В пивоварении рисовая шелуха добавляется в заторный фильтрационный слой для улучшения отделения сусла от дробины. Традиционное производство зерновых дистиллятов в ряде стран Азии также предусматривает введение шелухи в перегонную ёмкость для повышения проницаемости масс и улучшения дистилляции[2].

Наполнители и набивочные материалы

Как твёрдый органический материал, рисовая шелуха применяется в качестве наполнителя в полимерных композитах — древесно-пластиковых (ДПК) и резиновых смесях. Введение мелкомолотой шелухи в полиэтилен, полипропилен и другие термопласты повышает их твёрдость и снижает водопоглощение. В отдельных изделиях, например в набивных подушках, шелуха обеспечивает терапевтическую поддержку головы благодаря упругости и способности принимать форму[2].

Производство наносилики и передовые материалы

Биогенная наносилика, синтезируемая из золы рисовой шелухи, представляет собой перспективный материал для высокотехнологичных приложений. Развитая пористая структура и высокая удельная поверхность (до 164 м²/г) делают её пригодной для использования в качестве носителей катализаторов, систем доставки лекарственных препаратов, в электрохимических источниках тока и в производстве высокопроизводительных оптических компонентов. В частности, смеси порошка АБС-пластика с золой рисовой шелухи изучались для 3D-печати оптических деталей ввиду способности к увеличению показателя преломления и снижению коэффициента поглощения в видимом диапазоне[1].

В строительной 3D-печати показано, что добавка золы рисовой шелухи в цементный состав для экструзии позволяет удерживать форму напечатанного элемента в процессе набора прочности, снижая деформации под действием собственного веса конструкции.[1] Исследуется также применение SiO₂, извлечённого из RHA, в синтезе муллита (3Al₂O₃·2SiO₂) для изготовления высокотемпературных фильтров, изоляторов и деталей горелок[1].

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Kohei Morimoto, Kazutoshi Tsuda, Daijiro Mizuno. Literature Review on the Utilization of Rice Husks: Focus on Application of Materials for Digital Fabrication (англ.) // Materials. — 2023-08-12. — Vol. 16, iss. 16. — P. 5597. — ISSN 1996-1944. — doi:10.3390/ma16165597.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Vershit CH M., Kaur A., Vasudha L. Exploitation of rice husk and ash: A review // The Pharma Innovation Journal. — 2023. — Vol. 12, № 3. — P. 5203—5208 — PDF.
  3. ↑ Назарова Юлия Петровна, Захаров Александр Иванович. Пигмент на основе золы рисовой шелухи // Успехи в химии и химической технологии. — 2018. — № 2 (198).
  4. ↑ alex. РИСОВАЯ ШЕЛУХА КАК КОММЕРЧЕСКИЙ ПРОДУКТ. Компания «Рисилика» планирует использовать технологии по переработке рисовой шелухи в Краснодарском крае и Приморье России, а также в странах Юго-Восточной Азии. agroinno.ru. Дата обращения: 28 апреля 2026.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Разработка ученых Пермского Политеха позволит делать из рисовой шелухи товарные продукты (рус.). Project. Дата обращения: 28 апреля 2026.
  6. ↑ IRRI Rice Knowledge Bank. Milling by-products and their utilization. — URL.
  7. ↑ Сапаров Леонид Константинович, Фидченко Михаил Михайлович, Астахов Павел Сергеевич, Алехина Марина Борисовна. Углеродно-минеральные адсорбенты из рисовой шелухи // Успехи в химии и химической технологии. — 2023. — № 14 (276).
  8. ↑ Biosynthesis of silicon nanomaterials from rice husk // Science and Technology of Advanced Materials. — 2009. — Vol. 10, № 1. — Art. 015006. — DOI: 10.1088/1468-6996/10/1/015006 — Tandfonline.
  9. ↑ Rice hulls a sustainable drainage option for greenhouse growers (амер. англ.). web.archive.org. Дата обращения: 28 апреля 2026.
  10. ↑ Каравай Л. В., Левочкина Л. В. Гидролизованная рисовая шелуха для производства мучных изделий // Пищевая промышленность. — 2008. — № 11.

Литература

  • Сапаров Леонид Константинович, Фидченко Михаил Михайлович, Астахов Павел Сергеевич, Алехина Марина Борисовна. Углеродно-минеральные адсорбенты из рисовой шелухи // Успехи в химии и химической технологии. — 2023. — № 14 (276).
  • Morimoto K., Tsuda K., Mizuno D. Literature Review on the Utilization of Rice Husks: Focus on Application of Materials for Digital Fabrication // Materials. — 2023. — Vol. 16, № 16. — Art. 5597. — DOI: 10.3390/ma16165597. — PMC10456955.
  • Vershit CH M., Kaur A., Vasudha L. Exploitation of rice husk and ash: A review // The Pharma Innovation Journal. — 2023. — Vol. 12, № 3. — P. 5203—5208. — PDF.
  • Kordi M., Farrokhi N., Pech-Canul M. I., Ahmadikhah A. Rice Husk at a Glance: From Agro-Industrial to Modern Applications // Rice Science. — 2024. — Vol. 31, № 1. — P. 14—32. — DOI: 10.1016/j.rsci.2023.08.005. — ScienceDirect.
  • Офрихтер В. Н. Разработка учёных Пермского Политеха позволит делать из рисовой шелухи товарные продукты // Пресс-служба ПНИПУ. — 8 июля 2024. — URL.
  • Lopez R. G., Currey Ch. J. Plant Growth Retardant Drench Efficacy is not Affected by Substrate Containing Parboiled Rice Hulls // HortTechnology. — 2010. — Purdue University Newsroom (архив).
  • Biosynthesis of silicon nanomaterials from rice husk // Science and Technology of Advanced Materials. — 2009. — Vol. 10, № 1. — Art. 015006. — DOI: 10.1088/1468-6996/10/1/015006. — Tandfonline.
  • Rice husk-derived materials: properties and applications (review) // Materials. — 2025. — Vol. 18, № 2. — Art. 460. — MDPI.
  • Rice Husk Characterization: An Integrated Review // Agronomy. — 2022. — Vol. 8, № 4. — Art. 55. — MDPI.

Ссылки

Категории