Gamyboje ir eksploatacijoje silikagelis gali būti naudojamas džiovinti N2, orą, vandenilį, gamtines dujas [1] ir pan. Pagal rūgštį ir šarmą sausiklis gali būti skirstomas į: rūgštinį sausiklį, šarminį sausiklį ir neutralų sausiklį [2]. Atrodo, kad silikagelis yra neutralus džiovintuvas, kuris, atrodo, džiovina NH3, HCl, SO2 ir kt. Tačiau iš esmės silikagelis sudarytas iš trimatės tarpmolekulinės ortosilicio rūgšties molekulių dehidratacijos, o pagrindinis korpusas yra SiO2, o paviršiuje gausu hidroksilo grupių (žr. 1 pav.). Priežastis, kodėl silikagelis gali sugerti vandenį, yra ta, kad silicio hidroksilo grupė silikagelio paviršiuje gali sudaryti tarpmolekulinius vandenilio ryšius su vandens molekulėmis, todėl gali adsorbuoti vandenį ir taip atlikti džiovinimo vaidmenį. Spalvą keičiančiame silikagelyje yra kobalto jonų, o adsorbcijos vandeniui pasiekus prisotinimą, spalvą keičiančiame silikagelyje esantys kobalto jonai tampa hidratuotais kobalto jonais, todėl mėlynas silikagelis tampa rausvas. Pakaitinus rožinį silikagelį 200 ℃ temperatūroje tam tikrą laiką, vandenilio ryšys tarp silikagelio ir vandens molekulių nutrūksta, o pakitusios spalvos silikagelis vėl pasidaro mėlynas, todėl silicio rūgšties ir silikagelio struktūros diagrama gali gali būti pakartotinai panaudotas, kaip parodyta 1 paveiksle. Taigi, kadangi silikagelio paviršiuje gausu hidroksilo grupių, silikagelio paviršiuje taip pat gali susidaryti tarpmolekulinės vandenilio jungtys su NH3 ir HCl ir kt., todėl gali nebūti būdo NH3 ir HCl sausiklis, o esamoje literatūroje nėra atitinkamos ataskaitos. Taigi kokie buvo rezultatai? Šis subjektas atliko toliau nurodytus eksperimentinius tyrimus.
Fig. 1 Ortosilicio rūgšties ir silikagelio struktūros diagrama
2 Eksperimento dalis
2.1 Silikagelio sausiklio taikymo srities tyrimas – amoniakas Pirmiausia pakitusios spalvos silikagelis buvo dedamas atitinkamai į distiliuotą vandenį ir koncentruotą amoniako vandenį. Pakitusi spalva distiliuotame vandenyje pasidaro rausva; Koncentruotame amoniake spalvą keičiantis silikonas pirmiausia parausta ir pamažu tampa šviesiai mėlynas. Tai rodo, kad silikagelis gali sugerti NH3 arba NH3 ·H2 O esantį amoniake. Kaip parodyta 2 paveiksle, kietas kalcio hidroksidas ir amonio chloridas tolygiai sumaišomi ir kaitinami mėgintuvėlyje. Susidariusios dujos pašalinamos šarminėmis kalkėmis ir silikageliu. Silikagelio spalva prie įėjimo krypties tampa šviesesnė (ištirta 2 paveiksle pavaizduoto silikagelio sausiklio naudojimo apimties spalva – amoniakas 73, 2023 m. 8 fazė iš esmės yra tokia pati kaip įmirkyto silikagelio spalva koncentruotame amoniako vandenyje), o pH bandymo popierius neturi akivaizdžių pokyčių. Tai rodo, kad pagamintas NH3 nepasiekė pH bandymo popieriaus ir buvo visiškai adsorbuotas. Po kurio laiko nutraukite kaitinimą, išimkite nedidelę silikagelio rutuliuko dalį, įmeskite į distiliuotą vandenį, į vandenį įpilkite fenolftaleino, tirpalas pasidaro raudonas, o tai rodo, kad silikagelis turi stiprią adsorbcinį poveikį. NH3, atskyrus distiliuotą vandenį, NH3 patenka į distiliuotą vandenį, tirpalas yra šarminis. Todėl, kadangi silikagelis turi stiprią NH3 adsorbciją, silikono džiovinimo priemonė negali išdžiovinti NH3.
