Í framleiðslu og líftíma er hægt að nota kísilgel til að þurrka N2, loft, vetni, jarðgas [1] og svo framvegis. Samkvæmt sýru og basa má skipta þurrkefni í: súrt þurrkefni, basískt þurrkefni og hlutlaust þurrkefni [2]. Kísilgel virðist vera hlutlaus þurrkari sem virðist þorna NH3, HCl, SO2, o.s.frv. Hins vegar, frá meginsjónarmiði, er kísilgel samsett úr þrívíddar millisameindaþurrkun orthosilicic sýru sameinda, meginhlutinn er SiO2, og yfirborðið er ríkt af hýdroxýlhópum (sjá mynd 1). Ástæðan fyrir því að kísilgel getur tekið í sig vatn er sú að kísilhýdroxýlhópurinn á yfirborði kísilhlaups getur myndað millisameinda vetnistengi við vatnssameindir, þannig að hann getur aðsogað vatn og gegnt þannig þurrkunarhlutverki. Litabreytandi kísilgelið inniheldur kóbaltjónir og eftir að aðsogsvatnið nær mettun verða kóbaltjónirnar í litbreytandi kísilgelinu vökvaðar kóbaltjónir þannig að bláa kísilgelið verður bleikt. Eftir að bleika kísilgelið hefur verið hitað við 200 ℃ í nokkurn tíma rofnar vetnistengið milli kísilgelsins og vatnssameindanna og mislitað kísilgelið verður blátt aftur, þannig að uppbyggingarskýringarmynd kísilsýrunnar og kísilgelsins getur vera endurnýtt eins og sýnt er á mynd 1. Þar sem yfirborð kísilhlaups er ríkt af hýdroxýlhópum getur yfirborð kísilhlaups einnig myndað millisameinda vetnistengi við NH3 og HCl o.s.frv., og það er kannski engin leið til að virka sem þurrkefni af NH3 og HCl, og það er engin viðeigandi skýrsla í fyrirliggjandi bókmenntum. Svo hverjar voru niðurstöðurnar? Þetta viðfangsefni hefur gert eftirfarandi tilraunarannsóknir.
MYND. 1 Uppbyggingarmynd af orþó-kísilsýru og kísilgeli
2 Tilraunahluti
2.1 Könnun á umfangi notkunar kísilgelþurrkefnis — Ammoníak Fyrst var mislitaða kísilhlaupið sett í eimað vatn og óblandat ammoníakvatn í sömu röð. Mislitað kísilgel verður bleikt í eimuðu vatni; Í óblandaðri ammoníaki verður litabreytandi sílikonið fyrst rautt og hægt og rólega ljósblátt. Þetta sýnir að kísilgel getur tekið í sig NH3 eða NH3 ·H2 O í ammoníaki. Eins og sýnt er á mynd 2 er föstu kalsíumhýdroxíði og ammóníumklóríði blandað jafnt og hitað í tilraunaglasi. Gasið sem myndast er fjarlægt með alkalikalk og síðan með kísilgeli. Litur kísilgelsins nálægt inngangsstefnunni verður ljósari (liturinn á notkunarumfangi kísilgelþurrkefnisins á mynd 2 er kannaður — ammoníak 73, 8. áfangi 2023 er í grundvallaratriðum sá sami og liturinn á kísilgelinu sem er í bleyti í óblandaðri ammoníakvatni), og pH prófunarpappírinn hefur enga augljósa breytingu. Þetta gefur til kynna að NH3 sem framleitt er hafi ekki náð pH prófunarpappírnum og það hefur verið alveg aðsogað. Eftir nokkurn tíma skaltu stöðva hitunina, taka út lítinn hluta af kísilgelkúlunni, setja í eimað vatnið, bæta fenólftaleíni við vatnið, lausnin verður rauð, sem gefur til kynna að kísilgelið hafi mikil aðsogsáhrif á NH3, eftir að eimað vatn er losað, fer NH3 í eimað vatnið, lausnin er basísk. Þess vegna, vegna þess að kísilgelið hefur sterka aðsog fyrir NH3, getur kísillþurrkunarefnið ekki þurrkað NH3.
