Riċerka dwar l-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika

Fil-produzzjoni u l-ħajja, il-ġel tas-silika jista 'jintuża biex jinxef N2, arja, idroġenu, gass naturali [1] eċċ.Skont l-aċidu u l-alkali, dessikant jista 'jinqasam fi: dessikant tal-aċidu, dessikant alkalin u dessikant newtrali [2].Il-ġel tas-silika jidher li huwa dryer newtrali li jidher li jinxef NH3, HCl, SO2, eċċ Madankollu, mill-perspettiva tal-prinċipju, il-ġel tas-silika huwa magħmul minn deidrazzjoni intermolekulari tridimensjonali ta 'molekuli ta' aċidu ortosiliċiku, il-korp ewlieni huwa SiO2, u l-wiċċ huwa għani fi gruppi hydroxyl (ara Figura 1).Ir-raġuni għaliex il-ġel tas-silika jista 'jassorbi l-ilma hija li l-grupp tal-idroksil tas-silikon fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika jista' jifforma bonds tal-idroġenu intermolekulari ma 'molekuli tal-ilma, u għalhekk jista' jassorbi l-ilma u b'hekk ikollu rwol ta 'tnixxif.Il-ġel tas-silika li jbiddel il-kulur fih joni tal-kobalt, u wara li l-ilma ta 'assorbiment jilħaq is-saturazzjoni, il-joni tal-kobalt fil-ġel tas-silika li jbiddel il-kulur isiru joni tal-kobalt idratat, sabiex il-ġel tas-silika blu jsir roża.Wara li ssaħħan il-ġel tas-silika roża f'200 ℃ għal perjodu ta 'żmien, ir-rabta ta' l-idroġenu bejn il-ġel tas-silika u l-molekuli ta 'l-ilma tinkiser, u l-ġel tas-silika skulurat jerġa' jsir blu, sabiex id-dijagramma ta' l-istruttura ta 'l-aċidu siliċiku u ġel tas-silika tista' jerġa 'jintuża kif muri fil-Figura 1. Allura, peress li l-wiċċ tas-silika ġel huwa għani fi gruppi hydroxyl, il-wiċċ tal-ġel tas-silika jista' wkoll jifforma bonds ta 'idroġenu intermolekulari ma' NH3 u HCl, eċċ., U jista 'jkun hemm ebda mod biex jaġixxi bħala dessikant ta 'NH3 u HCl, u m'hemm l-ebda rapport rilevanti fil-letteratura eżistenti.Allura x'kienu r-riżultati?Dan is-suġġett għamel ir-riċerka sperimentali li ġejja.

FIG.1 Dijagramma tal-istruttura tal-aċidu orto-siliċiku u ġel tas-silika

2 Parti tal-Esperiment
2.1 Esplorazzjoni tal-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika - Ammonja L-ewwel, il-ġel tas-silika skulurat tqiegħed f'ilma distillat u ilma tal-ammonja kkonċentrat rispettivament.Ġell tas-silika skulurat isir roża fl-ilma distillat;Fl-ammonja kkonċentrata, is-silikon li jibdel il-kulur l-ewwel isir aħmar u bil-mod isir blu ċar.Dan juri li l-ġel tas-silika jista 'jassorbi NH3 jew NH3 ·H2 O fl-ammonja.Kif muri fil-Figura 2, l-idrossidu tal-kalċju solidu u l-klorur ta 'l-ammonju huma mħallta b'mod uniformi u msaħħna f'tubu tat-test.Il-gass li jirriżulta jitneħħa bil-ġir alkali u mbagħad bil-ġel tas-silika.Il-kulur tal-ġel tas-silika ħdejn id-direzzjoni tad-dħul isir eħfef (il-kulur tal-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika fil-Figura 2 huwa esplorat - ammonja 73, it-8 fażi tal-2023 hija bażikament l-istess bħall-kulur tal-ġel tas-silika mxarrba f'ilma ta 'l-ammonja kkonċentrat), u l-karta tat-test tal-pH m'għandha l-ebda bidla ovvja.Dan jindika li l-NH3 prodott ma laħaqx il-karta tat-test tal-pH, u ġie kompletament adsorbit.Wara perjodu ta 'żmien, waqqaf it-tisħin, oħroġ parti żgħira mill-ballun tal-ġel tas-silika, poġġiha fl-ilma distillat, żid phenolphthalein mal-ilma, is-soluzzjoni ssir ħamra, u tindika li l-ġel tas-silika għandu effett qawwi ta' adsorbiment fuq NH3, wara li l-ilma distillat jitneħħa, NH3 jidħol fl-ilma distillat, is-soluzzjoni hija alkalina.Għalhekk, minħabba li l-ġel tas-silika għandu adsorbiment qawwi għal NH3, l-aġent tat-tnixxif tas-silikon ma jistax jinxef NH3.

