У производњи и животу, силика гел се може користити за сушење Н2, ваздуха, водоника, природног гаса [1] и тако даље. Према киселини и лужини, десикант се може поделити на: кисели десикант, алкални десикант и неутрални десикант [2]. Чини се да је силика гел неутралан сушач који изгледа да суши НХ3, ХЦл, СО2, итд. Међутим, са принципијелне тачке гледишта, силика гел се састоји од тродимензионалне интермолекуларне дехидратације молекула ортосилицијумске киселине, главно тело је СиО2, а површина је богата хидроксилним групама (видети слику 1). Разлог зашто силика гел може да апсорбује воду је тај што силицијум хидроксилна група на површини силика гела може формирати интермолекуларне водоничне везе са молекулима воде, тако да може да адсорбује воду и тако игра улогу сушења. Силика гел који мења боју садржи јоне кобалта, а након што адсорпциона вода достигне засићење, јони кобалта у силика гелу који мења боју постају хидратисани јони кобалта, тако да плави силика гел постаје ружичаст. Након загревања ружичастог силика гела на 200 ℃ током одређеног временског периода, водонична веза између силика гела и молекула воде се прекида, а обезбојени силика гел ће поново постати плави, тако да дијаграм структуре силицијумске киселине и силика гела може се поново користи као што је приказано на слици 1. Дакле, пошто је површина силика гела богата хидроксилним групама, површина силика гела може такође да формира интермолекуларне водоничне везе са НХ3 и ХЦл, итд., и можда не постоји начин да делује као средство за сушење НХ3 и ХЦл, и не постоји релевантан извештај у постојећој литератури. Па какви су били резултати? Овај субјект је урадио следеће експериментално истраживање.
Фиг. 1 Структурни дијаграм орто-силицијумске киселине и силика гела
2 Експеримент део
2.1 Истраживање обима примене средства за сушење силика гела — амонијак Прво, промењени силика гел је стављен у дестиловану воду, односно у концентровану амонијачну воду. Промењени силика гел постаје ружичаст у дестилованој води; У концентрованом амонијаку, силикон који мења боју прво постаје црвен и полако постаје светлоплав. Ово показује да силика гел може да апсорбује НХ3 или НХ3 ·Х2О у амонијаку. Као што је приказано на слици 2, чврсти калцијум хидроксид и амонијум хлорид су равномерно помешани и загревани у епрувети. Добијени гас се уклања алкалним кречем, а затим силика гелом. Боја силика гела у близини улазног правца постаје светлија (истражује се боја обима примене силика гела за сушење на слици 2 — амонијак 73, 8. фаза 2023. је у основи иста као боја натопљеног силика гела у концентрованој амонијачној води), а пХ тест папир нема очигледне промене. Ово указује да произведени НХ3 није достигао пХ тест папир и да је потпуно адсорбован. Након одређеног времена, зауставите загревање, извадите мали део куглице силика гела, ставите је у дестиловану воду, додајте фенолфталеин у воду, раствор постаје црвен, што указује да силика гел има јак адсорпциони ефекат на НХ3, након што се дестилована вода одвоји, НХ3 улази у дестиловану воду, раствор је алкални. Због тога, пошто силика гел има јаку адсорпцију за НХ3, средство за сушење силикона не може да осуши НХ3.
Фиг. 2 Истраживање обима примене средства за сушење силика гела — амонијака
2.2 Истраживање обима примене средства за сушење силика гела — хлороводоник прво сагорева чврсте супстанце НаЦл пламеном алкохолне лампе да би се уклонила мокра вода у чврстим компонентама. Након што се узорак охлади, концентрована сумпорна киселина се додаје чврстим материјама НаЦл да би се одмах створио велики број мехурића. Настали гас се пропушта у сферичну цев за сушење која садржи силика гел, а влажни пХ тест папир се ставља на крај цеви за сушење. Силика гел на предњем крају постаје светло зелен, а влажни пХ тест папир нема очигледне промене (види слику 3). Ово показује да је генерисани гас ХЦл потпуно адсорбован силика гелом и да не излази у ваздух.
Слика 3 Истраживање о обиму примене силика гел средства за сушење — хлороводоника
Силика гел је адсорбовао ХЦл и постао светло зелен је стављен у епрувету. Ставите нови плави силика гел у епрувету, додајте концентровану хлороводоничну киселину, силика гел такође постаје светло зелене боје, две боје су у основи исте. Ово показује гас силика гела у сферичној цеви за сушење.