MYND. 2 Könnun á notkunarsviði kísilgelþurrkefnis — ammoníak
2.2 Könnun á umfangi notkunar kísilgelþurrkefnis — vetnisklóríð brennir fyrst NaCl fast efni með alkóhóllampaloga til að fjarlægja blautt vatnið í föstu íhlutunum. Eftir að sýnið er kælt er óblandaðri brennisteinssýru bætt við NaCl fast efni til að mynda strax mikinn fjölda loftbóla. Gasið sem myndast er leitt inn í kúlulaga þurrkunarrör sem inniheldur kísilgel og blautur pH prófunarpappír er settur í lok þurrkunarrörsins. Kísilgelið á framendanum verður ljósgrænt og blautur pH prófunarpappírinn hefur enga augljósa breytingu (sjá mynd 3). Þetta sýnir að HCl gasið sem myndast er alveg aðsogað af kísilgeli og sleppur ekki út í loftið.
Mynd 3 Rannsóknir á umfangi notkunar kísilgelþurrkefnis — vetnisklóríðs
Kísilgelið aðsogaði HCl og varð ljósgrænt var sett í tilraunaglas. Settu nýja bláa kísilgelið í tilraunaglasið, bættu við óblandaðri saltsýru, kísilgel verður líka ljósgrænn litur, litirnir tveir eru í grundvallaratriðum eins. Þetta sýnir kísilgelgasið í kúlulaga þurrkunarrörinu.
2.3 Könnun á notkunarsviði kísilgelþurrkefnis — brennisteinsdíoxíð Blandað óblandaðri brennisteinssýru með natríumþíósúlfati fast efni (sjá mynd 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Gasið sem myndast er leitt í gegnum þurrkunarrörið sem inniheldur mislitaða kísilhlaupið, mislitað kísilgelið verður ljósblágrænt og blái lakmúspappírinn í lok blauts prófunarpappírsins breytist ekki verulega, sem gefur til kynna að SO2 gasið sem myndast hefur verið alveg aðsogað af kísilgelkúlunni og getur ekki sloppið.
MYND. 4 Könnun á notkunarsviði kísilgelþurrkefnis — brennisteinsdíoxíðs
Taktu hluta af kísilgelkúlunni af og settu hana í eimað vatn. Eftir fullt jafnvægi skaltu taka smá vatnsdropa á bláa lakmúspappírinn. Prófunarpappírinn breytist ekki marktækt, sem gefur til kynna að eimað vatn sé ekki nóg til að afsogað SO2 úr kísilgelinu. Taktu lítinn hluta af kísilgelkúlunni og hitaðu hana í tilraunaglasinu. Settu blautan bláan lakmúspappír við munninn á tilraunaglasinu. Blái lakmúspappírinn verður rauður, sem gefur til kynna að hitun gerir SO2 gas afsogað úr kísilgelkúlunni og gerir þannig lakmúspappírinn rauðan. Ofangreindar tilraunir sýna að kísilgel hefur einnig mikil aðsogsáhrif á SO2 eða H2SO3 og er ekki hægt að nota til að þurrka SO2 gas.
2.4 Könnun á umfangi notkunar kísilgelþurrkefnis — koltvísýrings
Eins og sýnt er á mynd 5 virðist natríumbíkarbónatlausn sem drýpur fenólftaleín ljósrauð. Natríumbíkarbónatfastefnið er hitað og gasblandan sem myndast er látin fara í gegnum þurrkunarrör sem inniheldur þurrkaðar kísilgelkúlur. Kísilhlaupið breytist ekki marktækt og natríumbíkarbónatið sem drýpur af fenólftaleíni aðsogar HCl. Kóbaltjónin í mislituðu kísilgelinu myndar græna lausn með Cl- og verður smám saman litlaus, sem gefur til kynna að CO2 gaskomplex sé í lok kúlulaga þurrkunarrörsins. Ljósgræna kísilgelið er sett í eimað vatn og mislitað kísilgelið breytist smám saman í gult, sem gefur til kynna að HCl frásogað af kísilgeli hafi verið frásogað í vatnið. Lítið magn af efri vatnslausninni var bætt við silfurnítratlausnina sem var súrnuð með saltpéturssýru til að mynda hvítt botnfall. Lítið magn af vatnslausn er sleppt á breitt úrval af pH prófunarpappír og prófunarpappírinn verður rauður, sem gefur til kynna að lausnin sé súr. Ofangreindar tilraunir sýna að kísilgel hefur sterka aðsog að HCl gasi. HCl er mjög skautuð sameind og hýdroxýlhópurinn á yfirborði kísilhlaups hefur einnig sterka pólun og þeir tveir geta myndað millisameinda vetnistengi eða haft tiltölulega sterka tvípóla tvípóla víxlverkun, sem leiðir til tiltölulega sterks millisameindakrafts milli yfirborðs kísils hlaup og HCl sameindir, þannig að kísilgel hefur sterka frásog HCl. Þess vegna er ekki hægt að nota kísillþurrkunarefni til að þurrka út HCl-flótta, það er að kísilgelið gleypir ekki CO2 eða aðsogast aðeins að hluta til CO2.
