სილიკა გელის გამშრალებელის გამოყენების ფარგლების კვლევა

წარმოებასა და სიცოცხლეში სილიკა გელის გამოყენება შესაძლებელია N2, ჰაერის, წყალბადის, ბუნებრივი აირის [1] გასაშრობად და ა.შ. მჟავისა და ტუტეს მიხედვით, გამშრალება შეიძლება დაიყოს: მჟავა გამშრალ, ტუტე გამშრალ და ნეიტრალურ გამშრობად [2]. სილიკა გელი, როგორც ჩანს, არის ნეიტრალური საშრობი, რომელიც, როგორც ჩანს, აშრობს NH3, HCl, SO2 და ა.შ. თუმცა, პრინციპული თვალსაზრისით, სილიკა გელი შედგება ორთოსილიციუმის მჟავას მოლეკულების სამგანზომილებიანი ინტერმოლეკულური დეჰიდრატაციისგან, ძირითადი სხეულია SiO2. და ზედაპირი მდიდარია ჰიდროქსილის ჯგუფებით (იხ. სურათი 1). მიზეზი, რის გამოც სილიკა გელს შეუძლია წყლის შთანთქმა არის ის, რომ სილიციუმის ჰიდროქსილის ჯგუფს სილიკა გელის ზედაპირზე შეუძლია შექმნას მოლეკულური წყალბადის ბმები წყლის მოლეკულებთან, ასე რომ, მას შეუძლია შეწოვოს წყალი და ამით შეასრულოს საშრობი როლი. ფერის ცვალებადი სილიკა გელი შეიცავს კობალტის იონებს და მას შემდეგ, რაც ადსორბციული წყალი მიაღწევს გაჯერებას, კობალტის იონები ფერის ცვალებად სილიკა გელში ხდება ჰიდრატირებული კობალტის იონები, ასე რომ ლურჯი სილიკა გელი ხდება ვარდისფერი. ვარდისფერი სილიკა გელის გაცხელების შემდეგ 200℃-ზე გარკვეული პერიოდის განმავლობაში, წყალბადის ბმა სილიციუმის გელსა და წყლის მოლეკულებს შორის იშლება და გაუფერულებული სილიკა გელი კვლავ ცისფერი გახდება, ასე რომ, სილიციუმის მჟავისა და სილიკა გელის სტრუქტურის დიაგრამა შეუძლია. ხელახლა გამოყენებული იქნას, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1. ასე რომ, ვინაიდან სილიკა გელის ზედაპირი მდიდარია ჰიდროქსილის ჯგუფებით, სილიკა გელის ზედაპირმა შეიძლება ასევე შექმნას მოლეკულური წყალბადის ბმები NH3-თან და HCl-თან და ა.შ. არის NH3 და HCl-ის გამშრალებელი და არ არსებობს შესაბამისი ანგარიში არსებულ ლიტერატურაში. მერე რა იყო შედეგები? ამ სუბიექტმა ჩაატარა შემდეგი ექსპერიმენტული კვლევა.

ნახ. 1 ორთო-სილიციუმის მჟავისა და სილიკა გელის სტრუქტურის დიაგრამა

2 ექსპერიმენტის ნაწილი
2.1 სილიკა-გელის გამშრალებელი საშუალების გამოყენების სფეროს შესწავლა - ამიაკი თავდაპირველად, გაუფერულებული სილიკა გელი მოთავსებული იყო გამოხდილ წყალში და კონცენტრირებულ ამიაკის წყალში, შესაბამისად. გაუფერულებული სილიკა გელი გამოხდილ წყალში ვარდისფერდება; კონცენტრირებულ ამიაკში, ფერის ცვალებადი სილიკონი ჯერ წითელდება და ნელ-ნელა ღია ცისფერს იღებს. ეს გვიჩვენებს, რომ სილიკა გელს შეუძლია აითვისოს NH3 ან NH3 ·H2 O ამიაკით. როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2, მყარი კალციუმის ჰიდროქსიდი და ამონიუმის ქლორიდი თანაბრად შერეულია და თბება სინჯარაში. შედეგად მიღებული აირი ამოღებულია ტუტე კირით და შემდეგ სილიკა გელით. სილიკა გელის ფერი შესასვლელის მიმართულების მახლობლად უფრო ღია ხდება (სურათი 2-ში სილიკა გელის გამშრობის გამოყენების ფარგლების ფერი შესწავლილია - ამიაკი 73, 2023 წლის მე-8 ფაზა ძირითადად იგივეა, რაც გაჟღენთილი სილიკა გელის ფერი. კონცენტრირებულ ამიაკის წყალში), ხოლო pH ტესტის ქაღალდს აშკარა ცვლილება არ აქვს. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ წარმოებულმა NH3-მა არ მიაღწია pH ტესტის ქაღალდს და ის მთლიანად შეიწოვება. გარკვეული პერიოდის შემდეგ შეაჩერეთ გათბობა, ამოიღეთ სილიკა გელის ბურთის მცირე ნაწილი, ჩაასხით გამოხდილ წყალში, დაამატეთ ფენოლფთალეინი წყალში, ხსნარი ხდება წითელი, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ სილიკა გელს აქვს ძლიერი ადსორბციული ეფექტი. NH3, გამოხდილი წყლის გამოყოფის შემდეგ, NH3 შედის გამოხდილ წყალში, ხსნარი ტუტეა. ამიტომ, რადგან სილიკა გელს აქვს ძლიერი ადსორბცია NH3-ისთვის, სილიკონის საშრობი აგენტს არ შეუძლია NH3-ის გაშრობა.

