Изследване на обхвата на приложение на десикант от силикагел

В производството и живота силикагелът може да се използва за изсушаване на N2, въздух, водород, природен газ [1] и т.н. Според киселина и основа десикантът може да бъде разделен на: киселинен десикант, алкален десикант и неутрален десикант [2]. Силикагелът изглежда е неутрален изсушител, който изглежда изсушава NH3, HCl, SO2 и т.н. Въпреки това, от принципна гледна точка, силикагелът е съставен от триизмерна междумолекулна дехидратация на молекули на ортосилициева киселина, основното тяло е SiO2, и повърхността е богата на хидроксилни групи (виж Фигура 1). Причината, поради която силикагелът може да абсорбира вода, е, че силициевата хидроксилна група на повърхността на силикагела може да образува междумолекулни водородни връзки с водни молекули, така че може да адсорбира вода и по този начин да играе изсушаваща роля. Променящият цвета силикагел съдържа кобалтови йони и след като адсорбционната вода достигне насищане, кобалтовите йони в променящия цвета силикагел стават хидратирани кобалтови йони, така че синият силикагел става розов. След нагряване на розовия силикагел при 200 ℃ за определен период от време, водородната връзка между силициевия гел и водните молекули се разрушава и обезцветеният силикагел отново ще стане син, така че структурната диаграма на силициевата киселина и силициевия гел да може се използва повторно, както е показано на Фигура 1. Тъй като повърхността на силикагела е богата на хидроксилни групи, повърхността на силикагела може също да образува междумолекулни водородни връзки с NH3 и HCl и т.н. и може да няма начин да действа като десикант на NH3 и HCl и няма съответен доклад в съществуващата литература. И така, какви бяха резултатите? Този субект е направил следното експериментално изследване.

Фиг. 1 Структурна диаграма на орто-силициева киселина и силикагел

2 Експериментална част
2.1 Проучване на обхвата на приложение на силикагелов десикант — амоняк Първо, обезцветеният силикагел се поставя съответно в дестилирана вода и концентрирана амонячна вода. Обезцветеният силикагел става розов в дестилирана вода; В концентриран амоняк променящият цвета силикон първо става червен и бавно става светлосин. Това показва, че силикагелът може да абсорбира NH3 или NH3 ·H2O в амоняк. Както е показано на фигура 2, твърдият калциев хидроксид и амониевият хлорид се смесват равномерно и се нагряват в епруветка. Полученият газ се отстранява с алкална вар и след това със силикагел. Цветът на силикагела в близост до посоката на входа става по-светъл (цветът на обхвата на приложение на десиканта на силикагел на Фигура 2 е изследван — амоняк 73, 8-ма фаза от 2023 г. е основно същият като цвета на силикагела, напоен с в концентрирана амонячна вода), а тестовата хартия за рН няма очевидна промяна. Това показва, че произведеният NH3 не е достигнал тестовата хартия за pH и е бил напълно адсорбиран. След известно време спрете нагряването, извадете малка част от топката силикагел, поставете я в дестилираната вода, добавете фенолфталеин към водата, разтворът става червен, което показва, че силикагелът има силен адсорбционен ефект върху NH3, след като дестилираната вода се отдели, NH3 влиза в дестилираната вода, разтворът е алкален. Следователно, тъй като силикагелът има силна адсорбция за NH3, силиконовият изсушаващ агент не може да изсуши NH3.

Фиг. 2 Проучване на обхвата на приложение на десикант от силикагел — амоняк

2.2 Проучване на обхвата на приложение на силикагелов десикант — хлороводородът първо изгаря твърдите вещества NaCl с пламък на алкохолна лампа, за да отстрани мократа вода в твърдите компоненти. След като пробата се охлади, концентрирана сярна киселина се добавя към NaCl твърди частици, за да се получат незабавно голям брой мехурчета. Генерираният газ се пропуска в сферична тръба за сушене, съдържаща силикагел, и мокра хартия за тестване на pH се поставя в края на тръбата за сушене. Силикагелът в предния край става светлозелен, а мократа хартия за тест за рН няма видима промяна (вижте Фигура 3). Това показва, че генерираният HCl газ е напълно адсорбиран от силикагел и не изтича във въздуха.

Фигура 3 Изследване на обхвата на приложение на десикант от силикагел — хлороводород

Силикагелът адсорбира HCl и става светлозелен, се поставя в епруветка. Поставете новия син силикагел в епруветката, добавете концентрирана солна киселина, силикагелът също придобива светлозелен цвят, двата цвята са основно еднакви. Това показва газа силикагел в сферичната тръба за сушене.