FIG.2 Esplorazzjoni tal-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika — ammonja

2.2 Esplorazzjoni tal-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika — l-ewwel ħruq tal-klorur tal-idroġenu solidi NaCl bil-fjamma tal-lampa tal-alkoħol biex tneħħi l-ilma imxarrab fil-komponenti solidi.Wara li l-kampjun jitkessaħ, l-aċidu sulfuriku ikkonċentrat huwa miżjud ma 'solidi NaCl biex immedjatament jipproduċi numru kbir ta' bżieżaq.Il-gass iġġenerat jgħaddi ġo tubu sferiku tat-tnixxif li fih ġel tas-silika, u karta tat-test tal-pH imxarrba titqiegħed fit-tarf tat-tubu tat-tnixxif.Il-ġel tas-silika fit-tarf ta 'quddiem isir aħdar ċar, u l-karta tat-test tal-pH imxarrba m'għandha l-ebda bidla ovvja (ara l-Figura 3).Dan juri li l-gass HCl iġġenerat huwa kompletament adsorbit mill-ġel tas-silika u ma jaħrabx fl-arja.

Figura 3 Riċerka dwar l-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika - klorur tal-idroġenu

Il-ġel tas-silika adsorbit HCl u mdawwar aħdar ċar tqiegħed f'tubu tat-test.Poġġi l-ġel tas-silika blu ġdid fit-tubu tat-test, żid l-aċidu idrokloriku kkonċentrat, il-ġel tas-silika wkoll isir kulur aħdar ċar, iż-żewġ kuluri huma bażikament l-istess.Dan juri l-gass tal-ġel tas-silika fit-tubu tat-tnixxif sferiku.

2.3 Esplorazzjoni tal-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika - dijossidu tal-kubrit Aċidu sulfuriku kkonċentrat imħallat b'sodium thiosulfate solidu (ara Figura 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O;Il-gass iġġenerat jgħaddi mit-tubu tat-tnixxif li fih il-ġel tas-silika skulurat, il-ġel tas-silika ikkulurit isir aħdar ċar blu, u l-karta litmus blu fl-aħħar tal-karta tat-test imxarrba ma tinbidilx b'mod sinifikanti, li jindika li l-gass SO2 iġġenerat għandu ġie assorbit kompletament mill-ballun tal-ġel tas-silika u ma jistax jaħrab.

FIG.4 Esplorazzjoni tal-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika - dijossidu tal-kubrit

