Pesquisa sobre o escopo de aplicação do dessecante de sílica gel

Na produção e na vida, a sílica gel pode ser usada para secar N2, ar, hidrogênio, gás natural [1] e assim por diante. De acordo com ácido e álcali, o dessecante pode ser dividido em: dessecante ácido, dessecante alcalino e dessecante neutro [2]. A sílica gel parece ser um secador neutro que parece secar NH3, HCl, SO2, etc. Porém, do ponto de vista principal, a sílica gel é composta de desidratação intermolecular tridimensional de moléculas de ácido ortossilícico, o corpo principal é SiO2, e a superfície é rica em grupos hidroxila (ver Figura 1). A razão pela qual a sílica gel pode absorver água é que o grupo hidroxila do silício na superfície da sílica gel pode formar ligações de hidrogênio intermoleculares com as moléculas de água, de modo que pode adsorver água e, assim, desempenhar um papel de secagem. A sílica gel que muda de cor contém íons de cobalto e, depois que a água de adsorção atinge a saturação, os íons de cobalto na sílica gel que muda de cor tornam-se íons de cobalto hidratados, de modo que a sílica gel azul fica rosa. Depois de aquecer a sílica gel rosa a 200 ℃ por um período de tempo, a ligação de hidrogênio entre a sílica gel e as moléculas de água se quebra, e a sílica gel descolorida ficará azul novamente, de modo que o diagrama de estrutura do ácido silícico e da sílica gel possa ser reutilizado conforme mostrado na Figura 1. Assim, como a superfície da sílica gel é rica em grupos hidroxila, a superfície da sílica gel também pode formar ligações de hidrogênio intermoleculares com NH3 e HCl, etc., e pode não haver maneira de atuar como um dessecante de NH3 e HCl, e não há relato relevante na literatura existente. Então, quais foram os resultados? Este sujeito fez a seguinte pesquisa experimental.

FIGO. 1 Diagrama estrutural do ácido ortossilícico e do gel de sílica

2 Parte Experimental
2.1 Exploração do escopo de aplicação do dessecante de sílica gel - Amônia Primeiro, a sílica gel descolorida foi colocada em água destilada e água concentrada de amônia, respectivamente. A sílica gel descolorida fica rosa em água destilada; Na amônia concentrada, o silicone que muda de cor primeiro fica vermelho e lentamente fica azul claro. Isto mostra que a sílica gel pode absorver NH3 ou NH3·H2O em amônia. Conforme mostrado na Figura 2, o hidróxido de cálcio sólido e o cloreto de amônio são misturados uniformemente e aquecidos em um tubo de ensaio. O gás resultante é removido por cal alcalina e depois por sílica gel. A cor da sílica gel próxima à direção de entrada torna-se mais clara (a cor do escopo de aplicação do dessecante de sílica gel na Figura 2 é explorada - amônia 73, a 8ª fase de 2023 é basicamente a mesma que a cor da sílica gel embebida em água concentrada com amônia), e o papel de teste de pH não apresenta alterações óbvias. Isto indica que o NH3 produzido não atingiu o papel de teste de pH e foi completamente adsorvido. Após um período de tempo, pare o aquecimento, retire uma pequena parte da bola de sílica gel, coloque-a na água destilada, adicione fenolftaleína à água, a solução fica vermelha, indicando que a sílica gel tem um forte efeito de adsorção em NH3, depois que a água destilada é separada, o NH3 entra na água destilada, a solução é alcalina. Portanto, como a sílica gel tem uma forte adsorção de NH3, o agente secante de silicone não pode secar o NH3.

FIGO. 2 Exploração do escopo de aplicação do dessecante de sílica gel - amônia

2.2 Exploração do escopo de aplicação do dessecante de sílica gel - o cloreto de hidrogênio primeiro queima os sólidos de NaCl com a chama de uma lâmpada de álcool para remover a água úmida dos componentes sólidos. Após o resfriamento da amostra, ácido sulfúrico concentrado é adicionado aos sólidos de NaCl para produzir imediatamente um grande número de bolhas. O gás gerado é passado para um tubo de secagem esférico contendo sílica gel e um papel de teste de pH úmido é colocado na extremidade do tubo de secagem. O gel de sílica na extremidade frontal fica verde claro e o papel de teste de pH úmido não apresenta alterações óbvias (veja a Figura 3). Isto mostra que o gás HCl gerado é completamente adsorvido pela sílica gel e não escapa para o ar.

Figura 3 Pesquisa sobre o escopo de aplicação do dessecante de sílica gel - cloreto de hidrogênio

O HCl adsorvido em gel de sílica e que ficou verde claro foi colocado em um tubo de ensaio. Coloque a nova sílica gel azul no tubo de ensaio, adicione ácido clorídrico concentrado, a sílica gel também fica verde clara, as duas cores são basicamente iguais. Isto mostra o gás de sílica gel no tubo de secagem esférico.

