الخيزران، وهو نبات معروف بنموه السريع وتعدد استخداماته، يحتوي على كنز أقل شهرة: السيليكون. مستخلص الخيزران السيليكونياكتسب السيليكا (ثاني أكسيد السيليكون، SiO₂) اهتمامًا كبيرًا في مختلف الصناعات نظرًا لخصائصه القيّمة. يوفر هذا المورد الطبيعي بديلاً مستدامًا لمصادر السيليكا التقليدية، بما يتماشى مع الجهود العالمية لتطوير مواد وعمليات صديقة للبيئة.

يُمثل استخلاص السيليكا من الخيزران تقاطعًا بين المعرفة التقليدية والتقنيات العلمية الحديثة. تتضمن العملية عدة مراحل حاسمة، تتطلب كل منها تنفيذًا دقيقًا لضمان محصول عالي الجودة. 

المعالجة المسبقة للخيزران وإزالة المواد العضوية

تبدأ رحلة تحويل الخيزران الخام إلى سيليكا نقية بخطوات معالجة أولية حاسمة. تُهيئ هذه الإجراءات الأولية مادة الخيزران لاستخراج السيليكا بفعالية من خلال إزالة المكونات غير المرغوب فيها وتهيئة الظروف المثالية لمراحل الاستخراج اللاحقة.

الاختيار والحصاد

تبدأ عملية الاستخلاص باختيار أنواع الخيزران المناسبة. وبينما تحتوي معظم أنواع الخيزران على السيليكا، أظهرت بعض الأنواع، مثل Bambusa vulgaris وDendrocalamus asper، محتوىً أعلى من السيليكا، خاصةً في أوراقها وطبقات ساقها الخارجية. وتُنتج نباتات الخيزران الناضجة، التي يتراوح عمرها عادةً بين ثلاث وخمس سنوات، أعلى تركيزات من السيليكا.

التحضير البدني

بعد الحصاد، يخضع الخيزران لتحضير مادي لزيادة مساحة سطحه وتسهيل عملية الاستخلاص بكفاءة. يتضمن هذا التحضير عادةً ما يلي:

①التنظيف: غسل مادة الخيزران جيدًا لإزالة الملوثات السطحية مثل الغبار وجزيئات التربة والكائنات الدقيقة التي قد تتداخل مع عملية الاستخراج.

٢- تقليل الحجم: تقطيع الخيزران إلى قطع أصغر، ثم طحنه أو سحقه للحصول على مسحوق الخيزران. هذا التخفيض في حجم الجسيمات يزيد بشكل ملحوظ من مساحة السطح المعرضة لمواد الاستخلاص، مما يعزز كفاءة الاستخلاص.

③التجفيف: إزالة الرطوبة بالتجفيف بالهواء أو بالفرن عند درجات حرارة مُتحكم بها (عادةً ما بين 60 و80 درجة مئوية) لمنع نمو الميكروبات وتحضير المادة للمعالجات الكيميائية اللاحقة. تتطلب هذه الخطوة تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة لتجنب تدهور المكونات الهيكلية للخيزران.

إزالة المواد العضوية

يحتوي الخيزران على ما يقارب 90-95% من المواد العضوية، بما في ذلك السليلوز والهيميسليلوز واللجنين، إلى جانب 5-10% من المكونات غير العضوية، حيث يُعدّ السيليكا المكون غير العضوي السائد. تُمثّل إزالة هذه المكونات العضوية خطوةً حاسمةً في عزل السيليكون المُستخلص من الخيزران.

عزل السيليكا

تمثل مرحلة العزل جوهر مستخلص الخيزران السيليكوني عملية الإنتاج. بعد المعالجة الأولية وإزالة المواد العضوية، تحتوي المادة على سيليكا مركزة يجب فصلها عن الشوائب المتبقية وتحويلها إلى شكل صالح للاستخدام. تستخدم هذه المرحلة تقنيات متخصصة تستفيد من الخصائص الكيميائية لمركبات السيليكون.

استخراج القلوية

الطريقة الأكثر شيوعًا لعزل السيليكا من مواد الخيزران المُعالجة مسبقًا هي الاستخلاص القلوي. تستفيد هذه العملية من الطبيعة الأمفوتيرية للسيليكا، أي قدرتها على التفاعل مع كل من الأحماض والقواعد، وخاصةً قابليتها للذوبان في المحاليل القلوية القوية.

