Հետազոտություն սիլիկա գելի չորացուցիչի կիրառման շրջանակի վերաբերյալ

Արտադրության և կյանքի ընթացքում սիլիկա գելը կարող է օգտագործվել N2, օդի, ջրածնի, բնական գազի [1] և այլն չորացնելու համար։ Ըստ թթվի և ալկալիի, չորացուցիչը կարելի է բաժանել՝ թթվային չորացուցիչ, ալկալային չորացուցիչ և չեզոք չորացուցիչ [2]: Սիլիկա գելը կարծես չեզոք չորանոց է, որը կարծես չորացնում է NH3, HCl, SO2 և այլն: Այնուամենայնիվ, սկզբունքային տեսանկյունից սիլիկատագելը կազմված է օրթոսիլիկաթթվի մոլեկուլների եռաչափ միջմոլեկուլային ջրազրկումից, հիմնական մարմինը SiO2 է: իսկ մակերեսը հարուստ է հիդրօքսիլային խմբերով (տես նկար 1): Պատճառն այն է, որ սիլիկա գելը կարող է ջուր կլանել այն, որ սիլիցիումի հիդրօքսիլ խումբը սիլիցիումի մակերևույթի վրա կարող է միջմոլեկուլային ջրածնային կապեր ստեղծել ջրի մոլեկուլների հետ, ուստի այն կարող է կլանել ջուրը և այդպիսով խաղալ չորացման դեր: Գույնը փոխող սիլիկա գելը պարունակում է կոբալտի իոններ, և երբ կլանման ջուրը հասնում է հագեցվածության, գույնը փոխող սիլիկա գելի մեջ կոբալտի իոնները դառնում են հիդրատացված կոբալտի իոններ, այնպես որ կապույտ սիլիցիումելը դառնում է վարդագույն։ Վարդագույն սիլիկա գելը 200℃ ջերմաստիճանում որոշ ժամանակ տաքացնելուց հետո սիլիցիումի և ջրի մոլեկուլների միջև ջրածնային կապը խզվում է, և գունաթափված սիլիկա գելը նորից կապույտ կդառնա, այնպես որ սիլիցիումի և սիլիկա գելի կառուցվածքի դիագրամը կարող է. պետք է նորից օգտագործվի, ինչպես ցույց է տրված Նկար 1-ում: Այսպիսով, քանի որ սիլիկա գելի մակերեսը հարուստ է հիդրօքսիլային խմբերով, սիլիկա գելի մակերեսը կարող է նաև միջմոլեկուլային ջրածնային կապեր ձևավորել NH3-ի և HCl-ի հետ և այլն, և կարող է ոչ մի կերպ չգործել: NH3-ի և HCl-ի չորացուցիչ, և գոյություն ունեցող գրականության մեջ համապատասխան զեկույց չկա: Այսպիսով, ինչպիսի՞ն էին արդյունքները: Այս առարկան կատարել է հետևյալ փորձարարական հետազոտությունը.

ՆԿԱՐ. 1 Օրթո-սիլիկաթթվի և սիլիկա գելի կառուցվածքի դիագրամ

2 Փորձի մաս
2.1 Սիլիկա գելի չորացուցիչի կիրառման շրջանակի ուսումնասիրություն. Ամոնիակ Նախ, գունաթափված սիլիկատագելը տեղադրվեց համապատասխանաբար թորած ջրի և խտացված ամոնիակ ջրի մեջ: Գունաթափված սիլիկա գելը թորած ջրի մեջ վարդագույն է դառնում; Խտացված ամոնիակում գույնը փոխող սիլիկոնը սկզբում դառնում է կարմիր և կամաց-կամաց բաց կապույտ: Սա ցույց է տալիս, որ սիլիկա գելը կարող է կլանել NH3 կամ NH3 ·H2 O ամոնիակում: Ինչպես ցույց է տրված Նկար 2-ում, պինդ կալցիումի հիդրօքսիդը և ամոնիումի քլորիդը հավասարապես խառնվում են և տաքացվում փորձանոթում: Ստացված գազը հանվում է ալկալային կրաքարի, ապա սիլիկա գելի միջոցով: Մուտքի ուղղությամբ սիլիկագելի գույնը դառնում է ավելի բաց (Նկար 2-ում սիլիկա գելի չորացուցիչի կիրառման շրջանակի գույնը ուսումնասիրված է. ամոնիակ 73, 2023 թվականի 8-րդ փուլը հիմնականում նույնն է, ինչ ներծծված սիլիկա գելի գույնը: խտացված ամոնիակ ջրի մեջ), իսկ pH թեստային թուղթը ակնհայտ փոփոխություն չունի: Սա ցույց է տալիս, որ արտադրված NH3-ը չի հասել pH փորձարկման թղթին, և այն ամբողջությամբ կլանվել է: Որոշ ժամանակ անց դադարեցրեք տաքացումը, հանեք սիլիկա գելի գնդիկի մի փոքր մասը, լցրեք թորած ջրի մեջ, ջրի մեջ ավելացրեք ֆենոլֆթալեին, լուծույթը դառնում է կարմիր, ինչը ցույց է տալիս, որ սիլիկա գելը ուժեղ կլանման ազդեցություն ունի: NH3, թորած ջուրը անջատվելուց հետո NH3 մտնում է թորած ջրի մեջ, լուծույթը ալկալային է։ Հետևաբար, քանի որ սիլիկա գելը ուժեղ կլանում է NH3-ի համար, սիլիկոնային չորացնող նյութը չի կարող չորացնել NH3-ը:

ՆԿԱՐ. 2 Սիլիկա գելի չորացուցիչի՝ ամոնիակի կիրառման շրջանակի ուսումնասիրություն

2.2 Սիլիկա գել չորացնող նյութի կիրառման շրջանակի ուսումնասիրություն. ջրածնի քլորիդը սկզբում այրում է NaCl պինդ նյութերը ալկոհոլային լամպի բոցով, որպեսզի հեռացնի թաց ջուրը պինդ բաղադրիչներից: Նմուշը սառչելուց հետո խտացված ծծմբաթթուն ավելացվում է NaCl պինդ մարմիններին՝ անմիջապես մեծ քանակությամբ փուչիկների առաջացման համար: Առաջացած գազը փոխանցվում է սիլիկատագել պարունակող գնդաձև չորացման խողովակի մեջ, իսկ չորացման խողովակի վերջում տեղադրվում է թաց pH փորձարկման թուղթ: Առջևի ծայրի սիլիկա գելը դառնում է բաց կանաչ, իսկ թաց pH փորձարկման թուղթը ակնհայտ փոփոխություն չունի (տես նկար 3): Սա ցույց է տալիս, որ առաջացած HCl գազն ամբողջությամբ ներծծվում է սիլիցիումի գելով և օդ չի դուրս գալիս:

Նկար 3 Հետազոտություն սիլիկա գելի չորացուցիչի կիրառման շրջանակի վերաբերյալ՝ ջրածնի քլորիդ

Սիլիկատային գելը ներծծված HCl և բաց կանաչ գույն ստացավ, դրվեց փորձանոթի մեջ: Նոր կապույտ սիլիկա գելը լցրեք փորձանոթի մեջ, ավելացրեք խտացված աղաթթու, սիլիկա գելը նույնպես դառնում է բաց կանաչ, երկու գույները հիմնականում նույնն են։ Սա ցույց է տալիս սիլիկա գելի գազը գնդաձև չորացման խողովակում:

2.3 Սիլիկա գել չորացնող նյութի կիրառման շրջանակի ուսումնասիրություն — ծծմբի երկօքսիդ Խառը խտացված ծծմբաթթու նատրիումի թիոսուլֆատի պինդ հետ (տես Նկար 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Գոյացած գազն անցնում է գունաթափված սիլիկատագել պարունակող չորացման խողովակով, գունաթափված սիլիկատագելը դառնում է բաց կապույտ-կանաչ, իսկ թաց թեստային թղթի վերջում կապույտ լակմուսի թուղթը էապես չի փոխվում, ինչը ցույց է տալիս, որ առաջացած SO2 գազը ունի ամբողջությամբ կլանված է սիլիկա գելի գնդիկով և չի կարող փախչել:

ՆԿԱՐ. 4 Սիլիկա գելի չորացուցիչի կիրառման շրջանակի ուսումնասիրություն՝ ծծմբի երկօքսիդ