Fig. 2 Silikagelio sausiklio – amoniako – taikymo srities tyrimas
2.2 Silikagelio sausiklio taikymo srities tyrimas – vandenilio chloridas pirmiausia sudegina NaCl kietąsias medžiagas alkoholio lempos liepsna, kad pašalintų šlapią vandenį kietuose komponentuose. Atšaldžius mėginį, į NaCl kietąsias medžiagas įpilama koncentruotos sieros rūgšties, kad iš karto susidarytų daug burbuliukų. Susidariusios dujos patenka į sferinį džiovinimo vamzdelį, kuriame yra silikagelio, o džiovinimo vamzdelio gale dedamas drėgnas pH tyrimo popierius. Silikagelis priekiniame gale nusidažo šviesiai žaliai, o šlapiame pH bandymo popieriuje akivaizdžių pokyčių nėra (žr. 3 pav.). Tai rodo, kad susidariusios HCl dujos yra visiškai adsorbuotos silikagelio ir nepatenka į orą.
3 pav. Silikagelio sausiklio – vandenilio chlorido – taikymo srities tyrimas
Silikagelis adsorbavo HCl ir tapo šviesiai žalias, buvo dedamas į mėgintuvėlį. Įdėkite naują mėlyną silikagelį į mėgintuvėlį, įpilkite koncentruotos druskos rūgšties, silikagelis taip pat tampa šviesiai žalios spalvos, abi spalvos iš esmės yra vienodos. Tai rodo silikagelio dujas sferiniame džiovinimo vamzdyje.
2.3 Silikagelio sausiklio – sieros dioksido – taikymo srities tyrimas Sumaišyta koncentruota sieros rūgštis su kietu natrio tiosulfatu (žr. 4 pav.), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Susidariusios dujos praleidžiamos per džiovinimo vamzdelį, kuriame yra pakitusios spalvos silikagelis, pakitusios spalvos silikagelis tampa šviesiai melsvai žalias, o mėlynas lakmuso popierėlis šlapio bandymo popieriaus gale reikšmingai nepasikeičia, o tai rodo, kad susidariusios SO2 dujos buvo visiškai adsorbuotas silikagelio rutulio ir negali ištrūkti.
Fig. 4 Silikagelio sausiklio – sieros dioksido – taikymo srities tyrimas
Nuimkite dalį silikagelio rutuliuko ir įdėkite į distiliuotą vandenį. Po visiško balanso paimkite nedidelį vandens lašą ant mėlyno lakmuso popieriaus. Bandymo popierius reikšmingai nesikeičia, o tai rodo, kad distiliuoto vandens nepakanka SO2 desorbuoti iš silikagelio. Paimkite nedidelę silikagelio rutuliuko dalį ir pašildykite mėgintuvėlyje. Į mėgintuvėlio angą įdėkite šlapio mėlyno lakmuso popieriaus. Mėlynas lakmuso popierius pasidaro raudonas, o tai rodo, kad kaitinant iš silikagelio rutulio desorbuojamos SO2 dujos, todėl lakmuso popierius pasidaro raudonas. Pirmiau pateikti eksperimentai rodo, kad silikagelis taip pat turi stiprų SO2 arba H2SO3 adsorbcijos poveikį ir negali būti naudojamas SO2 dujoms džiovinti.
