Investigación sobre o ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice

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 (a cor do ámbito de aplicación do desecante de xel de sílice na Figura 2 é explorada: 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. O motivo polo 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 pequena.

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 de osíxeno na superficie do xel de sílice ao mesmo tempo, e a enerxía de unión é tan alta como -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