U proizvodnji i životu, silikagel se može koristiti za sušenje N2, zraka, vodika, prirodnog plina [1] i tako dalje. Prema kiselini i lužini, desikant se može podijeliti na: kiseli desikant, alkalni desikant i neutralni desikant [2]. Čini se da je silikagel neutralno sredstvo za sušenje koje isušuje NH3, HCl, SO2, itd. Međutim, s načelne točke gledišta, silikagel se sastoji od trodimenzionalne intermolekularne dehidracije molekula ortosilicijske kiseline, glavno tijelo je SiO2, a površina je bogata hidroksilnim skupinama (vidi sliku 1). Razlog zašto silikagel može apsorbirati vodu je taj što silicijeva hidroksilna skupina na površini silikagela može formirati međumolekularne vodikove veze s molekulama vode, tako da može adsorbirati vodu i tako igrati ulogu sušenja. Silikagel koji mijenja boju sadrži ione kobalta, a nakon što adsorpcijska voda postigne zasićenje, ioni kobalta u silikagelu koji mijenja boju postaju hidratizirani ioni kobalta, tako da plavi silikagel postaje ružičast. Nakon zagrijavanja ružičastog silikagela na 200 ℃ neko vrijeme, vodikova veza između silikagela i molekula vode se prekida, a bezbojni silikagel ponovno postaje plav, tako da strukturni dijagram silicijeve kiseline i silikagela može ponovno upotrijebiti kao što je prikazano na slici 1. Dakle, budući da je površina silika gela bogata hidroksilnim skupinama, površina silika gela također može formirati međumolekularne vodikove veze s NH3 i HCl, itd., i možda ne postoji način da djeluje kao sredstvo za sušenje NH3 i HCl, au postojećoj literaturi nema relevantnog izvješća. Pa kakvi su bili rezultati? Ovaj je subjekt proveo sljedeće eksperimentalno istraživanje.
SLIKA 1 Dijagram strukture orto-silicijeve kiseline i silika gela
2 Eksperimentalni dio
2.1 Istraživanje opsega primjene sredstva za sušenje silika gela — amonijak Najprije je obezbojeni silikagel stavljen u destiliranu vodu odnosno koncentriranu amonijačnu vodu. Silikagel bez boje postaje ružičast u destiliranoj vodi; U koncentriranom amonijaku, silikon koji mijenja boju prvo postaje crven, a zatim polako postaje svijetlo plav. To pokazuje da silikagel može apsorbirati NH3 ili NH3 ·H2O u amonijaku. Kao što je prikazano na slici 2, čvrsti kalcijev hidroksid i amonijev klorid ravnomjerno su pomiješani i zagrijani u epruveti. Nastali plin uklanja se alkalnim vapnom, a zatim silika gelom. Boja silika gela u blizini ulaznog smjera postaje svjetlija (boja opsega primjene silika gela za sušenje na slici 2 je istražena — amonijak 73, 8. faza 2023. u osnovi je ista kao boja silika gela natopljenog u koncentriranoj amonijačnoj vodi), a papir za ispitivanje pH nema očite promjene. To znači da proizvedeni NH3 nije dosegao papir za pH vrijednost i da je potpuno adsorbiran. Nakon određenog vremena zaustavite zagrijavanje, izvadite mali dio kuglice silikagela, stavite je u destiliranu vodu, dodajte fenolftalein u vodu, otopina postaje crvena, što znači da silikagel ima jak adsorpcijski učinak na NH3, nakon što se destilirana voda odvoji, NH3 ulazi u destiliranu vodu, otopina je alkalna. Stoga, budući da silikagel ima jaku adsorpciju za NH3, silikonsko sredstvo za sušenje ne može isušiti NH3.
SLIKA 2 Istraživanje područja primjene silika gela desikanta — amonijaka
2.2 Istraživanje opsega primjene sredstva za sušenje silika gela — klorovodik najprije spaljuje krutine NaCl plamenom alkoholne lampe kako bi se uklonila mokra voda u krutim komponentama. Nakon što se uzorak ohladi, koncentrirana sumporna kiselina dodaje se čvrstim tvarima NaCl kako bi se odmah proizveo veliki broj mjehurića. Generirani plin se propušta u sferičnu cijev za sušenje koja sadrži silikagel, a na kraj cijevi za sušenje stavlja se vlažni pH testni papir. Silikagel na prednjem kraju postaje svijetlo zelen, a mokri papir za testiranje pH vrijednosti nema vidljive promjene (vidi sliku 3). To pokazuje da je generirani plin HCl potpuno adsorbiran na silikagelu i da ne izlazi u zrak.
Slika 3. Istraživanje područja primjene silika gela desikanta — klorovodika
Silikagel je adsorbirao HCl i postao svijetlo zelen i stavljen je u epruvetu. Stavite novi plavi silikagel u epruvetu, dodajte koncentriranu klorovodičnu kiselinu, silikagel također postaje svijetlozelene boje, te dvije boje su u osnovi iste. Ovo pokazuje plin silika gel u sferičnoj cijevi za sušenje.