2.3 Проучване на обхвата на приложение на десикант от силикагел — серен диоксид Смесена концентрирана сярна киселина с твърд натриев тиосулфат (вижте фигура 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Генерираният газ преминава през тръбата за изсушаване, съдържаща обезцветения силикагел, обезцветеният силикагел става светло синьо-зелен, а синята лакмусова хартия в края на мократа тестова хартия не се променя значително, което показва, че генерираният газ SO2 е е напълно адсорбиран от топката силикагел и не може да избяга.

Фиг. 4 Проучване на обхвата на приложение на десикант от силикагел — серен диоксид

Отстранете част от топката силикагел и я поставете в дестилирана вода. След пълното равновесие вземете малко количество вода върху синята лакмусова хартия. Тестовата хартия не се променя значително, което показва, че дестилираната вода не е достатъчна за десорбиране на SO2 от силикагела. Вземете малка част от топката силикагел и я загрейте в епруветката. Поставете мокра синя лакмусова хартия в гърлото на епруветката. Синята лакмусова хартия става червена, което показва, че нагряването кара SO2 да се десорбира от топчето силикагел, като по този начин лакмусовата хартия става червена. Горните експерименти показват, че силикагелът също има силен адсорбционен ефект върху SO2 или H2SO3 и не може да се използва за изсушаване на газ SO2.
2.4 Проучване на обхвата на приложение на силикагелов десикант — въглероден диоксид
Както е показано на фигура 5, капещият фенолфталеин разтвор на натриев бикарбонат изглежда светлочервен. Твърдият натриев бикарбонат се нагрява и получената газова смес се пропуска през изсушаваща тръба, съдържаща изсушени сфери от силикагел. Силикагелът не се променя значително и натриевият бикарбонат, накапан с фенолфталеин, адсорбира HCl. Кобалтовият йон в обезцветения силикагел образува зелен разтвор с Cl- и постепенно става безцветен, което показва, че има CO2 газов комплекс в края на сферичната изсушаваща тръба. Светлозеленият силикагел се поставя в дестилирана вода и обезцветеният силикагел постепенно се променя в жълт, което показва, че HCl, адсорбиран от силикагел, е десорбиран във водата. Малко количество от горния воден разтвор се добавя към разтвора на сребърен нитрат, подкиселен с азотна киселина, за да се образува бяла утайка. Малко количество воден разтвор се капва върху хартия за тестване на pH с широк диапазон и хартията за тестване става червена, което показва, че разтворът е кисел. Горните експерименти показват, че силикагелът има силна адсорбция към HCl газ. HCl е силно полярна молекула и хидроксилната група на повърхността на силикагела също има силна полярност и двете могат да образуват междумолекулни водородни връзки или да имат относително силно диполно диполно взаимодействие, което води до относително силна междумолекулна сила между повърхността на силициевия диоксид гел и HCl молекули, така че силикагелът има силна адсорбция на HCl. Следователно, силиконовият изсушаващ агент не може да се използва за изсушаване на HCl, т.е. силикагелът не адсорбира CO2 или само частично адсорбира CO2.

Фиг. 5 Проучване на обхвата на приложение на десикант от силикагел — въглероден диоксид

За да се докаже адсорбцията на силикагел към газ въглероден диоксид, следните експерименти продължават. Топката от силикагел в сферичната тръба за сушене се отстранява и частта се разделя в разтвор на натриев бикарбонат, капещ фенолфталеин. Разтворът на натриев бикарбонат се обезцветява. Това показва, че силикагелът адсорбира въглеродния диоксид и след като се разтвори във вода, въглеродният диоксид се десорбира в разтвор на натриев бикарбонат, което прави разтвора на натриев бикарбонат избледнял. Останалата част от силиконовата топка се нагрява в суха епруветка и полученият газ се прекарва в разтвор на натриев бикарбонат, накапан с фенолфталеин. Скоро разтворът на натриев бикарбонат се променя от светлочервен на безцветен. Това също показва, че силикагелът все още има адсорбционна способност за CO2 газ. Въпреки това силата на адсорбция на силикагела върху CO2 е много по-малка от тази на HCl, NH3 и SO2 и въглеродният диоксид може да бъде само частично адсорбиран по време на експеримента на Фигура 5. Причината, поради която силикагелът може частично да адсорбира CO2, вероятно е че силикагелът и CO2 образуват междумолекулни водородни връзки Si — OH… O =C. Тъй като централният въглероден атом на CO2 е sp хибрид, а силициевият атом в силикагела е sp3 хибрид, линейната CO2 молекула не си сътрудничи добре с повърхността на силикагела, което води до адсорбционната сила на силикагела върху въглеродния диоксид е относително малък.

