Na produción e na vida útil, o xel de sílice pódese usar para secar N2, aire, hidróxeno, gas natural [1], etc. Segundo ácido e álcali, o desecante pódese dividir en: desecante ácido, desecante alcalino e desecante neutro [2]. O xel de sílice parece ser un secador neutro que parece secar NH3, HCl, SO2, etc. Non obstante, desde o punto de vista principal, o xel de sílice está composto por deshidratación intermolecular tridimensional de moléculas de ácido ortosílíco, o corpo principal é SiO2, e a superficie é rica en grupos hidroxilo (ver Figura 1). O motivo polo que o xel de sílice pode absorber auga é que o grupo hidroxilo de silicio na superficie do xel de sílice pode formar enlaces de hidróxeno intermoleculares coas moléculas de auga, polo que pode absorber auga e desempeñar así un papel de secado. O xel de sílice que cambia de cor contén ións de cobalto e, despois de que a auga de adsorción alcanza a saturación, os ións de cobalto do xel de sílice que cambian de cor convértense en ións de cobalto hidratados, polo que o xel de sílice azul vólvese rosa. Despois de quentar o xel de sílice rosa a 200 ℃ durante un período de tempo, o enlace de hidróxeno entre o xel de sílice e as moléculas de auga rómpese e o xel de sílice descolorido volverá azularse, polo que o diagrama de estrutura do ácido silícico e do xel de sílice pode reutilizarse como se mostra na Figura 1. Polo tanto, dado que a superficie do xel de sílice é rica en grupos hidroxilo, a superficie do xel de sílice tamén pode formar enlaces de hidróxeno intermoleculares con NH3 e HCl, etc., e pode que non haxa forma de actuar como un desecante de NH3 e HCl, e non hai ningún informe relevante na literatura existente. Entón, cales foron os resultados? Esta materia realizou a seguinte investigación experimental.
FIG. 1 Diagrama de estrutura do ácido orto silícico e do xel de sílice
2 Parte do experimento
2.1 Exploración do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice - Amoníaco En primeiro lugar, o xel de sílice descolorido colocouse en auga destilada e auga amoníaca concentrada respectivamente. O xel de sílice descolorido vólvese rosado en auga destilada; No amoníaco concentrado, a silicona que cambia de cor primeiro vólvese vermella e lentamente vólvese azul claro. Isto mostra que o xel de sílice pode absorber NH3 ou NH3 ·H2 O en amoníaco. Como se mostra na Figura 2, o hidróxido de calcio sólido e o cloruro de amonio mestúranse uniformemente e quéntase nun tubo de ensaio. O gas resultante é eliminado por cal alcalina e despois por xel de sílice. A cor do xel de sílice preto da dirección de entrada faise máis clara (explorouse a cor do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice na Figura 2: amoníaco 73, a 8ª fase de 2023 é basicamente a mesma que a cor do xel de sílice empapado). en auga con amoníaco concentrada), e o papel de proba de pH non presenta cambios evidentes. Isto indica que o NH3 producido non chegou ao papel de proba de pH e quedou completamente adsorbido. Despois dun período de tempo, detén o quecemento, saca unha pequena parte da bola de xel de sílice, colócaa na auga destilada, engade fenolftaleína á auga, a solución vólvese vermella, o que indica que o xel de sílice ten un forte efecto de adsorción sobre NH3, despois de separar a auga destilada, NH3 entra na auga destilada, a solución é alcalina. Polo tanto, debido a que o xel de sílice ten unha forte adsorción de NH3, o axente de secado de silicona non pode secar o NH3.
FIG. 2 Exploración do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice: amoníaco
2.2 Exploración do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice: o cloruro de hidróxeno queima primeiro os sólidos de NaCl coa chama de alcohol para eliminar a auga mollada dos compoñentes sólidos. Despois de que a mostra se arrefríe, engádese ácido sulfúrico concentrado aos sólidos de NaCl para producir inmediatamente un gran número de burbullas. O gas xerado pásase a un tubo de secado esférico que contén xel de sílice e colócase un papel de proba de pH húmido ao final do tubo de secado. O xel de sílice na parte frontal vólvese verde claro e o papel de proba de pH húmido non presenta cambios evidentes (consulte a Figura 3). Isto mostra que o gas HCl xerado é completamente adsorbido polo xel de sílice e non escapa ao aire.
Figura 3 Investigación sobre o ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice - cloruro de hidróxeno
O xel de sílice adsorbido HCl e quedou verde claro foi colocado nun tubo de ensaio. Coloque o novo xel de sílice azul no tubo de ensaio, engade ácido clorhídrico concentrado, o xel de sílice tamén se fai de cor verde claro, as dúas cores son basicamente iguais. Isto mostra o gas de xel de sílice no tubo de secado esférico.
