Во производството и животот, силика гелот може да се користи за сушење на N2, воздух, водород, природен гас [1] и така натаму. Според киселина и алкали, десикантот може да се подели на: киселински десикант, алкален десикант и неутрален десикант [2]. Се чини дека силика гелот е неутрален сушач кој се чини дека суши NH3, HCl, SO2, итн. Сепак, од принципиелна гледна точка, силика гелот е составен од тридимензионална интермолекуларна дехидрација на молекулите на ортосилициумска киселина, главното тело е SiO2. а површината е богата со хидроксилни групи (види слика 1). Причината зошто силика гелот може да апсорбира вода е тоа што силициумската хидроксилна група на површината на силика гелот може да формира меѓумолекуларни водородни врски со молекулите на водата, така што може да ја адсорбира водата и на тој начин да игра улога на сушење. Силика гелот што ја менува бојата содржи кобалтни јони, а откако водата за адсорпција ќе достигне заситеност, кобалтните јони во силика гелот што ја менуваат бојата стануваат хидрирани кобалтни јони, така што синиот силика гел станува розов. Откако ќе се загрее розовиот силика гел на 200℃ одреден временски период, водородната врска помеѓу силика гелот и молекулите на водата се прекинува, а обезбојуваниот силика гел повторно ќе стане сино, така што структурниот дијаграм на силициумовата киселина и силика гелот може да да се користи повторно како што е прикажано на слика 1. Значи, бидејќи површината на силика гелот е богата со хидроксилни групи, површината на силика гелот може да формира и интермолекуларни водородни врски со NH3 и HCl итн., и можеби нема начин да се дејствува како десикант на NH3 и HCl, а не постои релевантен извештај во постоечката литература. Па кои беа резултатите? Овој субјект го направи следното експериментално истражување.
Сл. 1 Структурен дијаграм на ортосилициумска киселина и силика гел
2 Експеримент дел
2.1 Истражување на опсегот на примена на силика гел десикант - амонијак Прво, обезбојуваниот силика гел се става во дестилирана вода и соодветно концентрирана амонијак вода. Обезбојуваниот силика гел добива розова боја во дестилирана вода; Во концентриран амонијак, силиконот што ја менува бојата прво поцрвенува и полека станува светло сина. Ова покажува дека силика гелот може да апсорбира NH3 или NH3 ·H2 O во амонијак. Како што е прикажано на слика 2, цврстиот калциум хидроксид и амониум хлоридот рамномерно се мешаат и се загреваат во епрувета. Добиениот гас се отстранува со алкална вар, а потоа со силика гел. Бојата на силика гелот во близина на влезната насока станува посветла (објаснета е бојата на опсегот на примена на десикантот од силика гел на Слика 2 - амонијак 73, 8-мата фаза од 2023 година е во основа иста како бојата на натопениот силика гел во концентрирана амонијак вода), а рН тест хартијата нема очигледна промена. Ова покажува дека произведениот NH3 не ја достигнал тест хартијата за pH и дека е целосно адсорбиран. По одредено време, прекинете го загревањето, извадете мал дел од топката со силика гел, ставете ја во дестилирана вода, додадете фенолфталеин во водата, растворот поцрвенува, што покажува дека силика гелот има силно дејство на адсорпција на NH3, откако ќе се откачи дестилираната вода, NH3 влегува во дестилирана вода, растворот е алкален. Затоа, бидејќи силика гелот има силна адсорпција за NH3, силиконскиот сушење не може да го исуши NH3.
Сл. 2 Истражување на опсегот на примена на силика гел десикант - амонијак
2.2 Истражување на опсегот на примена на силика гел десикант - водород хлоридот прво согорува NaCl цврсти материи со пламен од алкохолна ламба за да се отстрани влажната вода во цврстите компоненти. Откако примерокот ќе се излади, концентрираната сулфурна киселина се додава во цврстите материи на NaCl за веднаш да се добијат голем број меурчиња. Создадениот гас се пренесува во сферична цевка за сушење која содржи силика гел, а на крајот од цевката за сушење се става влажна тест хартија за pH. Силика гелот на предниот крај добива светло зелена боја, а влажната рН тест хартија нема очигледна промена (види слика 3). Ова покажува дека генерираниот гас HCl е целосно адсорбиран од силика гел и не излегува во воздухот.
Слика 3 Истражување за опсегот на примена на силика гел десикант - водород хлорид
Силика гелот адсорбиран HCl и стана светло зелен е ставен во епрувета. Ставете го новиот син силика гел во епрувета, додадете концентрирана хлороводородна киселина, силика гелот исто така станува светло зелена боја, двете бои се во основа исти. Ова го покажува гасот од силика гел во сферичната цевка за сушење.
