Önümçilikde we durmuşda silisiýa jeli N2, howa, wodorod, tebigy gaz [1] we ş.m. guratmak üçin ulanylyp bilner. Kislota we aşgazana görä, desikant bölünip bilner: kislota desikant, gidroksidi desikant we bitarap desikant [2]. Silisiýa jeli, NH3, HCl, SO2 we ş.m. gury ýaly görünýän bitarap guradyjy ýaly bolup görünýär, ýöne esasy nukdaýnazardan seredeniňde, kremnit jeli ortosil turşulyk molekulalarynyň üç ölçegli intermolekulýar suwsuzlygyndan durýar, esasy bedeni SiO2, we ýerüsti gidroksil toparlara baý (1-nji surata serediň). Silisiýa jeliniň suwy siňdirmeginiň sebäbi, kremniniň geliniň üstündäki kremniý gidroksil toparynyň suw molekulalary bilen birek-birekli wodorod baglanyşyklaryny emele getirip biljekdigi, şonuň üçin suwy özüne çekip biljekdigi we guradyjy rol oýnap biljekdigi. Reňk üýtgedýän kremniniň jelinde kobalt ionlary bar we adsorbsion suw doýandan soň, reňk üýtgedýän kremniniň jelindäki kobalt ionlary gidratlanan kobalt ionlaryna öwrülýär, şonuň üçin gök kremniniň jeli gülgüne bolýar. Gülgüne kremniy jelini belli bir wagtlap 200 at gyzdyrandan soň, kremniniň jeli bilen suw molekulalarynyň arasyndaky wodorod baglanyşygy kesilýär we reňksiz kremniniň jeli kremniniň kislotasynyň we kremniniň geliniň gurluş diagrammasy bolup biler ýaly, ýene gök öwüsýär. 1-nji suratda görkezilişi ýaly gaýtadan ulanmak NH3 we HCl garyndysy, bar bolan edebiýatda degişli hasabat ýok. Netijeler näme? Bu mowzuk aşakdaky synag synaglaryny geçirdi.
FIG. 1 Orto-kremniniň kislotasynyň we kremniniň jeliniň gurluş diagrammasy
2 Synag bölümi
2.1 Silisiýa jeli desikantynyň ulanylyşynyň gerimini öwrenmek - Ammiak Ilki bilen reňkli silisiýa jeli degişlilikde distillendirilen suwda we konsentrirlenen ammiak suwunda ýerleşdirildi. Reňksiz silisiýa jeli distillendirilen suwda gülgüne öwrülýär; Konsentrirlenen ammiakda reňki üýtgedýän silikon ilki gyzyl öwüsýär we ýuwaş-ýuwaşdan açyk gök öwüsýär. Bu, kremniniň geliniň ammiakda NH3 ýa-da NH3 · H2 O siňdirip biljekdigini görkezýär. 2-nji suratda görkezilişi ýaly gaty kalsiý gidroksidi we ammiak hloridi deň derejede garylyp, synag turbasynda gyzdyrylýar. Alnan gaz aşgar hek, soň bolsa kremnit jel bilen aýrylýar. Giriş ugrunyň golaýyndaky kremniniň jeliniň reňki has ýitileşýär (2-nji suratda kremniy jel desikantynyň ulanylyş çäginiň reňki öwrenilýär - ammiak 73, 2023-nji ýylyň 8-nji tapgyry esasan kremniniň geliniň reňki bilen deňdir) konsentrirlenen ammiak suwunda) we pH synag kagyzynda hiç hili üýtgeşiklik ýok. Bu, öndürilen NH3-iň pH synag kagyzyna ýetmändigini we doly mahabatlandyrylandygyny görkezýär. Birnäçe wagtdan soň, ýyladyşy togtatyň, kremniniň jel topunyň kiçijik bölegini çykaryň, distillendirilen suwa salyň, suwa fenolftalein goşuň, ergin gyzyl reňkde bolýar, kremniniň geliniň güýçli adsorbsion täsirini görkezýär. NH3, distillendirilen suw bölünenden soň, NH3 distillendirilen suwa girýär, ergin aşgarlydyr. Şonuň üçin, kremniniň jeli NH3 üçin güýçli adsorbsiýa bolany üçin, silikon guradyjy serişde NH3-ni guradyp bilmeýär.