آلية الاستخلاص القلوي

عند معالجته بمحاليل قلوية قوية مثل هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) أو هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، يتفاعل ثاني أكسيد السيليكون لتكوين سيليكات قابلة للذوبان وفقًا للتفاعل التالي:

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

يؤدي هذا التحويل إلى تحويل السيليكا الصلبة إلى سيليكات الصوديوم القابلة للذوبان في الماء (أو سيليكات البوتاسيوم عند استخدام KOH)، مما يسمح بفصلها عن الشوائب غير القابلة للذوبان من خلال الترشيح.

ترسيب حمضي

يخضع محلول السيليكات المُرشَّح بعد ذلك لعملية ترسيب حمضي، وهي عملية تعكس عملية الذوبان وتُحوِّل السيليكات إلى سيليكا. تعتمد هذه الخطوة الحاسمة على عملية تحميض مُتحكَّم فيها لترسيب مركبات السيليكون من المحلول.

تكوين هلام السيليكا

عادةً ما تُشكّل عملية الترسيب هلام السيليكا، وهو شبكة ثلاثية الأبعاد من جزيئات السيليكا تحتوي على جزيئات ماء محصورة داخل هيكلها. يُمثّل هذا الهلام شكلاً وسيطًا قبل المعالجة النهائية.

طرق العزل البديلة

في حين أن الاستخلاص القلوي متبوعًا بالترسيب الحمضي يمثل النهج الأكثر شيوعًا، فإن الطرق البديلة تشمل:

التنقية والتجفيف

المرحلة النهائية في الإنتاج مستخلص الخيزران عالي الجودة من السيليكون تتضمن عمليات التنقية والتجفيف لإزالة الملوثات المتبقية والوصول إلى الشكل المادي المطلوب. تؤثر هذه الخطوات بشكل كبير على نقاء المنتج النهائي وخصائصه السطحية وجودته العامة.

تقنيات التنقية

على الرغم من الطبيعة الانتقائية لعمليات العزل السابقة، إلا أن هلام السيليكا يحتوي عادةً على شوائب ضئيلة تتطلب إزالتها. قد تشمل هذه الملوثات أملاح الصوديوم أو البوتاسيوم المتبقية، والمعادن النزرة، والمركبات العضوية التي صمدت في عمليات المعالجة السابقة.

طرق التجفيف

بعد التنقية، يحتاج هلام السيليكا المُرطب إلى التجفيف لإزالة الماء والحصول على الشكل الفيزيائي المطلوب. تؤثر طريقة التجفيف بشكل كبير على الخصائص النهائية لسيليكون مستخلص الخيزران، بما في ذلك مساحة السطح، والمسامية، وحجم الجسيمات، وحالة التكتل.

التجفيف التقليدي

تشمل طرق التجفيف التقليدية ما يلي:

①التجفيف بالفرن: تسخين هلام السيليكا في أفران تقليدية عند درجات حرارة تتراوح عادةً بين 80 و150 درجة مئوية. على الرغم من بساطة هذه الطريقة، إلا أنها غالبًا ما تُسبب انهيارًا كبيرًا في البنية المسامية للسيليكا بسبب القوى الشعرية الناتجة عن تبخر الماء.

②التجفيف بالتفريغ: تطبيق ضغط مُخفَّض لخفض درجة غليان الماء، مما يسمح بالتجفيف عند درجات حرارة مُنخفضة (40-80 درجة مئوية). يُحافظ هذا الأسلوب على بنية السيليكا بشكل أفضل مُقارنةً بالتجفيف التقليدي في الفرن.

③التجفيف بالميكروويف: استخدام طاقة الميكروويف للتسخين الحجمي السريع، مما يقلل أوقات التجفيف بشكل كبير مع الحفاظ على المزيد من الهيكل الأصلي.

