Mewn cynhyrchu a bywyd, gellir defnyddio gel silica i sychu N2, aer, hydrogen, nwy naturiol [1] ac yn y blaen. Yn ôl asid ac alcali, gellir rhannu desiccant yn: desiccant asid, desiccant alcalïaidd a desiccant niwtral [2]. Mae'n ymddangos bod gel silica yn sychwr niwtral sy'n ymddangos yn sychu NH3, HCl, SO2, ac ati Fodd bynnag, o'r prif safbwynt, mae gel silica yn cynnwys dadhydradiad rhyngfoleciwlaidd tri dimensiwn o moleciwlau asid orthosilicic, y prif gorff yw SiO2, ac mae'r wyneb yn gyfoethog mewn grwpiau hydrocsyl (gweler Ffigur 1). Y rheswm pam y gall gel silica amsugno dŵr yw y gall y grŵp hydroxyl silicon ar wyneb gel silica ffurfio bondiau hydrogen rhyngfoleciwlaidd â moleciwlau dŵr, felly gall arsugniad dŵr ac felly chwarae rôl sychu. Mae'r gel silica sy'n newid lliw yn cynnwys ïonau cobalt, ac ar ôl i'r dŵr arsugniad gyrraedd dirlawnder, mae'r ïonau cobalt yn y gel silica sy'n newid lliw yn dod yn ïonau cobalt hydradol, fel bod y gel silica glas yn dod yn binc. Ar ôl gwresogi'r gel silica pinc ar 200 ℃ am gyfnod o amser, mae'r bond hydrogen rhwng y gel silica a'r moleciwlau dŵr yn torri, a bydd y gel silica afliwiedig yn troi'n las eto, fel bod diagram strwythur yr asid silicig a'r gel silica yn gallu cael ei ailddefnyddio fel y dangosir yn Ffigur 1. Felly, gan fod wyneb gel silica yn gyfoethog mewn grwpiau hydroxyl, gall wyneb gel silica hefyd ffurfio bondiau hydrogen rhyngfoleciwlaidd â NH3 a HCl, ac ati, ac efallai na fydd unrhyw ffordd i weithredu fel desiccant o NH3 a HCl, ac nid oes adroddiad perthnasol yn y llenyddiaeth bresennol. Felly beth oedd y canlyniadau? Mae'r pwnc hwn wedi gwneud yr ymchwil arbrofol a ganlyn.
FFIG. 1 Diagram strwythur o asid ortho-silicic a gel silica
2 Rhan Arbrawf
2.1 Archwilio cwmpas y defnydd o desiccant gel silica — Amonia Yn gyntaf, gosodwyd y gel silica afliwiedig mewn dŵr distyll a dŵr amonia crynodedig yn y drefn honno. Mae gel silica afliwiedig yn troi'n binc mewn dŵr distyll; Mewn amonia crynodedig, mae'r silicon sy'n newid lliw yn troi'n goch yn gyntaf ac yn troi'n las golau yn araf. Mae hyn yn dangos y gall gel silica amsugno NH3 neu NH3 ·H2 O mewn amonia. Fel y dangosir yn Ffigur 2, mae calsiwm hydrocsid solet ac amoniwm clorid wedi'u cymysgu'n gyfartal a'u gwresogi mewn tiwb prawf. Mae'r nwy canlyniadol yn cael ei dynnu gan galch alcali ac yna gan gel silica. Mae lliw y gel silica ger cyfeiriad y fynedfa yn dod yn ysgafnach (archwilir lliw cwmpas cymhwysiad y desiccant gel silica yn Ffigur 2 - amonia 73, mae 8fed cam 2023 yn y bôn yr un fath â lliw y gel silica wedi'i socian mewn dŵr amonia crynodedig), ac nid oes gan y papur prawf pH unrhyw newid amlwg. Mae hyn yn dangos nad yw'r NH3 a gynhyrchwyd wedi cyrraedd y papur prawf pH, a'i fod wedi'i arsugno'n llwyr. Ar ôl cyfnod o amser, stopiwch y gwres, tynnwch ran fach o'r bêl gel silica, rhowch hi yn y dŵr distyll, ychwanegwch ffenolffthalein i'r dŵr, mae'r ateb yn troi'n goch, gan nodi bod gan y gel silica effaith arsugniad cryf ar NH3, ar ôl i'r dŵr distyll gael ei ddatgysylltu, mae NH3 yn mynd i mewn i'r dŵr distyll, mae'r ateb yn alcalïaidd. Felly, oherwydd bod gan y gel silica arsugniad cryf ar gyfer NH3, ni all yr asiant sychu silicon sychu NH3.