MYND. 5 Könnun á notkunarsviði kísilgelþurrkefnis — koltvísýrings
Til að sanna frásog kísilhlaups í koltvísýringsgas er eftirfarandi tilraunum haldið áfram. Kísilgelkúlan í kúlulaga þurrkunarrörinu var fjarlægð og hlutanum skipt í natríumbíkarbónatlausn sem dreypti fenólftaleín. Natríumbíkarbónatlausnin var aflituð. Þetta sýnir að kísilgel gleypir koltvísýring og eftir að það hefur verið leysanlegt í vatni desogast koltvísýringur í natríumbíkarbónatlausn, sem gerir natríumbíkarbónatlausnina dofna. Afgangurinn af kísilkúlunni er hituð í þurru tilraunaglasi og gasið sem myndast er sett í lausn af natríumbíkarbónati sem dreypir með fenólftaleíni. Fljótlega breytist natríumbíkarbónatlausnin úr ljósrauðri í litlaus. Þetta sýnir líka að kísilgel hefur enn aðsogsgetu fyrir CO2 gas. Hins vegar er aðsogskraftur kísilhlaups á CO2 mun minni en HCl, NH3 og SO2 og koltvísýringur getur aðeins verið aðsogaður að hluta meðan á tilrauninni á mynd 5 stendur. Ástæðan fyrir því að kísilgel getur að hluta aðsogað CO2 er líklega að kísilgel og CO2 mynda vetnistengi milli sameinda Si — OH… O =C. Vegna þess að miðkolefnisatóm CO2 er sp blendingur og kísilatómið í kísilhlaupi er sp3 blendingur, vinnur línulega CO2 sameindin ekki vel við yfirborð kísilhlaups, sem leiðir til þess að aðsogskraftur kísilhlaups á koldíoxíð er tiltölulega lítill.
3. Samanburður á leysni lofttegundanna fjögurra í vatni og aðsogsstöðu á yfirborði kísilhlaups Af ofangreindum tilraunaniðurstöðum má sjá að kísilgel hefur mikla aðsogsgetu fyrir ammoníak, vetnisklóríð og brennisteinsdíoxíð, en lítill aðsogskraftur fyrir koltvísýring (sjá töflu 1). Þetta er svipað og leysni lofttegundanna fjögurra í vatni. Þetta getur verið vegna þess að vatnssameindir innihalda hýdroxý-OH og yfirborð kísilhlaups er einnig ríkt af hýdroxýli, þannig að leysni þessara fjögurra lofttegunda í vatni er mjög svipuð og aðsog þess á yfirborði kísilhlaups. Meðal þriggja lofttegunda ammoníakgass, vetnisklóríðs og brennisteinsdíoxíðs, er brennisteinsdíoxíð minnsta leysni í vatni, en eftir að hafa verið aðsogað af kísilgeli er erfiðast að afsogast það meðal þessara þriggja lofttegunda. Eftir að kísilhlaupið hefur aðsogað ammoníak og vetnisklóríð er hægt að desorbera það með leysivatni. Eftir að brennisteinsdíoxíðgasið hefur verið aðsogað af kísilgeli er erfitt að afsogast það með vatni og það verður að hita það til afsogs frá yfirborði kísilhlaups. Þess vegna verður að reikna fræðilega út frásog fjögurra lofttegunda á yfirborði kísilhlaups.
