Tootmises ja elus saab silikageeli kasutada N2, õhu, vesiniku, maagaasi [1] jne kuivatamiseks. Happe ja leelise järgi võib kuivatusaine jagada: happeline kuivatusaine, aluseline kuivatusaine ja neutraalne kuivatusaine [2]. Silikageel näib olevat neutraalne kuivati, mis näib kuivatavat NH3, HCl, SO2 jne. Põhimõtteliselt koosneb silikageel aga ortosänihappe molekulide kolmemõõtmelisest intermolekulaarsest dehüdratsioonist, mille põhiosa on SiO2, ja pind on rikas hüdroksüülrühmade poolest (vt joonis 1). Põhjus, miks silikageel võib vett absorbeerida, on see, et räni hüdroksüülrühm silikageeli pinnal võib moodustada molekulidevahelisi vesiniksidemeid veemolekulidega, nii et see võib vett adsorbeerida ja seega mängida kuivatavat rolli. Värvimuutev silikageel sisaldab koobaltioone ja pärast adsorptsioonivee küllastumist muutuvad värvimuutvas silikageelis olevad koobaltioonid hüdraatunud koobaltioonideks, nii et sinine silikageel muutub roosaks. Pärast roosa silikageeli kuumutamist temperatuuril 200 ℃ teatud aja jooksul katkeb vesinikside silikageeli ja veemolekulide vahel ning värvunud silikageel muutub uuesti siniseks, nii et ränihappe ja silikageeli struktuuriskeem saab uuesti kasutada, nagu on näidatud joonisel 1. Seega, kuna silikageeli pind on rikas hüdroksüülrühmade poolest, võib silikageeli pind moodustada ka molekulidevahelisi vesiniksidemeid NH3 ja HCl-ga jne ning see ei pruugi olla võimalik NH3 ja HCl kuivatusaine ning olemasolevas kirjanduses puudub asjakohane aruanne. Millised olid siis tulemused? See subjekt on läbi viinud järgmised eksperimentaalsed uuringud.
joonisel fig. 1 Orto-ränihappe ja silikageeli struktuuriskeem
2 katse osa
2.1 Silikageeli kuivatusaine – ammoniaak kasutusala uurimine Esmalt pandi värvi muutnud silikageel vastavalt destilleeritud vette ja kontsentreeritud ammoniaagi vette. Muutunud silikageel muutub destilleeritud vees roosaks; Kontsentreeritud ammoniaagis muutub värvimuutev silikoon kõigepealt punaseks ja muutub aeglaselt helesiniseks. See näitab, et silikageel suudab absorbeerida ammoniaagis sisalduvat NH3 või NH3 · H2O. Nagu on näidatud joonisel 2, segatakse tahke kaltsiumhüdroksiid ja ammooniumkloriid ühtlaselt ja kuumutatakse katseklaasis. Saadud gaas eemaldatakse leelislubjaga ja seejärel silikageeliga. Silikageeli värvus sisenemissuuna lähedal muutub heledamaks (uuritakse joonisel 2 kujutatud silikageeli kuivatusaine kasutusala värvi — ammoniaak 73, 2023. aasta 8. faas on põhimõtteliselt sama, mis leotatud silikageeli värv kontsentreeritud ammoniaagivees) ja pH-testipaberil pole ilmseid muutusi. See näitab, et toodetud NH3 ei ole jõudnud pH testpaberini ja see on täielikult adsorbeerunud. Mõne aja möödudes lõpetage kuumutamine, eemaldage väike osa silikageelipallist, pange see destilleeritud vette, lisage veele fenoolftaleiin, lahus muutub punaseks, mis näitab, et silikageelil on tugev adsorptsiooniefekt. NH3, pärast destilleeritud vee eraldamist siseneb NH3 destilleeritud vette, lahus on aluseline. Seetõttu, kuna silikageelil on NH3 tugev adsorptsioon, ei saa silikoonkuivatusaine NH3 kuivatada.