تكليس

في بعض التطبيقات، تخضع السيليكا المجففة لعملية التكليس - تسخين في درجات حرارة مرتفعة (عادةً ما تتراوح بين 400 و800 درجة مئوية) في الهواء أو في أجواء مُتحكم بها. هذه المعالجة الحرارية:

①يزيل المركبات العضوية المتبقية من خلال الأكسدة

②يزيل مجموعات الهيدروكسيل السطحية، ويعدل كيمياء السطح

③يحفز التغيرات البنيوية، مما قد يؤدي إلى تحويل السيليكا غير المتبلورة إلى أشكال بلورية عند درجات حرارة أعلى

④يزيد من الاستقرار الميكانيكي للجسيمات

تؤثر ظروف التكليس بشكل كبير على الخصائص النهائية لـ مستخلص الخيزران السيليكونيمع ارتفاع درجات الحرارة، تقلّص مساحة السطح عمومًا، مع زيادة الاستقرار الهيكلي وتغيير كيمياء السطح. في العديد من التطبيقات، يُوفّر التكليس عند درجة حرارة 500-600 درجة مئوية لمدة ساعتين إلى أربع ساعات توازنًا مثاليًا بين النقاء والاستقرار وخصائص السطح.

توصيف المنتج النهائي

يخضع مستخلص الخيزران السيليكوني المكتمل لتوصيف شامل لتقييم مدى ملاءمته لتطبيقات محددة:

التركيب الكيميائي: يحدد تحليل فلورسنت الأشعة السينية (XRF) أو البلازما المقترنة بالحث (ICP) محتوى السيليكا ومستويات الشوائب

تحليل الطور: حيود الأشعة السينية (XRD) يحدد الطبيعة البلورية أو غير المتبلورة

مساحة السطح والمسامية: تقيس اختبارات امتصاص النيتروجين وامتصاصه مساحة السطح المحددة وحجم المسام وتوزيع حجم المسام

حجم الجسيمات وشكلها: يتم تقييم أبعاد الجسيمات وأشكالها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والتشتت الضوئي الديناميكي

كيمياء السطح: يقوم مطياف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) بتحليل المجموعات الوظيفية السطحية

ريبيكا: مورد السيليكون المستخرج من الخيزران

يُمثل استخلاص السيليكا من الخيزران نهجًا مستدامًا للحصول على هذه المادة القيّمة من مورد سريع التجدد. وتمتد هذه العملية، التي تشمل المعالجة المسبقة وإزالة المواد العضوية، وعزل السيليكا، والتنقية النهائية والتجفيف، لتجمع بين المبادئ العلمية والهندسة العملية لتحويل الخيزران إلى منتجات سيليكون عالية الجودة.

مع سعي الصناعات بشكل متزايد إلى إيجاد بدائل صديقة للبيئة للمواد التقليدية، مستخلص الخيزران السيليكوني يُقدّم مزايا مُلفتة. يستهلك إنتاجه موارد أقل مقارنةً بمصادر السيليكا التقليدية، مع توفير أداء مُماثل أو مُتفوق في العديد من التطبيقات. كما تُعزّز قدرته على تعديل خصائصه من خلال ظروف معالجة مُتحكّمة تنوعه في القطاعات الصناعية، ومستحضرات التجميل، والأدوية، والزراعة.

مواصفات منتجاتنا

المواصفات: السيليكون العضوي، الحد الأدنى 70٪، الأشعة فوق البنفسجية

طريقة الاختبار: الأشعة فوق البنفسجية

لمزيد من المعلومات أو لتقديم طلب، يرجى التواصل معنا على المعلومات@sxrebecca.com.

مراجع حسابات

الكاتسيري، س.، رحمان، م.، وجونسون، أ. (2022). تحليل مقارن لطرق استخلاص السيليكا من المواد النباتية. مجلة معالجة المواد المستدامة، 18(3)، 245-258.

جوبتا، ر.، شارما، ك.، وميشرا، ب. (2021). المعايير المؤثرة على ترسب السيليكا من المستخلصات النباتية: مراجعة منهجية. أبحاث المواد المتقدمة، 45(2)، 178-193.

كومار، س.، سانجوان، ب.، ودانكار، ر. (2020). تحسين المعالجة المسبقة للخيزران لاستخراج السيليكا بكفاءة. تقارير تكنولوجيا الموارد الحيوية، 12، 100566.

موهانتي، ك.، ميشرا، أ.، وباتيل، ت. (2019). تقنيات توصيف السيليكا المشتقة من النباتات: المعايير الحالية والأساليب الناشئة. توصيف المواد، 156، 109884.