2.4 Silikagelio sausiklio – anglies dioksido – taikymo srities tyrimas
Kaip parodyta 5 paveiksle, natrio bikarbonato tirpalas, kuriame lašinamas fenolftaleinas, atrodo šviesiai raudonos spalvos. Kieta natrio bikarbonato medžiaga kaitinama ir susidaręs dujų mišinys perleidžiamas per džiovinimo vamzdelį, kuriame yra išdžiovintų silikagelio rutuliukų. Silikagelis reikšmingai nesikeičia, o natrio bikarbonatas, lašantis fenolftaleinu, adsorbuoja HCl. Kobalto jonas pakitusios spalvos silikagelyje sudaro žalią tirpalą su Cl- ir palaipsniui tampa bespalvis, o tai rodo, kad sferinio džiovinimo vamzdžio gale yra CO2 dujų kompleksas. Šviesiai žalias silikagelis dedamas į distiliuotą vandenį, o pakitusios spalvos silikagelis palaipsniui pasikeičia į geltoną, o tai rodo, kad silikagelio adsorbuotas HCl buvo desorbuotas į vandenį. Nedidelis viršutinio vandeninio tirpalo kiekis buvo įpiltas į sidabro nitrato tirpalą, parūgštintą azoto rūgštimi, kad susidarytų baltos nuosėdos. Nedidelis vandeninio tirpalo kiekis lašinamas ant įvairaus pH tyrimo popieriaus, o bandomasis popierius parausta, o tai rodo, kad tirpalas yra rūgštus. Pirmiau pateikti eksperimentai rodo, kad silikagelis stipriai adsorbuoja HCl dujas. HCl yra stipriai polinė molekulė, o hidroksilo grupė silikagelio paviršiuje taip pat turi stiprų poliškumą ir gali sudaryti tarpmolekulinius vandenilinius ryšius arba turėti santykinai stiprią dipolio dipolio sąveiką, todėl tarp silicio dioksido paviršiaus susidaro santykinai stipri tarpmolekulinė jėga. gelio ir HCl molekulių, todėl silikagelis turi stiprią HCl adsorbciją. Todėl HCl pašalinimui išdžiovinti negalima naudoti silikono džiovinimo agento, tai yra, silikagelis neabsorbuoja CO2 arba adsorbuoja tik iš dalies.
Fig. 5 Silikagelio sausiklio – anglies dioksido – taikymo srities tyrimas
Siekiant įrodyti silikagelio adsorbciją anglies dioksido dujoms, tęsiami šie eksperimentai. Sferiniame džiovinimo vamzdyje esantis silikagelio rutulys buvo pašalintas, o dalis padalinta į natrio bikarbonato tirpalą, kuriame lašinamas fenolftaleinas. Natrio bikarbonato tirpalas buvo išblukęs. Tai rodo, kad silikagelis adsorbuoja anglies dioksidą, o ištirpęs vandenyje anglies dioksidas desorbuojasi į natrio bikarbonato tirpalą, todėl natrio bikarbonato tirpalas išblunka. Likusi silikoninio rutulio dalis kaitinama sausame mėgintuvėlyje, o susidariusios dujos perleidžiamos į natrio bikarbonato tirpalą, lašinamą fenolftaleinu. Netrukus natrio bikarbonato tirpalas pasikeičia iš šviesiai raudonos į bespalvį. Tai taip pat rodo, kad silikagelis vis dar turi CO2 dujų adsorbcijos gebą. Tačiau silikagelio adsorbcijos jėga ant CO2 yra daug mažesnė nei HCl, NH3 ir SO2, o anglies dioksidas gali būti adsorbuojamas tik iš dalies eksperimento, parodyto 5 paveiksle. Priežastis, kodėl silikagelis gali iš dalies adsorbuoti CO2, greičiausiai kad silikagelis ir CO2 sudaro tarpmolekulinius vandenilinius ryšius Si — OH… O =C. Kadangi centrinis CO2 anglies atomas yra sp hibridas, o silicio atomas silikagelyje yra sp3 hibridas, linijinė CO2 molekulė gerai nebendradarbiauja su silikagelio paviršiumi, todėl silikagelio adsorbcijos jėga ant anglies dioksido yra santykinai maža. mažas.
3. Keturių dujų tirpumo vandenyje ir adsorbcijos būklės silikagelio paviršiuje palyginimas Iš aukščiau pateiktų eksperimentinių rezultatų matyti, kad silikagelis pasižymi stipria amoniako, vandenilio chlorido ir sieros dioksido adsorbcija, tačiau maža anglies dioksido adsorbcijos jėga (žr. 1 lentelę). Tai panašu į keturių dujų tirpumą vandenyje. Taip gali būti todėl, kad vandens molekulėse yra hidroksi-OH, o silikagelio paviršiuje taip pat gausu hidroksilo, todėl šių keturių dujų tirpumas vandenyje labai panašus į jų adsorbciją silikagelio paviršiuje. Iš trijų amoniako dujų, vandenilio chlorido ir sieros dioksido, sieros dioksidas yra mažiausiai tirpus vandenyje, tačiau adsorbuotas silikageliu, jį sunkiausia desorbuoti tarp trijų dujų. Po to, kai silikagelis adsorbuoja amoniaką ir vandenilio chloridą, jį galima desorbuoti vandeniu tirpikliu. Sieros dioksido dujas adsorbavus silikageliu, jas sunku desorbuoti vandeniu, todėl jos turi būti kaitinamos iki desorbcijos nuo silikagelio paviršiaus. Todėl teoriškai reikia apskaičiuoti keturių dujų adsorbciją silikagelio paviršiuje.