joonisel fig. 2 Silikageeli kuivatusaine – ammoniaagi – kasutusala uurimine
2.2 Silikageeli kuivatusaine kasutusala uurimine – vesinikkloriid põletab esmalt NaCl tahked ained alkohollambi leegiga, et eemaldada tahketest komponentidest märg vesi. Pärast proovi jahutamist lisatakse NaCl tahketele ainetele kontsentreeritud väävelhapet, et tekitada koheselt suur hulk mulle. Tekkinud gaas juhitakse silikageeli sisaldavasse sfäärilisse kuivatustorusse ja kuivatustoru otsa asetatakse märg pH-testipaber. Silikageel esiotsas muutub heleroheliseks ja märjal pH-testipaberil ei ole ilmseid muutusi (vt joonis 3). See näitab, et tekkinud HCl gaas adsorbeerub täielikult silikageeliga ega pääse õhku.
Joonis 3 Silikageeli kuivatusaine — vesinikkloriidi kasutusala uurimine
Silikageel adsorbeeris HCl ja muutus heleroheliseks, pandi katseklaasi. Pange katseklaasi uus sinine silikageel, lisage kontsentreeritud vesinikkloriidhape, silikageel muutub ka heleroheliseks, need kaks värvi on põhimõtteliselt samad. See näitab silikageeli gaasi sfäärilises kuivatustorus.
2.3 Silikageeli kuivatusaine – vääveldioksiid – kasutusala uurimine Kontsentreeritud väävelhape segatud naatriumtiosulfaadi tahke ainega (vt joonis 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 + SO2 ↑+S↓+H2 O; Tekkinud gaas juhitakse läbi värvimuutunud silikageeli sisaldava kuivatustoru, värvunud silikageel muutub helesinine-roheliseks ja sinine lakmuspaber märja testpaberi lõpus ei muutu oluliselt, mis näitab, et tekkiv SO2 on on täielikult adsorbeeritud silikageeli palli poolt ja ei pääse välja.
joonisel fig. 4 Silikageeli kuivatusaine — vääveldioksiid — kasutusala uurimine
Eemaldage osa silikageelipallist ja asetage see destilleeritud vette. Pärast täielikku tasakaalu tõmmake sinisele lakmuspaberile väike kogus vett. Katsepaber ei muutu oluliselt, mis näitab, et destilleeritud veest ei piisa SO2 desorbeerimiseks silikageelist. Võtke väike osa silikageelipallist ja soojendage seda katseklaasis. Pange katseklaasi suudmesse märg sinine lakmuspaber. Sinine lakmuspaber muutub punaseks, mis näitab, et kuumutamisel desorbeerub SO2 gaas silikageelipallist, muutes lakmuspaberi punaseks. Ülaltoodud katsed näitavad, et silikageelil on ka tugev SO2 või H2SO3 adsorptsiooniefekt ja seda ei saa kasutada SO2 gaasi kuivatamiseks.
2.4 Silikageeli kuivatusaine – süsinikdioksiid – kasutusala uurimine
Nagu on näidatud joonisel 5, näib fenoolftaleiini tilkuva naatriumvesinikkarbonaadi lahus helepunane. Naatriumvesinikkarbonaadi tahket ainet kuumutatakse ja saadud gaasisegu juhitakse läbi kuivatustoru, mis sisaldab kuivatatud silikageeli sfääre. Silikageel oluliselt ei muutu ja koos fenoolftaleiiniga tilkuv naatriumvesinikkarbonaat adsorbeerib HCl. Muutunud silikageelis olev koobaltioon moodustab Cl-ga rohelise lahuse ja muutub järk-järgult värvituks, mis näitab, et sfäärilise kuivatustoru otsas on CO2 gaasikompleks. Heleroheline silikageel asetatakse destilleeritud vette ja värvunud silikageel muutub järk-järgult kollaseks, mis näitab, et silikageeliga adsorbeeritud HCl on vette desorbeerunud. Väike kogus ülemist vesilahust lisati lämmastikhappega hapendatud hõbenitraadi lahusele, moodustades valge sademe. Väike kogus vesilahust tilgutatakse suurele hulgale pH-testipaberile ja testpaber muutub punaseks, mis näitab, et lahus on happeline. Ülaltoodud katsed näitavad, et silikageelil on tugev HCl-gaasi adsorptsioon. HCl on tugevalt polaarne molekul ja hüdroksüülrühm silikageeli pinnal on samuti tugeva polaarsusega ning need kaks võivad moodustada molekulidevahelisi vesiniksidemeid või neil on suhteliselt tugev dipooldipoolne interaktsioon, mille tulemuseks on suhteliselt tugev molekulidevaheline jõud ränidioksiidi pinna vahel. geeli ja HCl molekule, seega on silikageelil HCl tugev adsorptsioon. Seetõttu ei saa HCl väljavoolu kuivatamiseks kasutada silikoonkuivatusainet, see tähendab, et silikageel ei adsorbeeri CO2 või adsorbeerib CO2 ainult osaliselt.