2.3 Истражување на опсегот на примена на силика гел десикант - сулфур диоксид Мешана концентрирана сулфурна киселина со цврст натриум тиосулфат (види Слика 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Создадениот гас се пренесува низ цевката за сушење што содржи обезцветен силика гел, обезцветениот силика гел станува светло сино-зелен, а сината лакмусова хартија на крајот од влажната тест-хартија не се менува значително, што покажува дека генерираниот SO2 гас има е целосно адсорбиран од топката од силика гел и не може да избега.
Сл. 4 Истражување на опсегот на примена на силика гел десикант - сулфур диоксид
Извадете дел од топката со силика гел и ставете ја во дестилирана вода. По целосна рамнотежа, земете мала количина капка вода на сината лакмус хартија. Тест хартијата не се менува значително, што покажува дека дестилираната вода не е доволна за десорпција на SO2 од силика гелот. Земете мал дел од топката со силика гел и загрејте ја во епрувета. Ставете влажна сина лакмусова хартија на устата на епрувета. Сината лакмусова хартија поцрвенува, што покажува дека загревањето го десорбира SO2 гасот од топката од силика гел, со што лакмусовата хартија станува црвена. Горенаведените експерименти покажуваат дека силика гелот исто така има силен ефект на адсорпција на SO2 или H2SO3 и не може да се користи за сушење на гасот SO2.
2.4 Истражување на опсегот на примена на силика гел десикант - Јаглерод диоксид
Како што е прикажано на слика 5, растворот на натриум бикарбонат кој капе фенолфталеин изгледа светло црвено. Цврстата на натриум бикарбонат се загрева и добиената гасна смеса се пренесува низ цевка за сушење која содржи сфери од сушен силика гел. Силика гелот не се менува значително и натриум бикарбонатот кој капе со фенолфталеин го адсорбира HCl. Кобалтниот јон во обезбојуваниот силика гел формира зелен раствор со Cl- и постепено станува безбоен, што покажува дека има комплекс на гас CO2 на крајот од сферичната цевка за сушење. Светло-зелениот силика гел се става во дестилирана вода, а обезбојуваниот силика гел постепено се менува во жолто, што покажува дека HCl адсорбиран од силика гелот се десорбира во водата. Мала количина од горниот воден раствор е додадена во растворот на сребро нитрат закиселена со азотна киселина за да се формира бел талог. Мала количина на воден раствор се испушта на широк опсег на тест хартија за pH и тест хартијата станува црвена, што покажува дека растворот е кисел. Горенаведените експерименти покажуваат дека силика гелот има силна адсорпција на гасот HCl. HCl е силно поларна молекула, а хидроксилната група на површината на силика гелот исто така има силен поларитет, а двете може да формираат меѓумолекуларни водородни врски или да имаат релативно силна диполна диполна интеракција, што резултира со релативно силна интермолекуларна сила помеѓу површината на силициум диоксид. гел и молекули на HCl, така што силика гелот има силна адсорпција на HCl. Затоа, силиконскиот агент за сушење не може да се користи за да се исуши бегството на HCl, односно силика гелот не го адсорбира CO2 или само делумно го адсорбира CO2.
Сл. 5 Истражување на опсегот на примена на силика гел десикант - јаглерод диоксид
Со цел да се докаже адсорпцијата на силика гел во гас на јаглерод диоксид, се продолжуваат следните експерименти. Топката од силика гел во сферичната цевка за сушење беше отстранета, а делот беше поделен на раствор на натриум бикарбонат кој капеше фенолфталеин. Растворот на натриум бикарбонат беше обезбоен. Ова покажува дека силика гелот го адсорбира јаглерод диоксидот, а откако ќе се раствори во вода, јаглеродниот диоксид се апсорбира во раствор на натриум бикарбонат, со што растворот на натриум бикарбонат избледува. Преостанатиот дел од силиконската топка се загрева во сува епрувета, а добиениот гас се пренесува во раствор од натриум бикарбонат кој капе со фенолфталеин. Наскоро, растворот на натриум бикарбонат се менува од светло-црвен во безбоен. Ова, исто така, покажува дека силика гелот сè уште има капацитет за адсорпција за гас CO2. Сепак, силата на адсорпција на силика гелот на CO2 е многу помала од онаа на HCl, NH3 и SO2, а јаглеродниот диоксид може да се адсорбира само делумно за време на експериментот на Слика 5. Причината зошто силика гелот може делумно да го адсорбира CO2 веројатно е да биде дека силика гелот и CO2 формираат меѓумолекуларни водородни врски Si — OH… O =C. Бидејќи централниот јаглероден атом на CO2 е sp хибрид, а силициумскиот атом во силика гелот е sp3 хибрид, линеарната молекула CO2 не соработува добро со површината на силика гелот, што резултира со адсорпција на силика гел на јаглерод диоксид е релативно мали.