Հանեք սիլիկա գելի գնդիկի մի մասը և դրեք թորած ջրի մեջ։ Ամբողջական հավասարակշռությունից հետո մի փոքր քանակությամբ ջրի կաթիլ վերցրեք կապույտ լակմուսի թղթի վրա: Փորձարկման թուղթը էականորեն չի փոխվում, ինչը ցույց է տալիս, որ թորած ջուրը բավարար չէ սիլիցիումի SO2-ը կլանելու համար: Վերցրեք սիլիկա գելի գնդիկի մի փոքր մասը և տաքացրեք փորձանոթի մեջ։ Փորձանոթի բերանին թաց կապույտ լակմուսի թուղթ դրեք։ Կապույտ լակմուսի թուղթը դառնում է կարմիր, ինչը ցույց է տալիս, որ տաքացնելով SO2 գազը կլանվում է սիլիկա գելի գնդիկից, այդպիսով լակմուսի թուղթը դառնում է կարմիր: Վերոնշյալ փորձերը ցույց են տալիս, որ սիլիկա գելը նաև ուժեղ կլանման ազդեցություն ունի SO2-ի կամ H2SO3-ի վրա և չի կարող օգտագործվել SO2 գազը չորացնելու համար:
2.4 Սիլիկա գելի չորացնող նյութի կիրառման շրջանակի ուսումնասիրություն՝ ածխածնի երկօքսիդ
Ինչպես ցույց է տրված Նկար 5-ում, նատրիումի բիկարբոնատի լուծույթը, որը կաթում է ֆենոլֆթալեինը, հայտնվում է բաց կարմիր: Նատրիումի երկածխաթթվային պինդը տաքացվում է, և ստացված գազային խառնուրդն անցնում է չորացման խողովակով, որը պարունակում է չորացրած սիլիկա գելային գնդիկներ: Սիլիկա գելը էականորեն չի փոխվում, և նատրիումի բիկարբոնատը, որը կաթում է ֆենոլֆթալեինով, կլանում է HCl-ը: Գունաթափված սիլիցիումի կոբալտի իոնը Cl-ով կանաչ լուծույթ է կազմում և աստիճանաբար դառնում անգույն, ինչը ցույց է տալիս, որ գնդաձև չորացման խողովակի վերջում կա CO2 գազային համալիր: Բաց կանաչ սիլիկագելը տեղադրվում է թորած ջրի մեջ, իսկ գունաթափված սիլիկա գելը աստիճանաբար վերածվում է դեղինի, ինչը ցույց է տալիս, որ սիլիկա գելի կողմից ներծծված HCl-ը ներծծվել է ջրի մեջ: Վերին ջրային լուծույթի փոքր քանակությունը ավելացվել է ազոտական ​​թթվով թթված արծաթի նիտրատի լուծույթին` ձևավորելով սպիտակ նստվածք: Ջրային լուծույթի փոքր քանակությունը գցվում է pH թեստային թղթի լայն շրջանակի վրա, և փորձարկման թուղթը դառնում է կարմիր, ինչը ցույց է տալիս, որ լուծույթը թթվային է: Վերոնշյալ փորձերը ցույց են տալիս, որ սիլիկա գելը ուժեղ կլանում է HCl գազի նկատմամբ: HCl-ը խիստ բևեռային մոլեկուլ է, և սիլիկա գելի մակերեսի հիդրօքսիլ խումբը նույնպես ունի ուժեղ բևեռականություն, և երկուսը կարող են ձևավորել միջմոլեկուլային ջրածնային կապեր կամ ունենալ համեմատաբար ուժեղ դիպոլային դիպոլային փոխազդեցություն, ինչը հանգեցնում է համեմատաբար ուժեղ միջմոլեկուլային ուժի սիլիցիումի մակերևույթի միջև: գել և HCl մոլեկուլներ, ուստի սիլիկա գելն ունի HCl-ի ուժեղ կլանումը: Հետևաբար, սիլիկոնային չորացնող նյութը չի կարող օգտագործվել HCl-ի արտահոսքը չորացնելու համար, այսինքն՝ սիլիկոնային գելը չի ​​ներծծում CO2 կամ միայն մասամբ կլանում CO2:

ՆԿԱՐ. 5 Սիլիկա գելի չորացուցիչի՝ ածխածնի երկօքսիդի կիրառման շրջանակի ուսումնասիրություն