joonisel fig. 5 Silikageeli kuivatusaine – süsinikdioksiid – kasutusala uurimine
Et tõestada silikageeli adsorptsiooni gaasilisele süsinikdioksiidile, jätkatakse järgmisi katseid. Sfäärilises kuivatustorus olev silikageelipall eemaldati ja osa jaotati naatriumvesinikkarbonaadi lahusesse, mis tilgutas fenoolftaleiini. Naatriumvesinikkarbonaadi lahus kaotas värvi. See näitab, et silikageel adsorbeerib süsinikdioksiidi ja pärast vees lahustumist desorbeerub süsinikdioksiid naatriumvesinikkarbonaadi lahusesse, muutes naatriumvesinikkarbonaadi lahuse tuhmumiseks. Ülejäänud osa silikoonkuulist kuumutatakse kuivas katseklaasis ja saadud gaas juhitakse fenoolftaleiiniga tilkuvasse naatriumvesinikkarbonaadi lahusesse. Varsti muutub naatriumvesinikkarbonaadi lahus helepunasest värvituks. See näitab ka, et silikageelil on endiselt CO2 gaasi adsorptsioonivõime. Kuid silikageeli adsorptsioonijõud CO2-le on palju väiksem kui HCl-l, NH3-l ja SO2-l ning süsihappegaasi saab joonisel 5 oleva katse käigus adsorbeeruda vaid osaliselt. Põhjus, miks silikageel suudab CO2 osaliselt adsorbeerida, on tõenäoliselt et silikageel ja CO2 moodustavad molekulidevahelised vesiniksidemed Si — OH… O =C. Kuna CO2 keskne süsinikuaatom on sp-hübriid ja räni aatom silikageelis on sp3-hübriid, ei tee lineaarne CO2-molekul silikageeli pinnaga hästi koostööd, mistõttu silikageeli adsorptsioonijõud süsinikdioksiidile on suhteliselt suur. väike.
3.Nelja gaasi vees lahustuvuse ja adsorptsiooni seisundi võrdlus silikageeli pinnal Ülaltoodud katsetulemustest on näha, et silikageelil on tugev ammoniaagi, vesinikkloriidi ja vääveldioksiidi adsorptsioonivõime, kuid süsinikdioksiidi väike adsorptsioonijõud (vt tabel 1). See on sarnane nelja gaasi lahustuvusega vees. Põhjuseks võib olla see, et veemolekulid sisaldavad hüdroksü-OH-d ja silikageeli pind on samuti rikas hüdroksüülrühmaga, mistõttu on nende nelja gaasi lahustuvus vees väga sarnane selle adsorptsiooniga silikageeli pinnal. Kolmest gaasist, milleks on ammoniaak, vesinikkloriid ja vääveldioksiid, on vääveldioksiidil kõige väiksem lahustuvus vees, kuid pärast silikageeliga adsorbeerimist on selle desorptsioon kolmest gaasist kõige raskem. Pärast seda, kui silikageel adsorbeerib ammoniaagi ja vesinikkloriidi, saab selle desorbeerida lahustiveega. Pärast gaasi vääveldioksiidi adsorbeerimist silikageeliga on seda raske veega desorptida ja seda tuleb kuumutada silikageeli pinnalt desorptsioonini. Seetõttu tuleb teoreetiliselt välja arvutada nelja gaasi adsorptsioon silikageeli pinnal.