Neħħi parti mill-ballun tal-ġel tas-silika u poġġiha f'ilma distillat.Wara bilanċ sħiħ, ħu ammont żgħir ta 'qatra ta' ilma fuq il-karta litmus blu.Il-karta tat-test ma tinbidilx b'mod sinifikanti, u tindika li l-ilma distillat mhuwiex biżżejjed biex jiġi desorbit SO2 mill-ġel tas-silika.Ħu parti żgħira mill-ballun tal-ġel tas-silika u saħħan fit-tubu tat-test.Poġġi karta litmus blu mxarrba fil-bokka tat-tubu tat-test.Il-karta litmus blu ssir ħamra, li tindika li t-tisħin jagħmel il-gass SO2 desorbit mill-ballun tal-ġel tas-silika, u b'hekk il-karta tal-litmus issir ħamra.L-esperimenti ta 'hawn fuq juru li l-ġel tas-silika għandu wkoll effett qawwi ta' adsorbiment fuq SO2 jew H2 SO3, u ma jistax jintuża għat-tnixxif tal-gass SO2.
2.4 Esplorazzjoni tal-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika — Dijossidu tal-karbonju
Kif muri fil-Figura 5, is-soluzzjoni tal-bikarbonat tas-sodju li taqtir il-fenolftaleina tidher aħmar ċar.Is-solidu tal-bikarbonat tas-sodju jissaħħan u t-taħlita tal-gass li tirriżulta hija mgħoddija minn tubu tat-tnixxif li fih sferi tal-ġel tas-silika mnixxfa.Il-ġel tas-silika ma jinbidilx b'mod sinifikanti u l-bikarbonat tas-sodju li jqattar bil-fenolftaleina jassorbi l-HCl.Il-jone tal-kobalt fil-ġel tas-silika skulurat jifforma soluzzjoni ħadra b'Cl- u gradwalment isir bla kulur, li jindika li hemm kumpless tal-gass CO2 fit-tarf tat-tubu tat-tnixxif sferiku.Il-ġel tas-silika aħdar ċar jitqiegħed f'ilma distillat, u l-ġel tas-silika ikkulurit jinbidel gradwalment għal isfar, li jindika li l-HCl adsorbit mill-ġel tas-silika ġie desorbit fl-ilma.Ammont żgħir tas-soluzzjoni akwea ta 'fuq ġie miżjud mas-soluzzjoni tan-nitrat tal-fidda aċidifikata bl-aċidu nitriku biex tifforma preċipitat abjad.Ammont żgħir ta 'soluzzjoni milwiema titwaqqa' fuq firxa wiesgħa ta 'karta tat-test tal-pH, u l-karta tat-test issir ħamra, li tindika li s-soluzzjoni hija aċiduża.L-esperimenti ta 'hawn fuq juru li l-ġel tas-silika għandu assorbiment qawwi għall-gass HCl.HCl huwa molekula polari b'mod qawwi, u l-grupp hydroxyl fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika għandu wkoll polarità qawwija, u t-tnejn jistgħu jiffurmaw bonds tal-idroġenu intermolekulari jew għandhom interazzjoni dipol dipolu relattivament qawwija, li tirriżulta f'forza intermolekulari relattivament qawwija bejn il-wiċċ tas-silika ġel u molekuli HCl, għalhekk ġel tas-silika għandu assorbiment qawwi ta 'HCl.Għalhekk, l-aġent tat-tnixxif tas-silikon ma jistax jintuża biex jinxef il-ħarba ta 'HCl, jiġifieri, il-ġel tas-silika ma jassorbix CO2 jew jassorbi CO2 parzjalment biss.

FIG.5 Esplorazzjoni tal-ambitu tal-applikazzjoni tad-dessikant tal-ġel tas-silika — dijossidu tal-karbonju