FIG. 2 Silisiýa gel desikant - ammiak ulanylyşynyň gerimini öwrenmek
2.2 Silisiýa jel desikantyny ulanmagyň gerimini öwrenmek - wodorod hlorid, gaty böleklerdäki çygly suwy aýyrmak üçin ilki NaCl jisimlerini alkogol çyrasy bilen ýakýar. Nusga sowadylandan soň, köp mukdarda köpürjik öndürmek üçin NaCl gaty jisimlerine konsentrirlenen kükürt kislotasy goşulýar. Öndürilen gaz, kremniniň jelini öz içine alýan sferik guradyjy turba geçirilýär we guradyjy turbanyň ujuna çygly pH synag kagyzy goýulýar. Öň tarapyndaky silisiýa jeli açyk ýaşyl öwüsýär we çygly pH synag kagyzynda hiç hili üýtgeşiklik ýok (3-nji surata serediň). Bu, öndürilen HCl gazynyň kremniniň jeli bilen doly özleşdirilendigini we howada gaçmaýandygyny görkezýär.
3-nji surat Silisiýa gel desikant - wodorod hloridiň ulanylyşynyň çäkleri boýunça gözleg
Silisiýa jeli HCl-ni adsorbsirledi we açyk ýaşyl reňk synag turbasyna ýerleşdirildi. Täze gök silisiýa jelini synag turbasyna salyň, konsentrirlenen gidroklor turşusyny goşuň, kremniniň jeli hem açyk ýaşyl reňkde bolýar, iki reňk esasan birmeňzeş. Bu, sferik guradyjy turbadaky kremniniň gel gazyny görkezýär.
2.3 Silisiýa gel desikantynyň - kükürt dioksidiniň natriý tiosulfat gaty bilen garylan konsentrirlenen kükürt kislotasy (4-nji surata serediň), NA2s2 O3 + H2 SO4 == Na2 SO4 + SO2 ↑ + S ↓ + H2 O; Öndürilen gaz, reňksiz kremniniň jelini öz içine alýan guradyjy turbadan geçýär, reňkli silisiýa jeli açyk gök-ýaşyl bolýar we çyg synag kagyzynyň soňundaky gök litmus kagyzy düýpgöter üýtgemeýär, bu öndürilen SO2 gazynyň bardygyny görkezýär. silisiýa jel topy bilen doly bezelipdir we gaçyp bilmeýär.
FIG. 4 Silisiýa gel desikant - kükürt dioksidini ulanmagyň gerimini öwrenmek
Silisiýa jel topunyň bir bölegini çykaryň we distillendirilen suwa salyň. Doly deňagramlylykdan soň, gök litmus kagyzyna az mukdarda suw damjasyny alyň. Synag kagyzy ep-esli üýtgemeýär, distillendirilen suwuň kremniniň jelinden SO2 zaýalanmagy üçin ýeterlik däldigini görkezýär. Silisiýa jel topunyň kiçijik bölegini alyň we synag turbasynda gyzdyryň. Synag turbasynyň agzyna çygly gök litmus kagyzy goýuň. Gök litmus kagyzy gyzyl reňkde bolýar, bu ýyladyşyň SO2 gazynyň kremniniň jel topundan zaýalanýandygyny görkezýär we şeýlelik bilen litmus kagyzy gyzarýar. Aboveokardaky synaglar, kremniniň geliniň SO2 ýa-da H2 SO3-de güýçli adsorbsion täsiriniň bardygyny we SO2 gazyny guratmak üçin ulanyp bolmaýandygyny görkezýär.
2.4 Silisiýa jel desikantynyň - Uglerod dioksidiniň ulanylyşynyň gerimini öwrenmek
5-nji suratda görkezilişi ýaly, damýan fenolftaleiniň natriý bikarbonat ergini açyk gyzyl görünýär. Natriý bikarbonat gaty gyzdyrylýar we emele gelen gaz garyndysy, guradylan kremniniň gel sferalaryny öz içine alýan guradyjy turbadan geçýär. Silisiýa jeli düýpgöter üýtgemeýär we fenolftalein bilen damýan natriý bikarbonat HCl-ni adsorbsirleýär. Reňksiz kremniniň jelindäki kobalt iony Cl- bilen ýaşyl ergin emele getirýär we sferik guradyjy turbanyň ahyrynda CO2 gaz toplumynyň bardygyny görkezýän ýuwaş-ýuwaşdan reňksiz bolýar. Aç-ýaşyl silisiýa jeli distillendirilen suwda goýulýar we reňksiz silisiýa jeli ýuwaş-ýuwaşdan sary reňkde bolýar, bu bolsa kremniniň jeli bilen bezelen HCl-iň suwuň düzümine girendigini görkezýär. Ak çökgünligi emele getirmek üçin azot kislotasy bilen kislotalaşan kümüş nitrat erginine ýokarky suw ergininiň az mukdary goşuldy. PH synag kagyzlarynyň köpüsine az mukdarda suw ergini taşlanýar we synag kagyzy gyzyl reňkde bolýar, bu erginiň kislotalydygyny görkezýär. Aboveokardaky synaglar, kremniniň geliniň HCl gazyna güýçli adsorbsiýasynyň bardygyny görkezýär. HCl güýçli polýar molekuladyr we kremniniň jeliniň üstündäki gidroksil topary hem güýçli polýarlyga eýe bolup, ikisi birek-birekli wodorod baglanyşyklaryny emele getirip biler ýa-da birneme güýçli dipol dipol täsirleşip biler, netijede kremniniň üstünde birneme güýçli intermolekulýar güýç bolup biler. jel we HCl molekulalary, şonuň üçin kremniniň gelinde HCl-iň güýçli adsorbsiýasy bar. Şonuň üçin, silikon guradyjy serişdäni HCl gaçmagyny guratmak üçin ulanyp bolmaýar, ýagny kremniniň jeli CO2-ni adsorb etmeýär ýa-da diňe CO2-ni adsorb edýär.