2.3 Exploración do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice — dióxido de xofre Ácido sulfúrico concentrado mesturado con tiosulfato de sodio sólido (ver figura 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2O; O gas xerado pásase a través do tubo de secado que contén o xel de sílice descolorido, o xel de sílice descolorido vólvese de cor azul-verde claro e o papel tornasol azul ao final do papel de proba húmido non cambia significativamente, o que indica que o gas SO2 xerado ten foi completamente adsorbida pola bola de xel de sílice e non pode escapar.
FIG. 4 Exploración do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice: dióxido de xofre
Quita unha parte da bola de xel de sílice e méteo en auga destilada. Despois do equilibrio completo, tome unha pequena cantidade de gota de auga sobre o papel de tornasol azul. O papel de proba non cambia significativamente, o que indica que a auga destilada non é suficiente para desorber o SO2 do xel de sílice. Colle unha pequena parte da bola de xel de sílice e quéntaa no tubo de ensaio. Poña papel tornasol azul mollado na boca do tubo de ensaio. O papel tornasol azul vólvese vermello, o que indica que o quecemento fai que o gas SO2 se desorba da bola de xel de sílice, polo que o papel tornasol se volva vermello. Os experimentos anteriores mostran que o xel de sílice tamén ten un forte efecto de adsorción sobre SO2 ou H2SO3 e non se pode usar para secar o gas SO2.
2.4 Exploración do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice — Dióxido de carbono
Como se mostra na Figura 5, a solución de bicarbonato de sodio que gotea fenolftaleína aparece de cor vermella clara. O sólido de bicarbonato de sodio quéntase e a mestura de gas resultante pásase por un tubo de secado que contén esferas de xel de sílice secas. O xel de sílice non cambia significativamente e o bicarbonato de sodio que gotea con fenolftaleína adsorbe o HCl. O ión cobalto do xel de sílice descolorido forma unha solución verde con Cl- e gradualmente vólvese incoloro, o que indica que hai un complexo de gas CO2 ao final do tubo de secado esférico. O xel de sílice verde claro colócase en auga destilada e o xel de sílice descolorido cambia gradualmente a amarelo, o que indica que o HCl adsorbido polo xel de sílice foi desorbido na auga. Engadiuse unha pequena cantidade da solución acuosa superior á solución de nitrato de prata acidificada por ácido nítrico para formar un precipitado branco. Unha pequena cantidade de solución acuosa bótase nunha ampla gama de papel de proba de pH e o papel de proba vólvese vermello, o que indica que a solución é ácida. Os experimentos anteriores mostran que o xel de sílice ten unha forte adsorción ao gas HCl. O HCl é unha molécula fortemente polar, e o grupo hidroxilo na superficie do xel de sílice tamén ten unha forte polaridade, e os dous poden formar enlaces de hidróxeno intermoleculares ou ter unha interacción dipolo dipolo relativamente forte, o que resulta nunha forza intermolecular relativamente forte entre a superficie da sílice. xel e moléculas de HCl, polo que o xel de sílice ten unha forte adsorción de HCl. Polo tanto, o axente de secado de silicona non se pode usar para secar a fuga de HCl, é dicir, o xel de sílice non adsorbe CO2 ou só absorbe parcialmente CO2.
FIG. 5 Exploración do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice: dióxido de carbono
Para probar a adsorción do xel de sílice ao gas de dióxido de carbono, continúan os seguintes experimentos. Eliminouse a bola de xel de sílice do tubo de secado esférico e dividiuse a parte en solución de bicarbonato de sodio que gotea fenolftaleína. Decolorouse a solución de bicarbonato de sodio. Isto mostra que o xel de sílice adsorbe o dióxido de carbono e, despois de ser soluble en auga, o dióxido de carbono se desorbe en solución de bicarbonato de sodio, facendo que a solución de bicarbonato de sodio se desvanece. A parte restante da bola de silicona quéntase nun tubo de ensaio seco e o gas resultante pásase a unha solución de bicarbonato de sodio que gotea con fenolftaleína. Pronto, a solución de bicarbonato de sodio pasa de vermello claro a incoloro. Isto tamén mostra que o xel de sílice aínda ten capacidade de adsorción para o gas CO2. Non obstante, a forza de adsorción do xel de sílice sobre o CO2 é moito menor que a do HCl, NH3 e SO2, e o dióxido de carbono só pode ser adsorbido parcialmente durante o experimento da Figura 5. A razón pola que o xel de sílice pode adsorber parcialmente o CO2 é probable que sexa que o xel de sílice e o CO2 forman enlaces de hidróxeno intermoleculares Si — OH… O =C. Debido a que o átomo de carbono central do CO2 é híbrido sp e o átomo de silicio do xel de sílice é un híbrido sp3, a molécula de CO2 lineal non coopera ben coa superficie do xel de sílice, polo que a forza de adsorción do xel de sílice sobre o dióxido de carbono é relativamente pequeno.