3. Споредба помеѓу растворливоста на четирите гасови во вода и статусот на адсорпција на површината на силика гел Од горенаведените експериментални резултати, може да се види дека силика гелот има силен капацитет за адсорпција на амонијак, водород хлорид и сулфур диоксид, но мала адсорпциона сила за јаглерод диоксид (види Табела 1). Ова е слично на растворливоста на четирите гасови во вода. Ова може да биде затоа што молекулите на водата содржат хидрокси-OH, а површината на силика гелот е исто така богата со хидроксил, така што растворливоста на овие четири гасови во вода е многу слична на нејзината адсорпција на површината на силика гелот. Помеѓу трите гасови на амонијак, водород хлорид и сулфур диоксид, сулфур диоксидот има најмала растворливост во вода, но откако ќе се адсорбира со силика гел, најтешко се десорпира меѓу трите гасови. Откако силика гелот апсорбира амонијак и водород хлорид, може да се десорбира со растворувач вода. Откако гасот од сулфур диоксид ќе се адсорбира со силика гел, тешко е да се десорпира со вода и мора да се загрее до десорпција од површината на силика гелот. Затоа, теоретски мора да се пресмета адсорпцијата на четири гасови на површината на силика гелот.
4. Методот DFT D/B3LYP/Def2 TZVP беше користен за пресметување на режимите на интеракција и енергиите помеѓу различни гасови и силика гел. Со цел да се поедностави пресметката, цврстите материи од силика гел се претставени со тетрамерни молекули на ортосилициумска киселина. Резултатите од пресметката покажуваат дека сите H2O, NH3 и HCl можат да формираат водородни врски со хидроксилната група на површината на силика гелот (види Слика 6а ~ в). Тие имаат релативно силна врзувачка енергија на површината на силика гелот (види Табела 2) и лесно се адсорбираат на површината на силика гелот. Бидејќи енергијата на врзување на NH3 и HCl е слична на онаа на H2O, миењето со вода може да доведе до десорпција на овие две молекули на гас. За молекулата на SO2, нејзината енергија на врзување е само -17,47 kJ/mol, што е многу помало од горенаведените три молекули. Меѓутоа, експериментот потврди дека SO2 гасот лесно се адсорбира на силика гелот, па дури и миењето не може да го десорбира, а само загревањето може да направи SO2 да избега од површината на силика гелот. Затоа, претпоставуваме дека SO2 најверојатно ќе се комбинира со H2O на површината на силика гел за да формира H2SO3 фракции. Слика 6д покажува дека молекулата H2 SO3 формира три водородни врски со атомите на хидроксил и кислород на површината на силика гелот во исто време, а енергијата на врзување е висока до -76,63 kJ/mol, што објаснува зошто SO2 се адсорбира на силика гелот е тешко да се избегне со вода. Неполарниот CO2 има најслаба способност за врзување со силика гелот и може само делумно да се адсорбира со силика гел. Иако енергијата на врзување на H2CO3 и силика гел исто така достигна -65,65 kJ/mol, стапката на конверзија на CO2 во H2CO3 не беше висока, така што и стапката на адсорпција на CO2 беше намалена. Од горенаведените податоци може да се види дека поларитетот на молекулата на гасот не е единствениот критериум за да се процени дали може да се адсорбира со силика гел, а водородната врска формирана со површината на силика гелот е главната причина за неговата стабилна адсорпција.
Составот на силика гел е SiO2 ·nH2 O, огромната површина на силика гелот и богатата хидроксилна група на површината го прават силика гелот може да се користи како нетоксичен фен со одлични перформанси и е широко користен во производството и животот . Во овој труд, од два аспекта на експериментот и теоретската пресметка е потврдено дека силика гелот може да адсорбира NH3, HCl, SO2, CO2 и други гасови преку интермолекуларни водородни врски, така што силика гелот не може да се користи за сушење на овие гасови. Составот на силика гел е SiO2 ·nH2 O, огромната површина на силика гелот и богатата хидроксилна група на површината го прават силика гелот може да се користи како нетоксичен фен со одлични перформанси и е широко користен во производството и животот . Во овој труд, од два аспекта на експериментот и теоретската пресметка е потврдено дека силика гелот може да адсорбира NH3, HCl, SO2, CO2 и други гасови преку интермолекуларни водородни врски, така што силика гелот не може да се користи за сушење на овие гасови.
３
Сл. 6 Режими на интеракција помеѓу различни молекули и површината на силика гел пресметани со методот DFT
Време на објавување: 14-11-2023 година