Sabiex jiġi ppruvat l-assorbiment tal-ġel tas-silika għal gass tad-dijossidu tal-karbonju, jitkomplew l-esperimenti li ġejjin.Il-ballun tal-ġel tas-silika fit-tubu tat-tnixxif sferiku tneħħa, u l-parti kienet maqsuma f'soluzzjoni ta 'bikarbonat tas-sodju li tqattar phenolphthalein.Is-soluzzjoni tal-bikarbonat tas-sodju ġiet dekulur.Dan juri li l-ġel tas-silika jassorbi d-dijossidu tal-karbonju, u wara li jinħall fl-ilma, id-dijossidu tal-karbonju jinħall f'soluzzjoni tal-bikarbonat tas-sodju, u jagħmel is-soluzzjoni tal-bikarbonat tas-sodju fade.Il-parti li jifdal tal-ballun tas-silikonju tissaħħan f'tubu tat-test niexef, u l-gass li jirriżulta jiġi mgħoddi f'soluzzjoni ta 'bikarbonat tas-sodju li jqattar ma' phenolphthalein.Dalwaqt, is-soluzzjoni tal-bikarbonat tas-sodju tinbidel minn aħmar ċar għal bla kulur.Dan juri wkoll li l-ġel tas-silika għad għandu kapaċità ta 'assorbiment għall-gass CO2.Madankollu, il-forza ta 'assorbiment tal-ġel tas-silika fuq CO2 hija ħafna iżgħar minn dik ta' HCl, NH3 u SO2, u d-dijossidu tal-karbonju jista 'jiġi adsorbit biss parzjalment matul l-esperiment fil-Figura 5. Ir-raġuni għaliex il-ġel tas-silika jista' jassorbi parzjalment is-CO2 x'aktarx li tkun li ġel tas-silika u CO2 jiffurmaw rabtiet idroġenu intermolekulari Si — OH… O =C.Minħabba li l-atomu tal-karbonju ċentrali tas-CO2 huwa ibridu sp, u l-atomu tas-silikon fil-ġel tas-silika huwa ibridu sp3, il-molekula CO2 lineari ma tikkooperax tajjeb mal-wiċċ tal-ġel tas-silika, li tirriżulta fil-forza ta 'assorbiment tal-ġel tas-silika fuq id-dijossidu tal-karbonju hija relattivament żgħar.

3.Tqabbil bejn is-solubilità tal-erba 'gassijiet fl-ilma u l-istatus ta' adsorbiment fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika Mir-riżultati sperimentali ta 'hawn fuq, wieħed jista' jara li l-ġel tas-silika għandu kapaċità qawwija ta 'assorbiment għall-ammonja, klorur tal-idroġenu u dijossidu tal-kubrit, iżda forza żgħira ta' assorbiment għad-dijossidu tal-karbonju (ara Tabella 1).Dan huwa simili għas-solubilità tal-erba 'gassijiet fl-ilma.Dan jista 'jkun minħabba li l-molekuli tal-ilma fihom hydroxy-OH, u l-wiċċ tal-ġel tas-silika huwa wkoll għani fl-idroksil, għalhekk is-solubilità ta' dawn l-erba 'gassijiet fl-ilma hija simili ħafna għall-adsorbiment tagħha fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika.Fost it-tliet gassijiet tal-gass ta 'l-ammonja, klorur ta' l-idroġenu u dijossidu tal-kubrit, id-dijossidu tal-kubrit għandu l-iżgħar solubilità fl-ilma, iżda wara li jiġi adsorbit mill-ġel tas-silika, huwa l-aktar diffiċli biex jiġi desorbit fost it-tliet gassijiet.Wara li l-ġel tas-silika jassorbi l-ammonja u l-klorur tal-idroġenu, jista 'jiġi desorbit bl-ilma tas-solvent.Wara li l-gass tad-dijossidu tal-kubrit jiġi adsorbit mill-ġel tas-silika, huwa diffiċli li jiġi desorbit bl-ilma, u għandu jissaħħan għal desorbiment mill-wiċċ tal-ġel tas-silika.Għalhekk, l-assorbiment ta 'erba' gassijiet fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika għandu jiġi kkalkulat teoretikament.