3. Сравнение между разтворимостта на четирите газа във вода и състоянието на адсорбция върху повърхността на силикагел От горните експериментални резултати може да се види, че силикагелът има силен адсорбционен капацитет за амоняк, хлороводород и серен диоксид, но малка адсорбционна сила за въглероден диоксид (виж таблица 1). Това е подобно на разтворимостта на четирите газа във вода. Това може да се дължи на факта, че водните молекули съдържат хидрокси-ОН, а повърхността на силикагела също е богата на хидроксил, така че разтворимостта на тези четири газа във вода е много подобна на неговата адсорбция върху повърхността на силикагела. Сред трите газа амонячен газ, хлороводород и серен диоксид, серният диоксид има най-малка разтворимост във вода, но след като е адсорбиран от силикагел, той е най-труден за десорбция сред трите газа. След като силикагелът адсорбира амоняк и хлороводород, той може да бъде десорбиран с разтворител вода. След като газът серен диоксид се адсорбира от силикагел, той трудно се десорбира с вода и трябва да се нагрее до десорбция от повърхността на силикагела. Следователно, адсорбцията на четири газа върху повърхността на силикагел трябва да бъде теоретично изчислена.

4 Теоретичното изчисление на взаимодействието между силикагел и четири газа е представено в софтуера ORCA за квантуване [4] в рамките на теорията на функционалната плътност (DFT). Методът DFT D/B3LYP/Def2 TZVP беше използван за изчисляване на режимите на взаимодействие и енергиите между различни газове и силикагел. За да се опрости изчислението, твърдите вещества от силикагел са представени от тетрамерни молекули на ортосилициева киселина. Резултатите от изчислението показват, че всички H2O, NH3 и HCl могат да образуват водородни връзки с хидроксилната група на повърхността на силикагел (вижте Фигура 6a ~ c). Те имат относително силна енергия на свързване върху повърхността на силикагела (вижте Таблица 2) и лесно се адсорбират върху повърхността на силикагела. Тъй като енергията на свързване на NH3 и HCl е подобна на тази на H2O, измиването с вода може да доведе до десорбция на тези две газови молекули. За молекулата SO2 нейната енергия на свързване е само -17,47 kJ/mol, което е много по-малко от горните три молекули. Въпреки това, експериментът потвърди, че газът SO2 лесно се адсорбира върху силикагела и дори измиването не може да го десорбира и само нагряването може да накара SO2 да излезе от повърхността на силикагела. Следователно предположихме, че SO2 вероятно ще се комбинира с H2O на повърхността на силикагела, за да образува фракции H2SO3. Фигура 6e показва, че молекулата H2 SO3 образува три водородни връзки с хидроксилните и кислородните атоми на повърхността на силикагела едновременно и енергията на свързване е толкова висока, колкото -76,63 kJ/mol, което обяснява защо SO2 се адсорбира върху силикагелът трудно се отделя с вода. Неполярният CO2 има най-слабата способност за свързване със силикагел и може да бъде само частично адсорбиран от силикагел. Въпреки че енергията на свързване на H2CO3 и силикагел също достига -65,65 kJ/mol, степента на превръщане на CO2 в H2CO3 не е висока, така че степента на адсорбция на CO2 също е намалена. От горните данни може да се види, че полярността на газовата молекула не е единственият критерий за преценка дали тя може да бъде адсорбирана от силикагел, а водородната връзка, образувана с повърхността на силикагела, е основната причина за неговата стабилна адсорбция.

Съставът на силикагела е SiO2 ·nH2 O, огромната повърхност на силикагела и богатата хидроксилна група на повърхността правят силикагела да може да се използва като нетоксичен сушилня с отлична производителност и се използва широко в производството и живота . В тази статия се потвърждава от два аспекта на експеримента и теоретичното изчисление, че силикагелът може да адсорбира NH3, HCl, SO2, CO2 и други газове чрез междумолекулни водородни връзки, така че силикагелът не може да се използва за изсушаване на тези газове. Съставът на силикагела е SiO2 ·nH2 O, огромната повърхност на силикагела и богатата хидроксилна група на повърхността правят силикагела да може да се използва като нетоксичен сушилня с отлична производителност и се използва широко в производството и живота . В тази статия се потвърждава от два аспекта на експеримента и теоретичното изчисление, че силикагелът може да адсорбира NH3, HCl, SO2, CO2 и други газове чрез междумолекулни водородни връзки, така че силикагелът не може да се използва за изсушаване на тези газове.

３
Фиг. 6 Режими на взаимодействие между различни молекули и повърхност на силикагел, изчислени по метода DFT