4 Fræðilegur útreikningur á samspili kísilhlaups og fjögurra lofttegunda er kynntur í skammtafræði ORCA hugbúnaðinum [4] undir ramma þéttleika virknikenningarinnar (DFT). DFT D/B3LYP/Def2 TZVP aðferðin var notuð til að reikna út víxlverkunarmáta og orku milli mismunandi lofttegunda og kísilhlaups. Til að einfalda útreikninginn eru kísilgel fast efni táknuð með tetrameric orthosilicic sýru sameindum. Útreikningsniðurstöðurnar sýna að H2 O, NH3 og HCl geta öll myndað vetnistengi við hýdroxýlhópinn á yfirborði kísilhlaups (sjá mynd 6a ~ c). Þeir hafa tiltölulega sterka bindiorku á kísilgelyfirborðinu (sjá töflu 2) og aðsogast auðveldlega á kísilgelyfirborðið. Þar sem bindiorka NH3 og HCl er svipuð og H2O, getur vatnsþvottur leitt til afsogs þessara tveggja gassameinda. Fyrir SO2 sameindina er bindingarorka hennar aðeins -17,47 kJ/mól, sem er mun minni en ofangreindar þrjár sameindir. Hins vegar staðfesti tilraunin að SO2 gas aðsogast auðveldlega á kísilgelið og jafnvel þvottur getur ekki afsogað það og aðeins upphitun getur látið SO2 sleppa frá yfirborði kísilhlaupsins. Þess vegna giskuðum við á að SO2 væri líklegt til að sameinast H2O á yfirborði kísilhlaups til að mynda H2SO3 brot. Mynd 6e sýnir að H2SO3 sameindin myndar þrjú vetnistengi við hýdroxýl- og súrefnisatóm á yfirborði kísilhlaupsins á sama tíma og bindingarorkan er allt að -76,63 kJ/mól, sem skýrir hvers vegna SO2 aðsogast á erfitt er að komast hjá kísilhlaupinu með vatni. Óskautað CO2 hefur veikustu bindingarhæfni með kísilgeli og er aðeins að hluta til aðsogast af kísilgeli. Þó að bindiorka H2 CO3 og kísilhlaups hafi einnig náð -65,65 kJ/mól, var umbreytingarhraði CO2 í H2 CO3 ekki hátt, þannig að aðsogshraði CO2 minnkaði einnig. Það má sjá af ofangreindum gögnum að pólun gassameindarinnar er ekki eina viðmiðunin til að dæma um hvort hægt sé að aðsogast hana af kísilgeli og vetnistengi sem myndast við kísilgelyfirborðið er aðalástæðan fyrir stöðugu aðsoginu.
Samsetning kísilgelsins er SiO2 ·nH2 O, risastórt yfirborðsflatarmál kísilgelsins og ríkur hýdroxýlhópurinn á yfirborðinu gerir það að verkum að hægt er að nota kísilgel sem óeitraðan þurrkara með framúrskarandi frammistöðu og er mikið notað í framleiðslu og líftíma. . Í þessari grein er það staðfest af tveimur þáttum tilrauna og fræðilegra útreikninga að kísilgel getur aðsogað NH3, HCl, SO2, CO2 og aðrar lofttegundir í gegnum millisameinda vetnistengi, þannig að kísilgel er ekki hægt að nota til að þurrka þessar lofttegundir. Samsetning kísilgelsins er SiO2 ·nH2 O, risastórt yfirborðsflatarmál kísilgelsins og ríkur hýdroxýlhópurinn á yfirborðinu gerir það að verkum að hægt er að nota kísilgel sem óeitraðan þurrkara með framúrskarandi frammistöðu og er mikið notað í framleiðslu og líftíma. . Í þessari grein er það staðfest af tveimur þáttum tilrauna og fræðilegra útreikninga að kísilgel getur aðsogað NH3, HCl, SO2, CO2 og aðrar lofttegundir í gegnum millisameinda vetnistengi, þannig að kísilgel er ekki hægt að nota til að þurrka þessar lofttegundir.
３
MYND. 6 Samspilsaðferðir milli mismunandi sameinda og kísilgelyfirborðs reiknuð með DFT aðferð
Pósttími: 14-nóv-2023