2.3 Istraživanje opsega primjene sredstva za sušenje na silika gelu — sumporov dioksid Pomiješana koncentrirana sumporna kiselina s krutim natrijevim tiosulfatom (vidi sliku 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Stvoreni plin prolazi kroz cijev za sušenje koja sadrži bezbojni silikagel, bezbojni silikagel postaje svijetlo plavo-zelen, a plavi lakmus papir na kraju mokrog ispitnog papira ne mijenja se značajno, što ukazuje da je generirani plin SO2 kuglica silika gela je potpuno apsorbirala i ne može pobjeći.
SLIKA 4 Istraživanje opsega primjene silika gela desikanta — sumpor dioksida
Skinite dio kuglice silika gela i stavite je u destiliranu vodu. Nakon pune ravnoteže, uzmite malu količinu vode na plavi lakmus papir. Ispitni papir se ne mijenja značajno, što ukazuje da destilirana voda nije dovoljna za desorpciju SO2 iz silika gela. Uzmite mali dio kuglice silikagela i zagrijte je u epruveti. Stavite mokri plavi lakmus papir na otvor epruvete. Plavi lakmus papir postaje crven, što znači da se zagrijavanjem plin SO2 desorbira iz kuglice silikagela, čime lakmus papir postaje crven. Gornji pokusi pokazuju da silikagel također ima snažan adsorpcijski učinak na SO2 ili H2SO3 i ne može se koristiti za sušenje plina SO2.
2.4 Istraživanje područja primjene sredstva za sušenje na silika gelu — ugljični dioksid
Kao što je prikazano na slici 5, fenolftalein iz otopine natrijevog bikarbonata izgleda svijetlocrven. Krutina natrijevog bikarbonata se zagrijava i dobivena plinska smjesa prolazi kroz cijev za sušenje koja sadrži osušene kuglice silikagela. Silikagel se ne mijenja značajno i natrijev bikarbonat kapanjem s fenolftaleinom adsorbira HCl. Ion kobalta u bezbojnom silika gelu tvori zelenu otopinu s Cl- i postupno postaje bezbojan, što ukazuje da postoji plinski kompleks CO2 na kraju sferične cijevi za sušenje. Svjetlozeleni silikagel se stavi u destiliranu vodu, a bezbojni silikagel postupno se mijenja u žuti, što ukazuje da je HCl adsorbiran silikagelom desorbiran u vodu. Mala količina gornje vodene otopine dodana je otopini srebrnog nitrata zakiseljenoj dušičnom kiselinom da se dobije bijeli talog. Mala količina vodene otopine kapne se na testni papir širokog raspona pH i testni papir pocrveni, što znači da je otopina kisela. Gore navedeni pokusi pokazuju da silikagel ima jaku adsorpciju na plin HCl. HCl je jako polarna molekula, a hidroksilna skupina na površini silika gela također ima jak polaritet, te dvije mogu formirati međumolekularne vodikove veze ili imati relativno jaku dipolnu dipolnu interakciju, što rezultira relativno jakom međumolekularnom silom između površine silicijevog dioksida gela i molekula HCl, pa silikagel ima jaku adsorpciju HCl. Stoga se silikonsko sredstvo za sušenje ne može koristiti za sušenje istjecanja HCl, odnosno silikagel ne adsorbira CO2 ili samo djelomično adsorbira CO2.
SLIKA 5 Istraživanje područja primjene silika gela desikanta — ugljičnog dioksida
Kako bi se dokazala adsorpcija silika gela na plin ugljični dioksid, nastavljaju se sljedeći eksperimenti. Kuglica silikagela u sferičnoj cijevi za sušenje je uklonjena, a dio je podijeljen u otopinu natrijevog bikarbonata iz koje je kapao fenolftalein. Otopina natrijevog bikarbonata je obezbojena. To pokazuje da silikagel adsorbira ugljični dioksid, a nakon što se otopi u vodi, ugljični dioksid se desorbira u otopinu natrijevog bikarbonata, čineći otopinu natrijevog bikarbonata blijedom. Preostali dio silikonske kuglice zagrijava se u suhoj epruveti, a dobiveni plin se propušta u otopinu natrijevog bikarbonata pokapanog s fenolftaleinom. Ubrzo se otopina natrijevog bikarbonata mijenja iz svijetlocrvene u bezbojnu. Ovo također pokazuje da silikagel još uvijek ima sposobnost adsorpcije CO2 plina. Međutim, sila adsorpcije silika gela na CO2 mnogo je manja od one od HCl, NH3 i SO2, a ugljični dioksid se može samo djelomično adsorbirati tijekom eksperimenta na slici 5. Razlog zašto silika gel može djelomično adsorbirati CO2 vjerojatno je da silikagel i CO2 tvore međumolekulske vodikove veze Si — OH… O =C. Budući da je središnji atom ugljika CO2 sp hibrid, a atom silicija u silika gelu je sp3 hibrid, linearna molekula CO2 ne surađuje dobro s površinom silikagela, što rezultira relativno relativnom adsorpcijskom snagom silikagela na ugljikov dioksid. mali.
