Istraživanje područja primjene sredstva za sušenje silika gela

U proizvodnji i životu, silika gel se može koristiti za sušenje N2, zraka, vodonika, 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 silika gel neutralan sušač koji isušuje NH3, HCl, SO2, itd. Međutim, sa principijelne tačke gledišta, silika gel se sastoji od trodimenzionalne intermolekularne dehidratacije molekula ortosilicijeve kiseline, glavno tijelo je SiO2, a površina je bogata hidroksilnim grupama (vidi sliku 1). Razlog zašto silika gel može apsorbirati vodu je taj što silicijum hidroksilna grupa na površini silika gela može formirati međumolekularne vodikove veze s molekulima vode, tako da može adsorbirati vodu i tako igrati ulogu sušenja. Silika gel koji mijenja boju sadrži ione kobalta, a nakon što adsorpciona voda dostigne zasićenje, ioni kobalta u silika gelu koji mijenja boju postaju hidratizirani ioni kobalta, tako da plavi silika gel postaje ružičast. Nakon zagrijavanja ružičastog silika gela na 200 ℃ tokom određenog vremenskog perioda, vodikova veza između silika gela i molekula vode puca, a promijenjeni silika gel će ponovo postati plavi, tako da dijagram strukture silicijumske kiseline i silika gela može se ponovo upotrijebi kao što je prikazano na slici 1. Dakle, budući da je površina silika gela bogata hidroksilnim grupama, površina silika gela također može formirati međumolekularne vodikove veze sa NH3 i HCl, itd., i možda ne postoji način da djeluje kao sredstvo za sušenje NH3 i HCl, a ne postoji relevantan izvještaj u postojećoj literaturi. Kakvi su bili rezultati? Ovaj subjekt je uradio sljedeće eksperimentalno istraživanje.

Fig. 1 Strukturni dijagram orto-silicijumske kiseline i silika gela

2 Eksperimentalni dio
2.1 Istraživanje obima primjene sredstva za sušenje silika gela — amonijak Prvo, promijenjeni silika gel je stavljen u destilovanu vodu, odnosno u koncentrovanu amonijačnu vodu. Promjenjeni silika gel postaje ružičast u destilovanoj vodi; U koncentrisanom amonijaku, silikon koji mijenja boju prvo postaje crven i polako postaje svijetloplav. Ovo pokazuje da silika gel može apsorbirati NH3 ili NH3 ·H2O u amonijaku. Kao što je prikazano na slici 2, čvrsti kalcijum hidroksid i amonijum hlorid su ravnomerno pomešani i zagrejani u epruveti. Nastali plin se uklanja alkalnim vapnom, a zatim silika gelom. Boja silika gela u blizini ulaznog smjera postaje svjetlija (istražuje se boja obima primjene sredstva za sušenje silika gela na slici 2 — amonijak 73, 8. faza 2023. je u osnovi ista kao boja natopljenog silika gela u koncentrovanoj amonijačnoj vodi), a pH test papir nema očigledne promene. Ovo ukazuje da proizvedeni NH3 nije dostigao pH test papir i da je potpuno adsorbovan. Nakon određenog vremena prekinite zagrevanje, izvadite mali deo kuglice silika gela, stavite je u destilovanu vodu, dodajte fenolftalein u vodu, rastvor postaje crven, što ukazuje da silika gel ima jak adsorpcioni efekat na NH3, nakon što se destilovana voda odvoji, NH3 ulazi u destilovanu vodu, rastvor je alkalan. Stoga, pošto silika gel ima jaku adsorpciju NH3, silikonsko sredstvo za sušenje ne može osušiti NH3.

Fig. 2 Istraživanje područja primjene silika gela za sušenje — amonijaka

2.2 Istraživanje opsega primjene sredstva za sušenje silika gela — hlorovodonik prvo sagorijeva čvrste tvari NaCl plamenom alkoholne lampe kako bi se uklonila mokra voda u čvrstim komponentama. Nakon što se uzorak ohladi, koncentrovana sumporna kiselina se dodaje u čvrstu supstancu NaCl kako bi se odmah stvorio veliki broj mjehurića. Nastali plin se propušta u sferičnu cijev za sušenje koja sadrži silika gel, a vlažni pH test papir se stavlja na kraj cijevi za sušenje. Silika gel na prednjem kraju postaje svijetlozelen, a mokri pH test papir nema očigledne promjene (vidi sliku 3). Ovo pokazuje da je generirani plin HCl potpuno adsorbiran silika gelom i ne izlazi u zrak.

Slika 3 Istraživanje opsega primene silika gela za sušenje — hlorovodonika

Silika gel je adsorbirao HCl i postao svijetlozelen stavljen je u epruvetu. Stavite novi plavi silika gel u epruvetu, dodajte koncentriranu hlorovodoničnu kiselinu, silika gel takođe postaje svetlo zelene boje, dve boje su u osnovi iste. Ovo pokazuje plin silika gela u sferičnoj cijevi za sušenje.