FIG. 5 Silisiýa gel desikant - kömürturşy gazyny ulanmagyň gerimini öwrenmek
Silisiýa jeliniň kömürturşy gazyna siňmegini subut etmek üçin aşakdaky synaglar dowam edýär. Sferiki guradyjy turbadaky silisiýa jel topy aýryldy we bölegi fenolftaleiniň damýan natriý bikarbonat erginine bölündi. Natriý bikarbonat ergini bezeldi. Bu, kremniniň geliniň kömürturşy gazyny emele getirýändigini we suwda eränsoň, natriý bikarbonat ergininiň kömürturşy gazynyň natriý bikarbonat erginine öwrülmegini görkezýär. Silikon topunyň galan bölegi gury synag turbasynda gyzdyrylýar we emele gelen gaz fenolftalein bilen damýan natriý bikarbonat erginine geçýär. Tizara natriý bikarbonat ergini açyk gyzyl reňkden üýtgeýär. Şeýle hem, kremniniň geliniň CO2 gazy üçin adsorbsion kuwwatynyň bardygyny görkezýär. Şeýle-de bolsa, CO2-de kremniniň jeliniň adsorbsion güýji HCl, NH3 we SO2-den has kiçi we 5-nji suratda geçirilen synag wagtynda kömürturşy gazy diňe bölekleýin adsorbsiýa edilip bilner. kremniniň jeli we CO2 birek-birekli wodorod baglanyşyklaryny emele getirýär Si - OH… O = C. CO2-iň merkezi uglerod atomy sp gibrid we kremniý jeldäki kremniy atomy sp3 gibrid bolany üçin, çyzykly CO2 molekulasy kremniniň geliniň üstü bilen gowy hyzmatdaşlyk etmeýär, netijede kremniniň geliniň uglerod dioksidinde adsorbsion güýji bolýar. kiçi.
3. Suwdaky dört gazyň erginligi bilen kremniniň geliniň üstündäki adsorbsion ýagdaýynyň arasyndaky deňeşdirme aboveokardaky synag synaglaryndan, kremniniň geliniň ammiak, wodorod hloridi we kükürt dioksidi üçin güýçli adsorbsion kuwwatynyň bardygyny görmek bolýar, ýöne kömürturşy gazy üçin kiçijik adsorbsion güýji (1-nji tablisa serediň). Bu suwdaky dört gazyň erginine meňzeýär. Munuň sebäbi suw molekulalarynda gidroksi-OH bolup, kremniniň geliniň üstü hem gidroksile baý bolmagy sebäpli bolup biler, şonuň üçin bu dört gazyň suwda eremegi, kremniniň jeliniň üstündäki adsorbsiýasyna gaty meňzeýär. Ammiak gazynyň, wodorod hloridiň we kükürt dioksidiniň üç gazynyň arasynda kükürt dioksidi suwda iň az erginine eýe, ýöne kremniniň jeli bilen adsorbsiýa edilenden soň, üç gazyň arasynda siňdirilmegi iň kyn. Silisiýa jeli ammiak we wodorod hloridini emele getirenden soň, ony çözüji suw bilen zaýalap bolýar. Kükürt dioksid gazy kremniniň jeli bilen emele gelenden soň, suw bilen desorpsiýa etmek kyn we kremniniň jeliniň üstünden desorpsiýa çenli gyzdyrylmaly. Şonuň üçin kremniniň jeliniň üstündäki dört gazyň adsorbsiýasy teoretiki taýdan hasaplanmalydyr.