2.3 Истраживање обима примене средства за сушење силика гела — сумпор диоксид Мешана концентрована сумпорна киселина са чврстим натријум тиосулфатом (видети слику 4), НА2с2 О3 +Х2 СО4 ==На2 СО4 +СО2 ↑+С↓+Х2 О; Настали гас се пропушта кроз цев за сушење у којој се налази промењени силика гел, обезбојени силика гел постаје светло плаво-зелени, а плави лакмус папир на крају влажног тест папира се не мења значајно, што указује да је генерисани гас СО2 имао је потпуно адсорбована куглом силика гела и не може да побегне.
Фиг. 4 Истраживање обима примене средства за сушење силика гела — сумпордиоксида
Скините део куглице силика гела и ставите је у дестиловану воду. Након потпуног баланса, узмите малу количину водене капи на плави лакмус папир. Тест папир се не мења значајно, што указује да дестилована вода није довољна за десорбовање СО2 из силика гела. Узмите мали део куглице силика гела и загрејте је у епрувети. Ставите влажни плави лакмус папир на отвор епрувете. Плави лакмус папир постаје црвен, што указује да загревање чини гас СО2 десорбован из куглице силика гела, чиме лакмус папир постаје црвен. Горе наведени експерименти показују да силика гел такође има јак адсорпциони ефекат на СО2 или Х2СО3 и да се не може користити за сушење гаса СО2.
2.4 Истраживање обима примене средства за сушење силика гела — Угљен-диоксид
Као што је приказано на слици 5, раствор натријум бикарбоната који капа фенолфталеин изгледа светлоцрвен. Чврста материја натријум бикарбоната се загрева и добијена гасна смеша се пропушта кроз цев за сушење која садржи осушене сфере силика гела. Силика гел се не мења значајно и натријум бикарбонат који капа са фенолфталеином адсорбује ХЦл. Јон кобалта у обезбојеном силика гелу формира зелени раствор са Цл- и постепено постаје безбојан, што указује да постоји гасни комплекс ЦО2 на крају сферичне цеви за сушење. Светлозелени силика гел се ставља у дестиловану воду, а промењени силика гел постепено прелази у жути, што указује да је ХЦл адсорбован силика гелом десорбован у воду. Мала количина горњег воденог раствора је додата у раствор сребрног нитрата закисељеног азотном киселином да би се формирао бели талог. Мала количина воденог раствора се испушта на широки опсег пХ тест папира, а тест папир постаје црвен, што указује да је раствор кисео. Горе наведени експерименти показују да силика гел има јаку адсорпцију на гас ХЦл. ХЦл је јако поларни молекул, а хидроксилна група на површини силика гела такође има јак поларитет, а ова два могу формирати интермолекуларне водоничне везе или имати релативно јаку дипол диполну интеракцију, што резултира релативно јаком интермолекулском силом између површине силицијум диоксида. гела и молекула ХЦл, тако да силика гел има јаку адсорпцију ХЦл. Због тога се силиконско средство за сушење не може користити за сушење ХЦл евакуације, односно, силика гел не адсорбује ЦО2 или само делимично адсорбује ЦО2.
Фиг. 5 Истраживање обима примене средства за сушење силика гела — угљен-диоксида
Да би се доказала адсорпција силика гела на гас угљен-диоксида, настављају се следећи експерименти. Куглица силика гела у сферичној цеви за сушење је уклоњена, а део је подељен у раствор натријум бикарбоната капајући фенолфталеин. Раствор натријум бикарбоната је обезбојен. Ово показује да силика гел адсорбује угљен-диоксид, а након што је растворљив у води, угљен-диоксид се десорбује у раствор натријум бикарбоната, чинећи да раствор натријум бикарбоната избледи. Преостали део силиконске куглице се загрева у сувој епрувети, а добијени гас се пропушта у раствор натријум бикарбоната који капа са фенолфталеином. Убрзо, раствор натријум бикарбоната прелази из светлоцрвене у безбојну. Ово такође показује да силика гел још увек има капацитет адсорпције за гас ЦО2. Међутим, сила адсорпције силика гела на ЦО2 је много мања од силе ХЦл, НХ3 и СО2, а угљен-диоксид се може само делимично адсорбовати током експеримента на слици 5. Разлог зашто силика гел може делимично да адсорбује ЦО2 вероватно је да силика гел и ЦО2 формирају међумолекуларне водоничне везе Си — ОХ… О =Ц. Пошто је централни атом угљеника ЦО2 сп хибрид, а атом силицијума у силика гелу је сп3 хибрид, линеарни молекул ЦО2 не сарађује добро са површином силика гела, што доводи до тога да је сила адсорпције силика гела на угљен-диоксид релативно мали.