2.3 Istraživanje opsega primjene sredstva za sušenje silika gela — sumpor dioksid Pomiješana koncentrovana sumporna kiselina sa čvrstim natrijum tiosulfatom (vidi sliku 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Nastali plin se propušta kroz cijev za sušenje koja sadrži promijenjeni silika gel, obojeni silika gel postaje svijetlo plavo-zelen, a plavi lakmus papir na kraju mokrog test papira se ne mijenja značajno, što ukazuje da je generirani plin SO2 imao potpuno adsorbirana kuglom silika gela i ne može pobjeći.

Fig. 4 Istraživanje područja primjene sredstva za sušenje silika gela — sumpordioksida

Skinite dio kuglice silika gela i stavite je u destilovanu vodu. Nakon potpunog balansa, uzmite malu količinu vodene kapi na plavi lakmus papir. Test papir se ne mijenja značajno, što ukazuje da destilovana voda nije dovoljna za desorbiranje SO2 iz silika gela. Uzmite mali dio kuglice silika gela i zagrijte je u epruveti. Stavite vlažni plavi lakmus papir na otvor epruvete. Plavi lakmus papir postaje crven, što ukazuje da zagrijavanje čini da se plin SO2 desorbira iz kuglice silika gela, čime lakmus papir postaje crven. Gore navedeni eksperimenti pokazuju da silika gel također ima jak adsorpcijski učinak na SO2 ili H2 SO3, te se ne može koristiti za sušenje plina SO2.
2.4 Istraživanje područja primjene sredstva za sušenje silika gela — Ugljični dioksid
Kao što je prikazano na slici 5, otopina natrijum bikarbonata iz koje kapa fenolftalein izgleda svijetlocrvena. Čvrsta supstanca natrijum bikarbonata se zagreva i dobijena gasna mešavina se propušta kroz cev za sušenje koja sadrži osušene kuglice silika gela. Silika gel se ne mijenja značajno i natrijum bikarbonat koji kapa s fenolftaleinom adsorbira HCl. Jon kobalta u obezbojenom silika gelu formira zeleni rastvor sa Cl- i postepeno postaje bezbojan, što ukazuje da postoji gasni kompleks CO2 na kraju sferične cevi za sušenje. Svijetlozeleni silika gel se stavlja u destilovanu vodu, a promijenjeni silika gel postepeno prelazi u žuti, što ukazuje da je HCl adsorbiran silika gelom desorbiran u vodu. Mala količina gornjeg vodenog rastvora dodana je u rastvor srebrnog nitrata zakiseljenog azotnom kiselinom da bi se formirao beli talog. Mala količina vodene otopine se ispusti na široki raspon pH test papira, a test papir postaje crven, što ukazuje da je otopina kisela. Gore navedeni eksperimenti pokazuju da silika gel ima jaku adsorpciju na plin HCl. HCl je jako polarna molekula, a hidroksilna grupa na površini silika gela također ima jak polaritet, te dvije mogu formirati međumolekularne vodikove veze ili imati relativno jaku dipol dipolnu interakciju, što rezultira relativno jakom intermolekularnom silom između površine silicijum dioksida. gela i HCl molekula, tako da silika gel ima jaku adsorpciju HCl. Zbog toga se silikonsko sredstvo za sušenje ne može koristiti za sušenje HCl bijega, odnosno silika gel ne adsorbira CO2 ili samo djelomično adsorbira CO2.

Fig. 5 Istraživanje područja primjene sredstva za sušenje silika gela — ugljičnog dioksida

Kako bi se dokazala adsorpcija silika gela na plin ugljični dioksid, nastavljaju se sljedeći eksperimenti. Kuglica silika gela u sferičnoj cevi za sušenje je uklonjena, a deo je podeljen u rastvor natrijum bikarbonata kapajući fenolftalein. Rastvor natrijum bikarbonata je obezbojen. Ovo pokazuje da silika gel adsorbira ugljični dioksid, a nakon što je rastvorljiv u vodi, ugljični dioksid se desorbira u otopinu natrijum bikarbonata, čineći da otopina natrijum bikarbonata izblijedi. Preostali dio silikonske kuglice zagrijava se u suvoj epruveti, a nastali plin se propušta u otopinu natrijum bikarbonata koji kapa sa fenolftaleinom. Ubrzo se otopina natrijum bikarbonata mijenja iz svijetlocrvene u bezbojnu. Ovo takođe pokazuje da silika gel i dalje ima kapacitet adsorpcije za gas CO2. Međutim, sila adsorpcije silika gela na CO2 je mnogo manja od sile HCl, NH3 i SO2, a ugljični dioksid se može samo djelomično adsorbirati tokom eksperimenta na slici 5. Razlog zašto silika gel može djelomično adsorbirati CO2 je vjerovatno da silika gel i CO2 formiraju međumolekularne vodonične veze Si — OH… O =C. Budući da je centralni atom ugljika CO2 sp hibrid, a atom silicija u silika gelu je sp3 hibrid, linearna molekula CO2 ne sarađuje dobro s površinom silika gela, što dovodi do toga da je sila adsorpcije silika gela na ugljični dioksid relativno mala.