4 Silisiýa jeli bilen dört gazyň özara täsirini nazary taýdan hasaplamak, dykyzlyk funksiýa nazaryýetiniň (DFT) çäginde kwantizasiýa ORCA programma üpjünçiliginde görkezilýär [4]. DFT D / B3LYP / Def2 TZVP usuly dürli gazlar bilen kremniniň jeliniň arasyndaky täsir ediş rejelerini we energiýalaryny hasaplamak üçin ulanyldy. Hasaplamany ýönekeýleşdirmek üçin kremniniň jel jisimleri tetrameriki ortosil turşusy molekulalary bilen aňladylýar. Hasaplama netijeleri, H2 O, NH3 we HCl, kremniniň geliniň üstündäki gidroksil topary bilen wodorod baglanyşyklaryny emele getirip biljekdigini görkezýär (6a ~ c surata serediň). Silisiýa jeliniň üstünde birneme berk baglanyşyk energiýasy bar (2-nji tablisa serediň) we kremniniň jeliniň üstünde aňsatlyk bilen ýerleşdirilýär. NH3 we HCl-iň birleşdiriji energiýasy H2 O bilen meňzeş bolany üçin, suw ýuwulmagy bu iki gaz molekulasynyň zaýalanmagyna sebäp bolup biler. SO2 molekulasy üçin onuň baglaýjy energiýasy diňe -17,47 kJ / mol, ýokardaky üç molekuladan has kiçi. Şeýle-de bolsa, synag SO2 gazynyň kremniniň jeline aňsatlyk bilen siňdirilýändigini, hatda ýuwmagyň hem ony zaýalap bilmejekdigini we diňe ýyladyş SO2 kremniniň jeliniň üstünden gaçyp biljekdigini tassyklady. Şol sebäpden, SO2 kremniniň geliniň üstünde H2 O bilen birleşip, H2 SO3 fraksiýalaryny emele getirer diýip çakladyk. 6e-nji suratda, H2 SO3 molekulasynyň kremniniň jeliniň üstündäki gidroksil we kislorod atomlary bilen üç sany wodorod baglanyşygy emele getirýändigi we birleşdiriji energiýanyň -76,63 kJ / mol bolup, SO2-iň adsorbsiýasynyň sebäbini görkezýär. kremniniň jeli suw bilen gaçmak kyn. Polýar däl CO2, kremniniň jeli bilen iň gowşak baglaýjy ukybyna eýedir we diňe kremniniň jeli bilen bölekleýin adsorirlenip bilner. H2 CO3 we kremniniň jeliniň birleşdiriji energiýasy -65,65 kJ / mol-a ýeten hem bolsa, CO2-den H2 CO3-e öwrülmegi ýokary däldi, şonuň üçin CO2-iň adsorbsion tizligi hem azaldy. Aboveokardaky maglumatlardan gaz molekulasynyň polýarlygynyň kremniniň jeli bilen adsorbsiýa edilip bilinjekdigini kesgitlemek üçin ýeke-täk kriteriýa däldigini, kremniniň geliniň üstünde emele gelen wodorod baglanyşygynyň durnukly adsorbsiýasynyň esasy sebäbidigini görmek bolýar.
Silisiýa jeliniň düzümi SiO2 · nH2 O, kremniniň jeliniň ägirt uly meýdany we üstündäki baý gidroksil topary silisiýa jelini ajaýyp öndürijiligi bilen zäherli guradyjy hökmünde ulanyp, önümçilikde we durmuşda giňden ulanylýar. . Bu kagyzda, kremniniň geliniň NH3, HCl, SO2, CO2 we beýleki gazlary birek-birege wodorod baglanyşyklary arkaly siňdirip biljekdigi synag we teoretiki hasaplamanyň iki tarapyndan tassyklanýar, şonuň üçin kremniý jeli bu gazlary guratmak üçin ulanylyp bilinmez. Silisiýa jeliniň düzümi SiO2 · nH2 O, kremniniň jeliniň ägirt uly meýdany we üstündäki baý gidroksil topary silisiýa jelini ajaýyp öndürijiligi bilen zäherli guradyjy hökmünde ulanyp, önümçilikde we durmuşda giňden ulanylýar. . Bu kagyzda, kremniniň geliniň NH3, HCl, SO2, CO2 we beýleki gazlary birek-birege wodorod baglanyşyklary arkaly siňdirip biljekdigi synag we teoretiki hasaplamanyň iki tarapyndan tassyklanýar, şonuň üçin kremniý jeli bu gazlary guratmak üçin ulanylyp bilinmez.
３
FIG. 6 DFT usuly bilen hasaplanan dürli molekulalar bilen kremniniň gel ýüzüniň arasyndaky täsir ediş tertibi
Iş wagty: Noýabr-14-2023