FFIG. 2 Archwilio cwmpas y defnydd o sychydd gel silica — amonia
2.2 Archwilio cwmpas cymhwyso desiccant gel silica - hydrogen clorid yn gyntaf yn llosgi solidau NaCl gyda fflam lamp alcohol i gael gwared ar y dŵr gwlyb yn y cydrannau solet. Ar ôl i'r sampl gael ei oeri, mae asid sylffwrig crynodedig yn cael ei ychwanegu at solidau NaCl i gynhyrchu nifer fawr o swigod ar unwaith. Mae'r nwy a gynhyrchir yn cael ei drosglwyddo i diwb sychu sfferig sy'n cynnwys gel silica, a gosodir papur prawf pH gwlyb ar ddiwedd y tiwb sychu. Mae'r gel silica ar y pen blaen yn troi'n wyrdd golau, ac nid oes gan y papur prawf pH gwlyb unrhyw newid amlwg (gweler Ffigur 3). Mae hyn yn dangos bod y nwy HCl a gynhyrchir yn cael ei arsugno'n llwyr gan gel silica ac nad yw'n dianc i'r aer.
Ffigur 3 Ymchwil i gwmpas cymhwyso sychydd gel silica — hydrogen clorid
Gosodwyd y gel silica arsugniad HCl a'i droi'n wyrdd golau mewn tiwb profi. Rhowch y gel silica glas newydd yn y tiwb prawf, ychwanegwch asid hydroclorig crynodedig, mae gel silica hefyd yn dod yn lliw gwyrdd golau, mae'r ddau liw yn y bôn yr un peth. Mae hyn yn dangos y nwy gel silica yn y tiwb sychu sfferig.
2.3 Archwilio cwmpas taenu desiccant gel silica — sylffwr deuocsid Asid sylffwrig crynodedig cymysg gyda sodiwm thiosylffad solet (gweler Ffigur 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Mae'r nwy a gynhyrchir yn cael ei basio trwy'r tiwb sychu sy'n cynnwys y gel silica afliwiedig, mae'r gel silica afliwiedig yn troi'n laswyrdd golau, ac nid yw'r papur litmws glas ar ddiwedd y papur prawf gwlyb yn newid yn sylweddol, sy'n dangos bod y nwy SO2 a gynhyrchir wedi wedi'i arsugno'n llwyr gan y bêl gel silica ac ni all ddianc.
FFIG. 4 Archwilio cwmpas y defnydd o sychydd gel silica — sylffwr deuocsid
Tynnwch ran o'r bêl gel silica a'i rhoi mewn dŵr distyll. Ar ôl cydbwysedd llawn, cymerwch ychydig o ddiferyn dŵr ar y papur litmws glas. Nid yw'r papur prawf yn newid yn sylweddol, sy'n dangos nad yw dŵr distyll yn ddigon i ddadsorbio SO2 o'r gel silica. Cymerwch ran fach o'r bêl gel silica a'i chynhesu yn y tiwb prawf. Rhowch bapur litmws glas gwlyb yng ngheg y tiwb profi. Mae'r papur litmws glas yn troi'n goch, sy'n dangos bod gwresogi yn gwneud i nwy SO2 gael ei ddadsugno o'r bêl gel silica, gan wneud i'r papur litmws droi'n goch. Mae'r arbrofion uchod yn dangos bod gel silica hefyd yn cael effaith arsugniad cryf ar SO2 neu H2 SO3, ac ni ellir ei ddefnyddio ar gyfer sychu nwy SO2.
2.4 Archwilio cwmpas y defnydd o sychydd gel silica — Carbon deuocsid
Fel y dangosir yn Ffigur 5, mae hydoddiant sodiwm bicarbonad sy'n diferu ffenolffthalein yn ymddangos yn goch golau. Mae'r solid sodiwm bicarbonad yn cael ei gynhesu ac mae'r cymysgedd nwy canlyniadol yn cael ei basio trwy diwb sychu sy'n cynnwys sfferau gel silica sych. Nid yw'r gel silica yn newid yn sylweddol ac mae'r sodiwm bicarbonad sy'n diferu â ffenolffthalein yn amsugno'r HCl. Mae'r ïon cobalt yn y gel silica afliwiedig yn ffurfio datrysiad gwyrdd gyda Cl- ac yn raddol yn dod yn ddi-liw, sy'n dangos bod cymhlyg nwy CO2 ar ddiwedd y tiwb sychu sfferig. Rhoddir y gel silica gwyrdd golau mewn dŵr distyll, ac mae'r gel silica afliwiedig yn newid yn raddol i felyn, sy'n dangos bod yr HCl sydd wedi'i arsugno gan gel silica wedi'i ddadsorbio i'r dŵr. Ychwanegwyd ychydig bach o'r hydoddiant dyfrllyd uchaf at yr hydoddiant arian nitrad wedi'i asideiddio gan asid nitrig i ffurfio gwaddod gwyn. Mae swm bach o hydoddiant dyfrllyd yn cael ei ollwng ar ystod eang o bapur prawf pH, ac mae'r papur prawf yn troi'n goch, gan nodi bod yr hydoddiant yn asidig. Mae'r arbrofion uchod yn dangos bod gan gel silica arsugniad cryf i nwy HCl. Mae HCl yn foleciwl pegynol cryf, ac mae gan y grŵp hydroxyl ar wyneb gel silica hefyd bolaredd cryf, a gall y ddau ffurfio bondiau hydrogen rhyngfoleciwlaidd neu fod â rhyngweithiad deupol deupol cymharol gryf, gan arwain at rym rhyngfoleciwlaidd cymharol gryf rhwng wyneb silica moleciwlau gel a HCl, felly mae gan gel silica arsugniad cryf o HCl. Felly, ni ellir defnyddio asiant sychu silicon i sychu dianc HCl, hynny yw, nid yw'r gel silica yn adsorb CO2 neu dim ond yn rhannol arsugniad CO2.