4 Il-kalkolu teoretiku tal-interazzjoni bejn il-ġel tas-silika u erba' gassijiet huwa ppreżentat fis-softwer tal-kwantizzazzjoni ORCA [4] taħt il-qafas tat-teorija funzjonali tad-densità (DFT).Il-metodu DFT D/B3LYP/Def2 TZVP intuża biex jiġu kkalkulati l-modi ta 'interazzjoni u l-enerġiji bejn gassijiet differenti u ġel tas-silika.Sabiex jiġi ssimplifikat il-kalkolu, is-solidi tal-ġel tas-silika huma rappreżentati minn molekuli ta 'aċidu ortosiliċiku tetrameric.Ir-riżultati tal-kalkolu juru li H2 O, NH3 u HCl kollha jistgħu jiffurmaw bonds tal-idroġenu mal-grupp hydroxyl fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika (ara Figura 6a ~ c).Għandhom enerġija li torbot relattivament qawwija fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika (ara Tabella 2) u huma adsorbiti faċilment fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika.Peress li l-enerġija li torbot ta 'NH3 u HCl hija simili għal dik ta' H2 O, il-ħasil tal-ilma jista 'jwassal għal desorbiment ta' dawn iż-żewġ molekuli tal-gass.Għall-molekula SO2, l-enerġija li torbot tagħha hija biss -17.47 kJ/mol, li hija ħafna iżgħar mit-tliet molekuli ta 'hawn fuq.Madankollu, l-esperiment ikkonferma li l-gass SO2 huwa faċilment adsorbit fuq il-ġel tas-silika, u anke l-ħasil ma jistax desorbed dan, u t-tisħin biss jista 'jagħmel is-SO2 jaħrab mill-wiċċ tal-ġel tas-silika.Għalhekk, aħna guessed li SO2 x'aktarx li jgħaqqad ma 'H2 O fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika biex jiffurmaw frazzjonijiet H2 SO3.Il-Figura 6e turi li l-molekula H2 SO3 tifforma tliet rabtiet tal-idroġenu mal-atomi hydroxyl u ossiġnu fuq il-wiċċ tal-ġel tas-silika fl-istess ħin, u l-enerġija li torbot hija għolja daqs -76.63 kJ/mol, li jispjega għaliex SO2 adsorbit fuq il-ġel tas-silika huwa diffiċli biex jaħrab bl-ilma.CO2 mhux polari għandu l-abbiltà li torbot l-aktar dgħajfa bil-ġel tas-silika, u jista 'jkun biss parzjalment adsorbit mill-ġel tas-silika.Għalkemm l-enerġija li torbot ta 'H2 CO3 u ġel tas-silika laħqet ukoll -65.65 kJ/mol, ir-rata ta' konverżjoni ta 'CO2 għal H2 CO3 ma kinitx għolja, għalhekk ir-rata ta' assorbiment ta 'CO2 tnaqqset ukoll.Jista 'jidher mid-dejta ta' hawn fuq li l-polarità tal-molekula tal-gass mhix l-uniku kriterju biex tiġġudika jekk tistax tiġi adsorbita minn ġel tas-silika, u r-rabta tal-idroġenu ffurmata mal-wiċċ tal-ġel tas-silika hija r-raġuni ewlenija għall-adsorbiment stabbli tagħha.

Il-kompożizzjoni tal-ġel tas-silika hija SiO2 ·nH2 O, l-erja tal-wiċċ enormi tal-ġel tas-silika u l-grupp hydroxyl għani fuq il-wiċċ jagħmlu ġel tas-silika jista 'jintuża bħala dryer mhux tossiku b'rendiment eċċellenti, u huwa użat ħafna fil-produzzjoni u l-ħajja .F'dan id-dokument, huwa kkonfermat minn żewġ aspetti ta 'esperiment u kalkolu teoretiku li ġel tas-silika jista' jassorbi NH3, HCl, SO2, CO2 u gassijiet oħra permezz ta 'bonds ta' idroġenu intermolekulari, u għalhekk ġel tas-silika ma jistax jintuża għat-tnixxif ta 'dawn il-gassijiet.Il-kompożizzjoni tal-ġel tas-silika hija SiO2 ·nH2 O, l-erja tal-wiċċ enormi tal-ġel tas-silika u l-grupp hydroxyl għani fuq il-wiċċ jagħmlu ġel tas-silika jista 'jintuża bħala dryer mhux tossiku b'rendiment eċċellenti, u huwa użat ħafna fil-produzzjoni u l-ħajja .F'dan id-dokument, huwa kkonfermat minn żewġ aspetti ta 'esperiment u kalkolu teoretiku li ġel tas-silika jista' jassorbi NH3, HCl, SO2, CO2 u gassijiet oħra permezz ta 'bonds ta' idroġenu intermolekulari, u għalhekk ġel tas-silika ma jistax jintuża għat-tnixxif ta 'dawn il-gassijiet.

３
FIG.6 Modi ta 'interazzjoni bejn molekuli differenti u wiċċ tal-ġel tas-silika kkalkulati bil-metodu DFT