2.3 Exploração do escopo de aplicação do dessecante de sílica gel - dióxido de enxofre Ácido sulfúrico concentrado misto com tiossulfato de sódio sólido (ver Figura 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2O; O gás gerado é passado através do tubo de secagem contendo a sílica gel descolorida, a sílica gel descolorida torna-se azul esverdeada clara e o papel tornassol azul no final do papel de teste úmido não muda significativamente, indicando que o gás SO2 gerado tem foi completamente adsorvido pela bola de sílica gel e não pode escapar.

FIGO. 4 Exploração do escopo de aplicação do dessecante de sílica gel - dióxido de enxofre

Retire uma parte da bola de sílica gel e coloque em água destilada. Após o equilíbrio total, coloque uma pequena quantidade de gota d’água no papel tornassol azul. O papel de teste não se altera significativamente, indicando que a água destilada não é suficiente para dessorver o SO2 da sílica gel. Pegue uma pequena parte da bola de sílica gel e aqueça-a no tubo de ensaio. Coloque papel tornassol azul úmido na boca do tubo de ensaio. O papel tornassol azul fica vermelho, indicando que o aquecimento faz com que o gás SO2 seja dessorvido da bola de sílica gel, fazendo com que o papel tornassol fique vermelho. Os experimentos acima mostram que a sílica gel também tem um forte efeito de adsorção em SO2 ou H2SO3 e não pode ser usada para secar gás SO2.
2.4 Exploração do escopo de aplicação do dessecante de sílica gel - Dióxido de carbono
Conforme mostrado na Figura 5, a solução de bicarbonato de sódio pingando fenolftaleína aparece em vermelho claro. O sólido de bicarbonato de sódio é aquecido e a mistura gasosa resultante é passada através de um tubo de secagem contendo esferas de sílica gel secas. A sílica gel não se altera significativamente e o bicarbonato de sódio gotejando com fenolftaleína adsorve o HCl. O íon cobalto na sílica gel descolorida forma uma solução verde com Cl- e gradualmente torna-se incolor, indicando que existe um complexo de gás CO2 na extremidade do tubo esférico de secagem. A sílica gel verde-clara é colocada em água destilada, e a sílica gel descolorida muda gradualmente para amarelo, indicando que o HCl adsorvido pela sílica gel foi dessorvido na água. Uma pequena quantidade da solução aquosa superior foi adicionada à solução de nitrato de prata acidificada com ácido nítrico para formar um precipitado branco. Uma pequena quantidade de solução aquosa é colocada em uma ampla faixa de papel de teste de pH, e o papel de teste fica vermelho, indicando que a solução é ácida. As experiências acima mostram que a sílica gel tem uma forte adsorção ao gás HCl. HCl é uma molécula fortemente polar, e o grupo hidroxila na superfície do gel de sílica também tem forte polaridade, e os dois podem formar ligações de hidrogênio intermoleculares ou ter interação dipolo dipolo relativamente forte, resultando em uma força intermolecular relativamente forte entre a superfície da sílica moléculas de gel e HCl, então o gel de sílica tem uma forte adsorção de HCl. Portanto, o agente secante de silicone não pode ser usado para secar o escape de HCl, ou seja, o gel de sílica não adsorve CO2 ou adsorve apenas parcialmente o CO2.

FIGO. 5 Exploração do escopo de aplicação do dessecante de sílica gel – dióxido de carbono

A fim de provar a adsorção de sílica gel ao gás dióxido de carbono, os experimentos a seguir são continuados. A bola de sílica gel no tubo de secagem esférico foi removida e a parte foi dividida em solução de bicarbonato de sódio gotejando fenolftaleína. A solução de bicarbonato de sódio estava descolorida. Isso mostra que o gel de sílica adsorve o dióxido de carbono e, depois de solúvel em água, o dióxido de carbono é dessorvido em solução de bicarbonato de sódio, fazendo com que a solução de bicarbonato de sódio desapareça. A parte restante da bola de silicone é aquecida em um tubo de ensaio seco e o gás resultante é passado para uma solução de bicarbonato de sódio com fenolftaleína. Logo, a solução de bicarbonato de sódio muda de vermelho claro para incolor. Isso também mostra que a sílica gel ainda possui capacidade de adsorção do gás CO2. No entanto, a força de adsorção da sílica gel no CO2 é muito menor do que a do HCl, NH3 e SO2, e o dióxido de carbono só pode ser parcialmente adsorvido durante o experimento da Figura 5. A razão pela qual a sílica gel pode adsorver parcialmente o CO2 é provavelmente que a sílica gel e o CO2 formam ligações de hidrogênio intermoleculares Si - OH… O =C. Como o átomo de carbono central do CO2 é híbrido sp, e o átomo de silício na sílica gel é híbrido sp3, a molécula linear de CO2 não coopera bem com a superfície da sílica gel, resultando na força de adsorção da sílica gel no dióxido de carbono é relativamente pequeno.