FFIG. 5 Archwilio cwmpas y defnydd o desiccant gel silica — carbon deuocsid
Er mwyn profi arsugniad gel silica i nwy carbon deuocsid, mae'r arbrofion canlynol yn parhau. Tynnwyd y bêl gel silica yn y tiwb sychu sfferig, a rhannwyd y rhan yn ateb sodiwm bicarbonad yn diferu ffenolffthalein. Roedd yr hydoddiant sodiwm bicarbonad wedi'i ddadliwio. Mae hyn yn dangos bod gel silica yn amsugno carbon deuocsid, ac ar ôl hydawdd mewn dŵr, mae carbon deuocsid yn dadsorbio i doddiant sodiwm bicarbonad, gan wneud i hydoddiant sodiwm bicarbonad bylu. Mae'r rhan sy'n weddill o'r bêl silicon yn cael ei gynhesu mewn tiwb prawf sych, ac mae'r nwy canlyniadol yn cael ei drosglwyddo i doddiant o sodiwm bicarbonad sy'n diferu â ffenolffthalein. Yn fuan, mae'r hydoddiant sodiwm bicarbonad yn newid o goch golau i ddi-liw. Mae hyn hefyd yn dangos bod gan gel silica gapasiti arsugniad o hyd ar gyfer nwy CO2. Fodd bynnag, mae grym arsugniad gel silica ar CO2 yn llawer llai na grym HCl, NH3 a SO2, a dim ond yn rhannol y gellir arsugniad carbon deuocsid yn ystod yr arbrawf yn Ffigur 5. Mae'n debygol mai'r rheswm pam y gall gel silica arsugniad rhannol CO2 yw bod gel silica a CO2 yn ffurfio bondiau hydrogen rhyngfoleciwlaidd Si — OH… O =C. Oherwydd bod yr atom carbon canolog o CO2 yn hybrid sp, ac mae'r atom silicon mewn gel silica yn hybrid sp3, nid yw'r moleciwl llinol CO2 yn cydweithredu'n dda ag arwyneb gel silica, gan arwain at rym arsugniad gel silica ar garbon deuocsid yn gymharol bach.
3.Comparison rhwng hydoddedd y pedwar nwy mewn dŵr a'r statws arsugniad ar wyneb gel silica O'r canlyniadau arbrofol uchod, gellir gweld bod gan gel silica allu arsugniad cryf ar gyfer amonia, hydrogen clorid a sylffwr deuocsid, ond grym arsugniad bach ar gyfer carbon deuocsid (gweler Tabl 1). Mae hyn yn debyg i hydoddedd y pedwar nwy mewn dŵr. Gall hyn fod oherwydd bod moleciwlau dŵr yn cynnwys hydroxy-OH, ac mae wyneb gel silica hefyd yn gyfoethog mewn hydroxyl, felly mae hydoddedd y pedwar nwy hyn mewn dŵr yn debyg iawn i'w arsugniad ar wyneb gel silica. Ymhlith y tri nwy o nwy amonia, hydrogen clorid a sylffwr deuocsid, sylffwr deuocsid sydd â'r hydoddedd lleiaf mewn dŵr, ond ar ôl cael ei arsugniad gan gel silica, dyma'r mwyaf anodd ei ddadsugniad ymhlith y tri nwy. Ar ôl i'r gel silica amsugno amonia a hydrogen clorid, gellir ei ddadsorbio â dŵr toddyddion. Ar ôl i'r nwy sylffwr deuocsid gael ei arsugnu gan gel silica, mae'n anodd ei ddadsugniad â dŵr, a rhaid ei gynhesu i ddadsugniad o wyneb gel silica. Felly, rhaid cyfrifo arsugniad pedwar nwy ar wyneb gel silica yn ddamcaniaethol.