3. Poređenje između rastvorljivosti četiri gasa u vodi i adsorpcionog statusa na površini silika gela Iz gornjih eksperimentalnih rezultata može se videti da silika gel ima jak adsorpcioni kapacitet za amonijak, hlorovodonik i sumpor dioksid, ali mala sila adsorpcije za ugljični dioksid (vidi tabelu 1). Ovo je slično rastvorljivosti četiri gasa u vodi. To može biti zato što molekule vode sadrže hidroksi-OH, a površina silika gela je također bogata hidroksilom, pa je topljivost ova četiri plina u vodi vrlo slična njegovoj adsorpciji na površini silika gela. Od tri plina amonijaka, hlorovodonika i sumpordioksida, sumpordioksid ima najmanju rastvorljivost u vodi, ali nakon što se adsorbuje silika gelom, najteže se desorpcija od tri gasa. Nakon što silika gel adsorbuje amonijak i hlorovodonik, može se desorbovati vodom sa rastvaračem. Nakon što je plin sumpor dioksid adsorbiran silika gelom, teško ga je desorpirati vodom i mora se zagrijati do desorpcije sa površine silika gela. Stoga se adsorpcija četiri plina na površini silika gela mora teoretski izračunati.

4 Teorijski proračun interakcije između silika gela i četiri plina prikazan je u softveru za kvantumizaciju ORCA [4] u okviru teorije funkcionalne gustoće (DFT). Metoda DFT D/B3LYP/Def2 TZVP korištena je za izračunavanje načina interakcije i energija između različitih plinova i silika gela. Radi pojednostavljenja proračuna, čvrste materije silika gela su predstavljene molekulima tetramerne ortosilicijske kiseline. Rezultati proračuna pokazuju da H2O, NH3 i HCl mogu formirati vodonične veze sa hidroksilnom grupom na površini silika gela (vidi sliku 6a ~ c). Imaju relativno jaku energiju vezivanja na površini silika gela (vidi tabelu 2) i lako se adsorbuju na površini silika gela. Budući da je energija vezivanja NH3 i HCl slična onoj H2O, ispiranje vodom može dovesti do desorpcije ova dva molekula plina. Za SO2 molekul, njegova energija vezivanja je samo -17,47 kJ/mol, što je mnogo manje od gornja tri molekula. Međutim, eksperiment je potvrdio da se plin SO2 lako adsorbira na silika gel, a čak ga ni pranje ne može desorbirati, a samo zagrijavanje može učiniti da SO2 pobjegne sa površine silika gela. Stoga smo pretpostavili da će se SO2 najvjerovatnije kombinirati sa H2O na površini silika gela i formirati H2SO3 frakcije. Slika 6e pokazuje da molekula H2 SO3 istovremeno formira tri vodikove veze sa atomima hidroksila i kiseonika na površini silika gela, a energija vezivanja je čak -76,63 kJ/mol, što objašnjava zašto se SO2 adsorbuje na silika gel je teško izbjeći vodom. Nepolarni CO2 ima najslabiju sposobnost vezivanja sa silika gelom i može se samo djelimično adsorbirati silika gelom. Iako je energija vezivanja H2 CO3 i silika gela takođe dostigla -65,65 kJ/mol, stopa konverzije CO2 u H2 CO3 nije bila visoka, pa je i brzina adsorpcije CO2 smanjena. Iz navedenih podataka može se vidjeti da polaritet molekule plina nije jedini kriterij za prosudbu da li se može adsorbirati silika gelom, a vodikova veza nastala sa površinom silika gela je glavni razlog njegove stabilne adsorpcije.

Sastav silika gela je SiO2 ·nH2 O, ogromna površina silika gela i bogata hidroksilna grupa na površini čine da se silika gel može koristiti kao netoksični sušač sa odličnim performansama i široko se koristi u proizvodnji i životu . U ovom radu je iz dva aspekta eksperimenta i teoretskog proračuna potvrđeno da silika gel može adsorbovati NH3, HCl, SO2, CO2 i druge gasove kroz intermolekularne vodonične veze, pa se silika gel ne može koristiti za sušenje ovih gasova. Sastav silika gela je SiO2 ·nH2 O, ogromna površina silika gela i bogata hidroksilna grupa na površini čine da se silika gel može koristiti kao netoksični sušač sa odličnim performansama i široko se koristi u proizvodnji i životu . U ovom radu je iz dva aspekta eksperimenta i teoretskog proračuna potvrđeno da silika gel može adsorbovati NH3, HCl, SO2, CO2 i druge gasove kroz intermolekularne vodonične veze, pa se silika gel ne može koristiti za sušenje ovih gasova.

３
Fig. 6 Načini interakcije između različitih molekula i površine silika gela izračunati DFT metodom