Несмотря на то, что кремний использовался первобытным человеком ещё 600 тысяч лет назад в виде каменных орудий труда, возможности этого элемента и его соединений раскрывались в течение столетий чрезвычайно медленно, но неизменно по восходящей линии.
Составляя по весу 25 процентов земной коры, кремний по степени распространения в природе находится на втором месте, уступая кислороду. Запасы кремния, как сырья, практически неистощимы. И хотя он не встречается в виде свободного элемента из-за ярко выраженного сродства с кислородом, его соединения окружают нас повсюду. Например, диоксид, или кремнезём (SiO2). Такую формулу имеют песок, кварц, диатомит, трепел, опал. Кремнезём входит в состав талька, асбеста, различных силикатов, гранитов.
Интерес к кремнию резко возрос после 1950 г., когда возникла электроника на базе полупроводниковых свойств этого элемента, лучших, чем у германия. В настоящее время приборы на основе кремния составляют около 98 процентов всех производимых в мире полупроводниковых приборов. Но для электроники кремний нужен очень чистый: сумма примеси разных металлов должна быть не ниже 10-6 %! А стартовым (исходным) веществом для всех соединений кремния, в том числе и для получения чистого элементного кремния, является диоксид кремния (SiO2).
Диоксид кремния находится в природе или в кристаллической, или в аморфной форме, и в чистом виде он прозрачен (например, горный хрусталь) или имеет белый цвет (например, диатомит). Так, морской или речной песок представляет собой кристаллическую форму кремнезёма, в которой много примесей железа, меди, марганца, титана, хрома и других металлов. Они придают песку ту или иную окраску в зависимости от природы металла и его содержания (известно много кристаллических модификаций кварца, различающихся по содержанию примесей: аметист, раухтопаз, морион, цитрин, авантюрин, кошачий глаз и др.). Очистить такой песок от примесей довольно сложно, потому что металлы входят в кристаллическую решётку кремнезёма и образуют прочные связи. Чтобы их разрушить, надо песок обязательно растворить в кислоте. В аморфном диоксиде кремния нет жёсткой структуры, а окислы разных металлов находятся в свободном состоянии между слоями из молекул окиси кремния, поэтому они легко удаляются. Аморфный кремнезём химически более активен, и при необходимости его можно перевести с помощью нагрева в кристаллическую форму, которую уже нельзя превратить обратно в аморфную (простым нагреванием).
Среди залежей аморфного диоксида кремния наиболее известно месторождение диатомита в Калифорнии: огромная белая гора, которая образовалась из отложений диатомовых водорослей (они образуют свой фантастический мир). И в России и в Японском море есть диатомовые водоросли, активно размножающиеся дважды в год (ранней весной и осенью), — из них можно было бы извлекать чистый кремнезём. Но любые минеральные формы надо, по крайней мере, добыть (обезобразив при этом ландшафт) или выловить диатомовые водоросли специальными сетями из моря, привезти на обогатительную фабрику и очистить от примесей. И это в то время, когда в мире ежегодно образуется почти сто миллионов тонн обычной рисовой шелухи, являющейся прекрасным сырьём – дешёвым, возобновляемым, с химическим составом, постоянным для данного региона и сорта растения, пригодным для получения около 15 миллионов тонн чистого аморфного кремнезёма!
Первая публикация по исследованию рисовой шелухи появилась в 1871 году в Германии, следующая – через два года в США. Сейчас исследования проводятся во всех странах, выращивающих рис. Недавно три компании в Калифорнии выделили грант в 2 млн. долларов на работу по комплексной утилизации в Соединённых Штатах рисовой соломы.
Представители богатых кремнием растений встречаются среди многих семейств, в основном тропической формы. У нас в Приморье много диоксида кремния находится в полевом хвоще, который издавна использовался для чистки домашней посуды и полировки дерева, или в хвое некоторых деревьев. Но хвощ или хвою надо специально собирать, а вся рисовая шелуха концентрируется в одном месте – на предприятии при очистке зерна.
Зерно риса находится в оболочке, которую учёные называют цветковой чешуёй, а производственники – лузгой или шелухой. Осенью зерно с полей свозится на крупозаводы, где оно очищается от оболочки, а солома остаётся в поле. Очищенное от лузги зерно имеет жёлтый цвет, а для получения привычного потребителю белого цвета рис шлифуют, удаляя верхний слой. Таким образом, в процессе получения крупы белого шлифованного риса образуется три вида отходов: солома, цветковая чешуя (лузга, шелуха) и отруби (мучка). Количество отходов на предприятии при получении крупы риса составляет до 30 процентов от массы сухого зерна.