4 Silikageeli ja nelja gaasi interaktsiooni teoreetiline arvutus on esitatud kvantiseerimistarkvaras ORCA [4] tihedusfunktsionaalse teooria (DFT) raames. Erinevate gaaside ja silikageeli interaktsioonirežiimide ja energiate arvutamiseks kasutati DFT D/B3LYP/Def2 TZVP meetodit. Arvutamise lihtsustamiseks on silikageeli tahked ained esindatud tetrameersete ortosänihappe molekulidega. Arvutustulemused näitavad, et H2O, NH3 ja HCl võivad kõik moodustada vesiniksidemeid hüdroksüülrühmaga silikageeli pinnal (vt joonis 6a ~ c). Neil on silikageeli pinnal suhteliselt tugev sidumisenergia (vt tabel 2) ja need adsorbeeruvad kergesti silikageeli pinnale. Kuna NH3 ja HCl sidumisenergia on sarnane H2O omaga, võib veega pesemine viia nende kahe gaasimolekuli desorptsiooni. SO2 molekuli puhul on selle sidumisenergia vaid -17,47 kJ/mol, mis on palju väiksem kui ülaltoodud kolm molekuli. Katse kinnitas aga, et gaas SO2 adsorbeerub silikageelil kergesti ja isegi pesemine ei suuda seda desorbeerida ning ainult kuumutamisel võib SO2 silikageeli pinnalt välja pääseda. Seetõttu arvasime, et SO2 ühineb tõenäoliselt silikageeli pinnal H2O-ga, moodustades H2SO3 fraktsioonid. Jooniselt 6e on näha, et H2SO3 molekul moodustab silikageeli pinnal hüdroksüül- ja hapnikuaatomitega korraga kolm vesiniksidet ning sidumisenergia on koguni -76,63 kJ/mol, mis seletab, miks SO2 adsorbeerus silikageeli on raske veega eemaldada. Mittepolaarsel CO2-l on silikageeliga kõige nõrgem sidumisvõime ja silikageel saab seda adsorbeerida ainult osaliselt. Kuigi ka H2 CO3 ja silikageeli sidumisenergia ulatus -65,65 kJ/mol, ei olnud CO2 konversioonimäär H2 CO3-ks kõrge, mistõttu vähenes ka CO2 adsorptsioonikiirus. Ülaltoodud andmetest on näha, et gaasimolekuli polaarsus ei ole ainus kriteerium, mille alusel saab otsustada, kas see on silikageeliga adsorbeeritav, ning silikageeli pinnaga moodustunud vesinikside on selle stabiilse adsorptsiooni peamine põhjus.
Silikageeli koostis on SiO2 · nH2 O, silikageeli tohutu pindala ja pinnal oleva rikkaliku hüdroksüülrühma tõttu saab silikageeli kasutada suurepärase jõudlusega mittetoksilise kuivatina ning seda kasutatakse laialdaselt tootmises ja elus. . Selles artiklis kinnitatakse katse ja teoreetilise arvutuse kahe aspekti põhjal, et silikageel võib molekulidevaheliste vesiniksidemete kaudu adsorbeerida NH3, HCl, SO2, CO2 ja muid gaase, mistõttu silikageeli ei saa nende gaaside kuivatamiseks kasutada. Silikageeli koostis on SiO2 · nH2 O, silikageeli tohutu pindala ja pinnal oleva rikkaliku hüdroksüülrühma tõttu saab silikageeli kasutada suurepärase jõudlusega mittetoksilise kuivatina ning seda kasutatakse laialdaselt tootmises ja elus. . Selles artiklis kinnitatakse katse ja teoreetilise arvutuse kahe aspekti põhjal, et silikageel võib molekulidevaheliste vesiniksidemete kaudu adsorbeerida NH3, HCl, SO2, CO2 ja muid gaase, mistõttu silikageeli ei saa nende gaaside kuivatamiseks kasutada.
３
joonisel fig. 6 DFT meetodil arvutatud interaktsioonirežiimid erinevate molekulide ja silikageeli pinna vahel
Postitusaeg: 14.11.2023