3.Comparação entre a solubilidade dos quatro gases em água e o estado de adsorção na superfície do gel de sílica A partir dos resultados experimentais acima, pode-se observar que o gel de sílica tem uma forte capacidade de adsorção de amônia, cloreto de hidrogênio e dióxido de enxofre, mas uma pequena força de adsorção para dióxido de carbono (ver Tabela 1). Isto é semelhante à solubilidade dos quatro gases na água. Isso pode ocorrer porque as moléculas de água contêm hidroxi-OH, e a superfície da sílica gel também é rica em hidroxila, de modo que a solubilidade desses quatro gases na água é muito semelhante à sua adsorção na superfície da sílica gel. Entre os três gases do gás amônia, cloreto de hidrogênio e dióxido de enxofre, o dióxido de enxofre tem a menor solubilidade em água, mas depois de ser adsorvido pela sílica gel, é o mais difícil de dessorver entre os três gases. Depois que o gel de sílica adsorve amônia e cloreto de hidrogênio, ele pode ser dessorvido com água solvente. Depois que o gás dióxido de enxofre é adsorvido pela sílica gel, ele é difícil de dessorver com água e deve ser aquecido até a dessorção da superfície da sílica gel. Portanto, a adsorção de quatro gases na superfície da sílica gel deve ser calculada teoricamente.

4 O cálculo teórico da interação entre sílica gel e quatro gases é apresentado no software de quantumização ORCA [4] sob a estrutura da teoria do funcional da densidade (DFT). O método DFT D/B3LYP/Def2 TZVP foi utilizado para calcular os modos de interação e energias entre diferentes gases e sílica gel. Para simplificar o cálculo, os sólidos de sílica gel são representados por moléculas de ácido ortossilícico tetramérico. Os resultados do cálculo mostram que H2O, NH3 e HCl podem formar ligações de hidrogênio com o grupo hidroxila na superfície do gel de sílica (ver Figura 6a ~ c). Eles têm energia de ligação relativamente forte na superfície do gel de sílica (ver Tabela 2) e são facilmente adsorvidos na superfície do gel de sílica. Como a energia de ligação do NH3 e do HCl é semelhante à do H2O, a lavagem com água pode levar à dessorção destas duas moléculas de gás. Para a molécula de SO2, sua energia de ligação é de apenas -17,47 kJ/mol, que é muito menor do que as três moléculas acima. No entanto, o experimento confirmou que o gás SO2 é facilmente adsorvido na sílica gel, e mesmo a lavagem não consegue dessorvê-lo, e somente o aquecimento pode fazer com que o SO2 escape da superfície da sílica gel. Portanto, supomos que é provável que o SO2 se combine com o H2O na superfície da sílica gel para formar frações de H2SO3. A Figura 6e mostra que a molécula de H2SO3 forma três ligações de hidrogênio com os átomos de hidroxila e oxigênio na superfície do gel de sílica ao mesmo tempo, e a energia de ligação é tão alta quanto -76,63 kJ/mol, o que explica por que o SO2 adsorvido em o gel de sílica é difícil de escapar com água. O CO2 não polar tem a capacidade de ligação mais fraca com a sílica gel e só pode ser parcialmente adsorvido pela sílica gel. Embora a energia de ligação do H2CO3 e da sílica gel também tenha atingido -65,65 kJ/mol, a taxa de conversão de CO2 em H2CO3 não foi alta, portanto a taxa de adsorção de CO2 também foi reduzida. Pode-se observar pelos dados acima que a polaridade da molécula do gás não é o único critério para julgar se ela pode ser adsorvida pela sílica gel, e a ligação de hidrogênio formada com a superfície da sílica gel é a principal razão para sua adsorção estável.

A composição da sílica gel é SiO2 ·nH2 O, a enorme área superficial da sílica gel e o rico grupo hidroxila na superfície fazem com que a sílica gel possa ser usada como um secador não tóxico com excelente desempenho e é amplamente utilizada na produção e na vida . Neste artigo, é confirmado a partir de dois aspectos do experimento e do cálculo teórico que a sílica gel pode adsorver NH3, HCl, SO2, CO2 e outros gases através de ligações de hidrogênio intermoleculares, portanto a sílica gel não pode ser usada para secar esses gases. A composição da sílica gel é SiO2 ·nH2 O, a enorme área superficial da sílica gel e o rico grupo hidroxila na superfície fazem com que a sílica gel possa ser usada como um secador não tóxico com excelente desempenho e é amplamente utilizada na produção e na vida . Neste artigo, é confirmado a partir de dois aspectos do experimento e do cálculo teórico que a sílica gel pode adsorver NH3, HCl, SO2, CO2 e outros gases através de ligações de hidrogênio intermoleculares, portanto a sílica gel não pode ser usada para secar esses gases.

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FIGO. 6 modos de interação entre diferentes moléculas e superfície de sílica gel calculados pelo método DFT