3.Comparación entre a solubilidade dos catro gases en auga e o estado de adsorción na superficie do xel de sílice A partir dos resultados experimentais anteriores, pódese ver que o xel de sílice ten unha forte capacidade de adsorción de amoníaco, cloruro de hidróxeno e dióxido de xofre, pero unha pequena forza de adsorción para o dióxido de carbono (ver táboa 1). Isto é semellante á solubilidade dos catro gases na auga. Isto pode deberse a que as moléculas de auga conteñen hidroxi-OH, e a superficie do xel de sílice tamén é rica en hidroxilo, polo que a solubilidade destes catro gases en auga é moi similar á súa adsorción na superficie do xel de sílice. Entre os tres gases do gas amoníaco, o cloruro de hidróxeno e o dióxido de xofre, o dióxido de xofre ten a menor solubilidade en auga, pero despois de ser adsorbido por xel de sílice, é o máis difícil de desorber entre os tres gases. Despois de que o xel de sílice adsorba amoníaco e cloruro de hidróxeno, pódese desorber con auga disolvente. Despois de que o gas de dióxido de xofre é adsorbido polo xel de sílice, é difícil a súa desorción con auga e debe ser quentado ata a desorción desde a superficie do xel de sílice. Polo tanto, a adsorción de catro gases na superficie do xel de sílice debe calcularse teoricamente.
4 O cálculo teórico da interacción entre o xel de sílice e catro gases preséntase no software de cuantización ORCA [4] no marco da teoría funcional da densidade (DFT). Utilizouse o método DFT D/B3LYP/Def2 TZVP para calcular os modos de interacción e enerxías entre diferentes gases e xel de sílice. Para simplificar o cálculo, os sólidos de xel de sílice represéntanse mediante moléculas de ácido ortosilícico tetrámero. Os resultados do cálculo mostran que H2O, NH3 e HCl poden formar enlaces de hidróxeno co grupo hidroxilo na superficie do xel de sílice (ver Figura 6a ~ c). Teñen unha enerxía de unión relativamente forte na superficie do xel de sílice (ver Táboa 2) e adórbense facilmente na superficie do xel de sílice. Dado que a enerxía de unión do NH3 e do HCl é semellante á do H2O, o lavado con auga pode provocar a desorción destas dúas moléculas de gas. Para a molécula de SO2, a súa enerxía de unión é só de -17,47 kJ/mol, que é moito menor que as tres moléculas anteriores. Non obstante, o experimento confirmou que o gas SO2 se adsorbe facilmente no xel de sílice, e nin sequera o lavado pode desorbelo, e só o quecemento pode facer que o SO2 escape da superficie do xel de sílice. Polo tanto, supuxemos que é probable que o SO2 se combine co H2O na superficie do xel de sílice para formar fraccións de H2SO3. A figura 6e mostra que a molécula de H2SO3 forma tres enlaces de hidróxeno cos átomos de hidroxilo e osíxeno na superficie do xel de sílice ao mesmo tempo, e a enerxía de unión é de -76,63 kJ/mol, o que explica por que o SO2 se adsorbe no o xel de sílice é difícil de eludir con auga. O CO2 non polar ten a capacidade de unión máis débil co xel de sílice e só pode ser adsorbido parcialmente polo xel de sílice. Aínda que a enerxía de unión de H2 CO3 e xel de sílice tamén alcanzou -65,65 kJ/mol, a taxa de conversión de CO2 a H2 CO3 non foi alta, polo que tamén se reduciu a taxa de adsorción de CO2. Pódese ver a partir dos datos anteriores que a polaridade da molécula de gas non é o único criterio para xulgar se pode ser adsorbida por xel de sílice, e que o enlace de hidróxeno formado coa superficie do xel de sílice é o principal motivo da súa adsorción estable.
A composición do xel de sílice é SiO2 ·nH2 O, a enorme superficie do xel de sílice e o rico grupo hidroxilo na superficie fan que o xel de sílice se poida usar como secador non tóxico cun excelente rendemento e úsase amplamente na produción e na vida útil. . Neste artigo, confírmase a partir de dous aspectos do experimento e do cálculo teórico que o xel de sílice pode adsorber NH3, HCl, SO2, CO2 e outros gases a través de enlaces de hidróxeno intermoleculares, polo que o xel de sílice non se pode usar para secar estes gases. A composición do xel de sílice é SiO2 ·nH2 O, a enorme superficie do xel de sílice e o rico grupo hidroxilo na superficie fan que o xel de sílice se poida usar como secador non tóxico cun excelente rendemento e úsase amplamente na produción e na vida útil. . Neste artigo, confírmase a partir de dous aspectos do experimento e do cálculo teórico que o xel de sílice pode adsorber NH3, HCl, SO2, CO2 e outros gases a través de enlaces de hidróxeno intermoleculares, polo que o xel de sílice non se pode usar para secar estes gases.
３
FIG. 6 Modos de interacción entre diferentes moléculas e superficie de xel de sílice calculados polo método DFT
Hora de publicación: 14-nov-2023