4 Cyflwynir cyfrifiad damcaniaethol o'r rhyngweithio rhwng gel silica a phedwar nwy yn y meddalwedd cwantwmeiddio ORCA [4] o dan fframwaith theori swyddogaethol dwysedd (DFT). Defnyddiwyd y dull DFT D/B3LYP/Def2 TZVP i gyfrifo'r dulliau rhyngweithio a'r egni rhwng gwahanol nwyon a gel silica. Er mwyn symleiddio'r cyfrifiad, cynrychiolir solidau gel silica gan moleciwlau asid tetramerig orthosilicic. Mae canlyniadau'r cyfrifiad yn dangos y gall H2 O, NH3 a HCl i gyd ffurfio bondiau hydrogen gyda'r grŵp hydrocsyl ar wyneb gel silica (gweler Ffigur 6a ~ c). Mae ganddyn nhw egni rhwymo cymharol gryf ar yr wyneb gel silica (gweler Tabl 2) ac maen nhw'n hawdd eu hamsugno ar yr wyneb gel silica. Gan fod egni rhwymo NH3 a HCl yn debyg i egni H2 O, gall golchi dŵr arwain at ddadsugniad y ddau foleciwl nwy hyn. Ar gyfer y moleciwl SO2, dim ond -17.47 kJ/mol yw ei egni rhwymo, sy'n llawer llai na'r tri moleciwl uchod. Fodd bynnag, cadarnhaodd yr arbrawf fod nwy SO2 yn cael ei adsorbio'n hawdd ar y gel silica, ac ni all golchi hyd yn oed ei ddadsorbio, a dim ond gwresogi all wneud i SO2 ddianc o wyneb y gel silica. Felly, gwnaethom ddyfalu bod SO2 yn debygol o gyfuno â H2 O ar wyneb gel silica i ffurfio ffracsiynau H2 SO3. Mae Ffigur 6e yn dangos bod y moleciwl H2 SO3 yn ffurfio tri bond hydrogen gyda'r atomau hydroxyl ac ocsigen ar wyneb y gel silica ar yr un pryd, ac mae'r egni rhwymo mor uchel â -76.63 kJ/mol, sy'n esbonio pam mae SO2 wedi'i arsugno ar mae'n anodd osgoi'r gel silica â dŵr. Mae gan CO2 nad yw'n begynol y gallu rhwymo gwannaf gyda gel silica, a dim ond gel silica y gellir ei arsugnu'n rhannol. Er bod egni rhwymol H2 CO3 a gel silica hefyd wedi cyrraedd -65.65 kJ/mol, nid oedd y gyfradd trosi CO2 i H2 CO3 yn uchel, felly gostyngwyd cyfradd arsugniad CO2 hefyd. Gellir gweld o'r data uchod nad polaredd y moleciwl nwy yw'r unig faen prawf i farnu a ellir ei arsugnu gan gel silica, a'r bond hydrogen a ffurfiwyd gyda'r wyneb gel silica yw'r prif reswm dros ei arsugniad sefydlog.
Cyfansoddiad gel silica yw SiO2 · nH2 O, gellir defnyddio arwynebedd arwyneb enfawr gel silica a'r grŵp hydroxyl cyfoethog ar yr wyneb yn gwneud gel silica fel sychwr diwenwyn gyda pherfformiad rhagorol, ac fe'i defnyddir yn helaeth mewn cynhyrchu a bywyd. . Yn y papur hwn, cadarnheir o ddwy agwedd ar arbrawf a chyfrifiad damcaniaethol y gall gel silica arsugniad NH3, HCl, SO2, CO2 a nwyon eraill trwy fondiau hydrogen rhyngfoleciwlaidd, felly ni ellir defnyddio gel silica ar gyfer sychu'r nwyon hyn. Cyfansoddiad gel silica yw SiO2 · nH2 O, gellir defnyddio arwynebedd arwyneb enfawr gel silica a'r grŵp hydroxyl cyfoethog ar yr wyneb yn gwneud gel silica fel sychwr diwenwyn gyda pherfformiad rhagorol, ac fe'i defnyddir yn helaeth mewn cynhyrchu a bywyd. . Yn y papur hwn, cadarnheir o ddwy agwedd ar arbrawf a chyfrifiad damcaniaethol y gall gel silica arsugniad NH3, HCl, SO2, CO2 a nwyon eraill trwy fondiau hydrogen rhyngfoleciwlaidd, felly ni ellir defnyddio gel silica ar gyfer sychu'r nwyon hyn.
３
FFIG. 6 Dulliau rhyngweithio rhwng gwahanol foleciwlau ac arwyneb gel silica wedi'u cyfrifo trwy ddull DFT
Amser postio: Tachwedd-14-2023