Ածխաթթու գազի մեջ սիլիկաժելի կլանումը ապացուցելու համար շարունակվում են հետևյալ փորձերը. Գնդաձև չորացման խողովակի մեջ սիլիկա գել գնդիկը հանվել է, իսկ մասը բաժանվել է նատրիումի բիկարբոնատ լուծույթի, որը կաթում է ֆենոլֆտալեին: Նատրիումի բիկարբոնատի լուծույթը գունազարդվել է: Սա ցույց է տալիս, որ սիլիկա գելը կլանում է ածխաթթու գազը, իսկ ջրում լուծվելուց հետո ածխաթթու գազը ներծծվում է նատրիումի բիկարբոնատի լուծույթի մեջ, ինչը հանգեցնում է նատրիումի բիկարբոնատի լուծույթի մարմանը: Սիլիկոնե գնդիկի մնացած մասը տաքացնում են չոր փորձանոթի մեջ, և ստացված գազն անցնում է նատրիումի բիկարբոնատի լուծույթի մեջ, որը կաթում է ֆենոլֆթալեին: Շուտով նատրիումի բիկարբոնատի լուծույթը բաց կարմիրից փոխվում է անգույնի։ Սա նաև ցույց է տալիս, որ սիլիկա գելը դեռևս ունի CO2 գազի կլանման կարողություն: Այնուամենայնիվ, սիլիկաժելի կլանման ուժը CO2-ի վրա շատ ավելի փոքր է, քան HCl-ը, NH3-ը և SO2-ը, և ածխաթթու գազը կարող է միայն մասամբ կլանվել Նկար 5-ի փորձի ժամանակ: Պատճառը, թե ինչու սիլիկա գելը կարող է մասամբ կլանել CO2-ը, հավանաբար, որ սիլիկա գելը և CO2-ը կազմում են միջմոլեկուլային ջրածնային կապեր Si — OH… O =C: Քանի որ CO2-ի կենտրոնական ածխածնի ատոմը sp հիբրիդ է, իսկ սիլիցիումի ատոմը՝ sp3 հիբրիդ, CO2 գծային մոլեկուլը լավ չի համագործակցում սիլիկա գելի մակերեսի հետ, ինչի հետևանքով սիլիկա գելի կլանման ուժը ածխածնի երկօքսիդի վրա համեմատաբար մեծ է։ փոքր.

3. Համեմատություն ջրում չորս գազերի լուծելիության և սիլիկատագելի մակերեսի վրա կլանման կարգավիճակի միջև Վերոնշյալ փորձարարական արդյունքներից կարելի է տեսնել, որ սիլիկա գելն ունի ամոնիակի, ջրածնի քլորիդի և ծծմբի երկօքսիդի կլանման հզոր կարողություն, սակայն. ածխածնի երկօքսիդի կլանման փոքր ուժ (տես Աղյուսակ 1): Սա նման է ջրի մեջ չորս գազերի լուծելիությանը: Դա կարող է պայմանավորված լինել այն պատճառով, որ ջրի մոլեկուլները պարունակում են հիդրօքսի-OH, և սիլիկա գելի մակերեսը նույնպես հարուստ է հիդրոքսիլով, ուստի այս չորս գազերի լուծելիությունը ջրում շատ նման է սիլիկա գելի մակերեսի վրա դրա կլանմանը: Ամոնիակ գազի երեք գազերից՝ ջրածնի քլորիդից և ծծմբի երկօքսիդից, ծծմբի երկօքսիդն ունի ամենափոքր լուծելիությունը ջրում, սակայն սիլիկա գելով ներծծվելուց հետո այն ամենադժվարն է կլանել երեք գազերից։ Այն բանից հետո, երբ սիլիկա գելը կլանում է ամոնիակը և քլորաջրածինը, այն կարող է լուծարվել լուծիչ ջրով: Այն բանից հետո, երբ ծծմբի երկօքսիդի գազը կլանվում է սիլիկա գելով, այն դժվար է կլանել ջրով և պետք է տաքացվի մինչև սիլիկատագելի մակերևույթից կլանվի: Հետևաբար, չորս գազերի կլանումը սիլիկա գելի մակերեսի վրա պետք է տեսականորեն հաշվարկվի:

4 Սիլիկատագելի և չորս գազերի փոխազդեցության տեսական հաշվարկը ներկայացված է քվանտացման ORCA ծրագրում [4] խտության ֆունկցիոնալ տեսության (DFT) շրջանակներում։ DFT D/B3LYP/Def2 TZVP մեթոդը օգտագործվել է տարբեր գազերի և սիլիկատագելի փոխազդեցության ռեժիմները և էներգիաները հաշվարկելու համար: Հաշվարկը պարզեցնելու համար սիլիկա գելի պինդ նյութերը ներկայացված են օրթոսիլիկաթթվի քառամերային մոլեկուլներով: Հաշվարկի արդյունքները ցույց են տալիս, որ H2O, NH3 և HCl-ը կարող են ջրածնային կապեր ստեղծել հիդրօքսիլ խմբի հետ սիլիկա գելի մակերեսի վրա (տե՛ս նկար 6a ~ c): Նրանք ունեն համեմատաբար ուժեղ կապող էներգիա սիլիկագելի մակերեսի վրա (տես Աղյուսակ 2) և հեշտությամբ ներծծվում են սիլիկա գելի մակերեսի վրա: Քանի որ NH3-ի և HCl-ի միացման էներգիան նման է H2O-ի էներգիային, ջրի լվացումը կարող է հանգեցնել այս երկու գազի մոլեկուլների կլանմանը: SO2 մոլեկուլի համար նրա կապակցման էներգիան ընդամենը -17,47 կՋ/մոլ է, ինչը շատ ավելի փոքր է, քան վերը նշված երեք մոլեկուլները։ Այնուամենայնիվ, փորձը հաստատեց, որ SO2 գազը հեշտությամբ կլանվում է սիլիկա գելի վրա, և նույնիսկ լվանալը չի ​​կարող այն կլանել, և միայն ջեռուցումը կարող է ստիպել SO2-ը դուրս գալ սիլիկա գելի մակերեսից: Հետևաբար, մենք կռահեցինք, որ SO2-ը, ամենայն հավանականությամբ, կմիավորվի H2O-ի հետ սիլիկա գելի մակերեսի վրա՝ ձևավորելով H2SO3 ֆրակցիաներ: Նկար 6e-ը ցույց է տալիս, որ H2SO3 մոլեկուլը միաժամանակ ստեղծում է երեք ջրածնային կապ հիդրօքսիլային և թթվածնի ատոմների հետ սիլիկա գելի մակերեսի վրա, և կապող էներգիան հասնում է մինչև -76,63 կՋ/մոլ, ինչը բացատրում է, թե ինչու է SO2-ը կլանվում: սիլիկա գելը դժվար է խուսափել ջրով: Ոչ բևեռային CO2-ն ունի սիլիկա գելի հետ կապելու ամենաթույլ ունակությունը և կարող է միայն մասամբ ներծծվել սիլիկա գելի միջոցով: Թեև H2CO3-ի և silicagel-ի կապի էներգիան նույնպես հասել է -65,65 կՋ/մոլ, CO2-ի փոխակերպման արագությունը H2CO3-ի բարձր չի եղել, ուստի CO2-ի կլանման արագությունը նույնպես նվազել է: Վերոհիշյալ տվյալներից երևում է, որ գազի մոլեկուլի բևեռականությունը միակ չափանիշը չէ, որը կարող է դատել, թե արդյոք այն կարող է ներծծվել սիլիկա գելի կողմից, և սիլիկա գելի մակերեսի հետ ձևավորված ջրածնային կապը դրա կայուն կլանման հիմնական պատճառն է:

Սիլիկա գելի բաղադրությունը SiO2 ·nH2 O է, սիլիկա գելի հսկայական մակերեսը և մակերեսի վրա հարուստ հիդրօքսիլ խումբը դարձնում են սիլիկա գելը կարող է օգտագործվել որպես ոչ թունավոր չորանոց՝ գերազանց կատարողականությամբ և լայնորեն օգտագործվում է արտադրության և կյանքի մեջ։ . Այս հոդվածում փորձի և տեսական հաշվարկի երկու ասպեկտներից հաստատվում է, որ սիլիկա գելը կարող է միջմոլեկուլային ջրածնային կապերի միջոցով ներծծել NH3, HCl, SO2, CO2 և այլ գազեր, ուստի սիլիկա գելը չի ​​կարող օգտագործվել այդ գազերը չորացնելու համար: Սիլիկա գելի բաղադրությունը SiO2 ·nH2 O է, սիլիկա գելի հսկայական մակերեսը և մակերեսի վրա հարուստ հիդրօքսիլ խումբը դարձնում են սիլիկա գելը կարող է օգտագործվել որպես ոչ թունավոր չորանոց՝ գերազանց կատարողականությամբ և լայնորեն օգտագործվում է արտադրության և կյանքի մեջ։ . Այս հոդվածում փորձի և տեսական հաշվարկի երկու ասպեկտներից հաստատվում է, որ սիլիկա գելը կարող է միջմոլեկուլային ջրածնային կապերի միջոցով ներծծել NH3, HCl, SO2, CO2 և այլ գազեր, ուստի սիլիկա գելը չի ​​կարող օգտագործվել այդ գազերը չորացնելու համար:

３
ՆԿԱՐ. 6 Փոխազդեցության ռեժիմներ տարբեր մոլեկուլների և սիլիկա գելի մակերեսի միջև՝ հաշվարկված DFT մեթոդով