4 Teorinis silikagelio ir keturių dujų sąveikos skaičiavimas pateiktas kvantavimo ORCA programinėje įrangoje [4] pagal tankio funkcinės teorijos (DFT) rėmus. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP metodas buvo naudojamas skirtingų dujų ir silikagelio sąveikos režimams ir energijai apskaičiuoti. Siekiant supaprastinti skaičiavimą, silikagelio kietosios medžiagos yra pavaizduotos tetramerinėmis ortosilicio rūgšties molekulėmis. Skaičiavimo rezultatai rodo, kad H2O, NH3 ir HCl gali sudaryti vandenilinius ryšius su hidroksilo grupe silikagelio paviršiuje (žr. 6a ~ c pav.). Jie turi gana stiprią surišimo energiją ant silikagelio paviršiaus (žr. 2 lentelę) ir lengvai adsorbuojami ant silikagelio paviršiaus. Kadangi NH3 ir HCl surišimo energija yra panaši į H2O, vandens plovimas gali sukelti šių dviejų dujų molekulių desorbciją. SO2 molekulės jungimosi energija yra tik -17,47 kJ/mol, o tai yra daug mažesnė nei aukščiau nurodytos trys molekulės. Tačiau eksperimentas patvirtino, kad SO2 dujos lengvai adsorbuojasi ant silikagelio ir net plovimas negali jo desorbuoti, o tik kaitinant SO2 gali išeiti iš silikagelio paviršiaus. Todėl spėjome, kad SO2 gali susijungti su H2O ant silikagelio paviršiaus ir sudaryti H2SO3 frakcijas. 6e paveiksle parodyta, kad H2 SO3 molekulė vienu metu sudaro tris vandenilio ryšius su hidroksilo ir deguonies atomais silikagelio paviršiuje, o surišimo energija siekia -76,63 kJ/mol, o tai paaiškina, kodėl SO2 adsorbavo silikagelis sunkiai pašalinamas vandeniu. Nepolinis CO2 turi silpniausią rišamumą su silikageliu ir gali būti tik iš dalies adsorbuojamas silikagelio. Nors H2 CO3 ir silikagelio surišimo energija taip pat siekė -65,65 kJ/mol, tačiau CO2 konversijos į H2 CO3 greitis nebuvo didelis, todėl sumažėjo ir CO2 adsorbcijos greitis. Iš aukščiau pateiktų duomenų matyti, kad dujų molekulės poliškumas nėra vienintelis kriterijus, leidžiantis spręsti, ar ją gali adsorbuoti silikagelis, o su silikagelio paviršiumi susidaręs vandenilinis ryšys yra pagrindinė stabilios adsorbcijos priežastis.
Silikagelio sudėtis yra SiO2 · nH2 O, dėl didžiulio silikagelio paviršiaus ploto ir turtingos hidroksilo grupės paviršiuje silikagelis gali būti naudojamas kaip netoksiškas, puikiai veikiantis džiovintuvas, plačiai naudojamas gamyboje ir gyvenime . Šiame darbe iš dviejų eksperimentinio ir teorinio skaičiavimo aspektų patvirtinta, kad silikagelis gali adsorbuoti NH3, HCl, SO2, CO2 ir kitas dujas per tarpmolekulinius vandenilio ryšius, todėl silikagelis negali būti naudojamas šioms dujoms džiovinti. Silikagelio sudėtis yra SiO2 · nH2 O, dėl didžiulio silikagelio paviršiaus ploto ir turtingos hidroksilo grupės paviršiuje silikagelis gali būti naudojamas kaip netoksiškas, puikiai veikiantis džiovintuvas, plačiai naudojamas gamyboje ir gyvenime . Šiame darbe iš dviejų eksperimentinio ir teorinio skaičiavimo aspektų patvirtinta, kad silikagelis gali adsorbuoti NH3, HCl, SO2, CO2 ir kitas dujas per tarpmolekulinius vandenilio ryšius, todėl silikagelis negali būti naudojamas šioms dujoms džiovinti.
３
Fig. 6 Sąveikos režimai tarp skirtingų molekulių ir silikagelio paviršiaus, apskaičiuoti DFT metodu
Paskelbimo laikas: 2023-11-14