3. Usporedba između topljivosti četiriju plinova u vodi i statusa adsorpcije na površini silika gela Iz gornjih eksperimentalnih rezultata može se vidjeti da silika gel ima jak adsorpcijski kapacitet za amonijak, klorovodik i sumporov dioksid, ali mala adsorpcijska sila za ugljikov dioksid (vidi tablicu 1). To je slično topivosti četiriju plinova u vodi. To može biti zato što molekule vode sadrže hidroksi-OH, a površina silika gela također je bogata hidroksilom, tako da je topljivost ova četiri plina u vodi vrlo slična njihovoj adsorpciji na površini silika gela. Među tri plina amonijaka, klorovodika i sumpornog dioksida, sumporni dioksid ima najmanju topljivost u vodi, ali nakon što ga adsorbira silika gel, najteže ga je desorpcija među ta tri plina. Nakon što silikagel adsorbira amonijak i klorovodik, može se desorbirati otapalom vodom. Nakon što se plinoviti sumporni dioksid adsorbira na silikagelu, teško ga je desorpcijirati vodom i mora se zagrijati da bi se desorpcijio s površine silikagela. Stoga se mora teoretski izračunati adsorpcija četiriju plinova na površini silikagela.
4 Teorijski izračun interakcije između silikagela i četiri plina prikazan je u softveru ORCA za kvantizaciju [4] u okviru teorije funkcionala gustoće (DFT). Metoda DFT D/B3LYP/Def2 TZVP korištena je za izračun načina interakcije i energija između različitih plinova i silika gela. Kako bi se pojednostavio izračun, krutine silika gela predstavljene su tetramernim molekulama ortosilicijske kiseline. Rezultati proračuna pokazuju da H2O, NH3 i HCl mogu formirati vodikove veze s hidroksilnom skupinom na površini silika gela (vidi sliku 6a ~ c). Imaju relativno jaku energiju vezivanja na površini silika gela (vidi tablicu 2) i lako se adsorbiraju na površini silika gela. Budući da je energija vezanja NH3 i HCl slična onoj H2O, ispiranje vodom može dovesti do desorpcije ove dvije molekule plina. Za molekulu SO2, njena energija vezanja je samo -17,47 kJ/mol, što je puno manje od gornje tri molekule. Međutim, eksperiment je potvrdio da se plin SO2 lako adsorbira na silika gelu, te ga čak ni pranje ne može desorbirati, a samo zagrijavanje može natjerati SO2 da pobjegne s površine silika gela. Stoga smo pretpostavili da će se SO2 vjerojatno spojiti s H2O na površini silika gela i formirati frakcije H2SO3. Slika 6e pokazuje da molekula H2 SO3 istovremeno stvara tri vodikove veze s atomima hidroksila i kisika na površini silika gela, a energija vezanja iznosi čak -76,63 kJ/mol, što objašnjava zašto se SO2 adsorbirao na silika gel je teško izbjeći vodom. Nepolarni CO2 ima najslabiju sposobnost vezanja sa silika gelom i može ga samo djelomično adsorbirati silika gel. Iako je energija vezanja H2 CO3 i silika gela također dosegla -65,65 kJ/mol, stupanj pretvorbe CO2 u H2 CO3 nije bio visok, pa je smanjen i stupanj adsorpcije CO2. Iz gornjih podataka može se vidjeti da polaritet molekule plina nije jedini kriterij za procjenu može li se adsorbirati na silikagelu, a vodikova veza formirana s površinom silikagela glavni je razlog njegove stabilne adsorpcije.
Sastav silika gela je SiO2 ·nH2 O, ogromna površina silika gela i bogata hidroksilna skupina na površini čine da se silika gel može koristiti kao netoksično sredstvo za sušenje s izvrsnim učinkom i naširoko se koristi u proizvodnji i životu . U ovom radu potvrđeno je s dva aspekta eksperimenta i teorijskog proračuna da silikagel može adsorbirati NH3, HCl, SO2, CO2 i druge plinove preko međumolekulskih vodikovih veza, pa se silikagel ne može koristiti za sušenje ovih plinova. Sastav silika gela je SiO2 ·nH2 O, ogromna površina silika gela i bogata hidroksilna skupina na površini čine da se silika gel može koristiti kao netoksično sredstvo za sušenje s izvrsnim učinkom i naširoko se koristi u proizvodnji i životu . U ovom radu potvrđeno je s dva aspekta eksperimenta i teorijskog proračuna da silikagel može adsorbirati NH3, HCl, SO2, CO2 i druge plinove preko međumolekulskih vodikovih veza, pa se silikagel ne može koristiti za sušenje ovih plinova.
３
SLIKA 6 Načini interakcije između različitih molekula i površine silikagela izračunati DFT metodom
Vrijeme objave: 14. studenoga 2023