3. Поређење између растворљивости четири гаса у води и адсорпционог статуса на површини силика гела Из горњих експерименталних резултата може се видети да силика гел има јак адсорпциони капацитет за амонијак, хлороводоник и сумпор диоксид, али мала сила адсорпције за угљен-диоксид (видети табелу 1). Ово је слично растворљивости четири гаса у води. То може бити зато што молекули воде садрже хидрокси-ОХ, а површина силика гела је такође богата хидроксилом, тако да је растворљивост ова четири гаса у води веома слична његовој адсорпцији на површини силика гела. Међу три гаса амонијачног гаса, хлороводоника и сумпор-диоксида, сумпор-диоксид има најмању растворљивост у води, али након што се адсорбује силика гелом, најтеже је за десорпцију међу три гаса. Након што силика гел адсорбује амонијак и хлороводоник, може се десорбовати водом са растварачем. Након што се гас сумпор диоксида адсорбује силика гелом, тешко га је десорпирати водом и мора се загрејати до десорпције са површине силика гела. Због тога се адсорпција четири гаса на површини силика гела мора теоретски израчунати.
4 Теоријски прорачун интеракције између силика гела и четири гаса представљен је у софтверу за квантумизацију ОРЦА [4] у оквиру теорије функционалне густине (ДФТ). Метода ДФТ Д/Б3ЛИП/Деф2 ТЗВП је коришћена за израчунавање начина интеракције и енергија између различитих гасова и силика гела. У циљу поједностављења прорачуна, чврсте материје силика гела су представљене молекулима тетрамерне ортосилицијумске киселине. Резултати прорачуна показују да Х2О, НХ3 и ХЦл могу формирати водоничне везе са хидроксилном групом на површини силика гела (види слику 6а ~ ц). Имају релативно јаку енергију везивања на површини силика гела (видети табелу 2) и лако се адсорбују на површини силика гела. Пошто је енергија везивања НХ3 и ХЦл слична оној код Х2О, испирање водом може довести до десорпције ова два молекула гаса. За СО2 молекул, његова енергија везивања је само -17,47 кЈ/мол, што је много мање од горња три молекула. Међутим, експеримент је потврдио да се гас СО2 лако адсорбује на силика гел, па чак ни прање не може да га десорбује, а само загревање може учинити да СО2 побегне са површине силика гела. Стога смо претпоставили да ће се СО2 вероватно комбиновати са Х2О на површини силика гела да би се формирале фракције Х2СО3. Слика 6е показује да молекул Х2 СО3 истовремено формира три водоничне везе са атомима хидроксила и кисеоника на површини силика гела, а енергија везивања је чак -76,63 кЈ/мол, што објашњава зашто се СО2 адсорбује на силика гел је тешко избећи водом. Неполарни ЦО2 има најслабију способност везивања са силика гелом и може се само делимично адсорбовати силика гелом. Иако је енергија везивања Х2 ЦО3 и силика гела такође достигла -65,65 кЈ/мол, стопа конверзије ЦО2 у Х2 ЦО3 није била висока, па је и брзина адсорпције ЦО2 смањена. Из горњих података се види да поларитет молекула гаса није једини критеријум за суђење да ли се може адсорбовати силика гелом, а водонична веза настала са површином силика гела је главни разлог његове стабилне адсорпције.
Састав силика гела је СиО2 ·нХ2О, огромна површина силика гела и богата хидроксилна група на површини чине да се силика гел може користити као нетоксични сушач са одличним перформансама и широко се користи у производњи и животу . У овом раду је из два аспекта експеримента и теоријског прорачуна потврђено да силика гел може да адсорбује НХ3, ХЦл, СО2, ЦО2 и друге гасове кроз интермолекуларне водоничне везе, па се силика гел не може користити за сушење ових гасова. Састав силика гела је СиО2 ·нХ2О, огромна површина силика гела и богата хидроксилна група на површини чине да се силика гел може користити као нетоксични сушач са одличним перформансама и широко се користи у производњи и животу . У овом раду је из два аспекта експеримента и теоријског прорачуна потврђено да силика гел може да адсорбује НХ3, ХЦл, СО2, ЦО2 и друге гасове кроз интермолекуларне водоничне везе, па се силика гел не може користити за сушење ових гасова.
３
Фиг. 6 Начини интеракције између различитих молекула и површине силика гела израчунати ДФТ методом
Време поста: 14.11.2023