ნახ. 2 სილიკა გელის გამშრალებელი - ამიაკის გამოყენების სფეროს შესწავლა

2.2 სილიკა გელის გამშრალებელის გამოყენების ფარგლების შესწავლა - წყალბადის ქლორიდი ჯერ წვავს NaCl-ს მყარ ნაწილებს ალკოჰოლური ნათურის ალით, რათა ამოიღოს სველი წყალი მყარ კომპონენტებში. ნიმუშის გაციების შემდეგ, კონცენტრირებული გოგირდის მჟავა ემატება NaCl მყარ ნივთიერებებს, რათა დაუყოვნებლივ წარმოქმნას დიდი რაოდენობის ბუშტები. გამომუშავებული აირი გადადის სფერულ საშრობ მილში, რომელიც შეიცავს სილიკა გელს და სველი pH ტესტის ქაღალდი მოთავსებულია საშრობი მილის ბოლოს. სილიკა გელი წინა ბოლოში ხდება ღია მწვანე, ხოლო სველ pH ტესტის ქაღალდს აშკარა ცვლილება არ აქვს (იხ. სურათი 3). ეს აჩვენებს, რომ წარმოქმნილი HCl გაზი მთლიანად შეიწოვება სილიკა გელით და არ გადის ჰაერში.

სურათი 3 კვლევა სილიკა გელის გამშრალებელი - წყალბადის ქლორიდის გამოყენების ფარგლების შესახებ

სილიკა გელი ადსორბირებული HCl და ღია მწვანე გახდა მოთავსებული სინჯარაში. ჩაასხით ახალი ლურჯი სილიკა გელი სინჯარაში, დაამატეთ კონცენტრირებული მარილმჟავა, სილიკა გელი ასევე ხდება ღია მწვანე ფერის, ორი ფერი ძირითადად ერთნაირია. ეს აჩვენებს სილიკა გელის გაზს სფერულ საშრობ მილში.

2.3 სილიკა გელის გამშრობის მოქმედების სფეროს შესწავლა - გოგირდის დიოქსიდი შერეული კონცენტრირებული გოგირდის მჟავა ნატრიუმის თიოსულფატის მყართან (იხ. სურათი 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; წარმოქმნილი აირი გადის საშრობი მილში, რომელიც შეიცავს გაუფერულ სილიკა გელს, გაუფერულებული სილიკა გელი ხდება ღია ცისფერი-მწვანე, ხოლო ლურჯი ლაკმუსის ქაღალდი სველი ტესტის ქაღალდის ბოლოს მნიშვნელოვნად არ იცვლება, რაც მიუთითებს, რომ წარმოქმნილ SO2 გაზს აქვს მთლიანად შეიწოვება სილიკა გელის ბურთით და ვერ გაქცევა.

ნახ. 4 სილიკა გელის გამშრალებელი - გოგირდის დიოქსიდის გამოყენების სფეროს შესწავლა

ამოიღეთ სილიკა გელის ბურთის ნაწილი და ჩადეთ გამოხდილ წყალში. სრული ბალანსის შემდეგ, აიღეთ მცირე რაოდენობით წყლის წვეთი ლურჯი ლაკმუსის ქაღალდზე. სატესტო ქაღალდი მნიშვნელოვნად არ იცვლება, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ გამოხდილი წყალი არ არის საკმარისი სილიკა გელისგან SO2-ის დეზორბირებისთვის. აიღეთ სილიკა გელის ბურთის მცირე ნაწილი და გააცხელეთ სინჯარაში. სინჯარის პირზე დადეთ სველი ლურჯი ლაკმუსის ქაღალდი. ცისფერი ლაკმუსის ქაღალდი წითლად იქცევა, რაც იმაზე მეტყველებს, რომ გაცხელება იწვევს SO2 გაზის შთანთქმას სილიკა გელის ბურთიდან, რითაც ლაკმუსის ქაღალდი წითლად ხდება. ზემოთ მოყვანილი ექსპერიმენტები აჩვენებს, რომ სილიკა გელს ასევე აქვს ძლიერი ადსორბციული ეფექტი SO2 ან H2SO3-ზე და არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას SO2 გაზის გასაშრობად.
2.4 სილიკა გელის გამშრალ-ნახშირორჟანგის გამოყენების სფეროს შესწავლა
როგორც ნაჩვენებია სურათზე 5, ნატრიუმის ბიკარბონატის ხსნარი, რომელიც წვეთოვანი ფენოლფთალეინი ჩანს ღია წითელი. ნატრიუმის ბიკარბონატის მყარი თბება და შედეგად მიღებული აირის ნარევი გადის საშრობი მილით, რომელიც შეიცავს გამხმარ სილიკა გელის სფეროებს. სილიკა გელი მნიშვნელოვნად არ იცვლება და ნატრიუმის ბიკარბონატი ფენოლფთალეინთან ერთად ადსორბირებს HCl-ს. გაუფერულ სილიკა გელში კობალტის იონი აყალიბებს მწვანე ხსნარს Cl-თან და თანდათან ხდება უფერო, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ სფერული საშრობი მილის ბოლოს არის CO2 გაზის კომპლექსი. ღია მწვანე სილიკა გელი მოთავსებულია გამოხდილ წყალში და გაუფერულებული სილიკა გელი თანდათან იცვლება ყვითლად, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ სილიკა გელით ადსორბირებული HCl წყალში შეიწოვება. ზედა წყალხსნარის მცირე რაოდენობა დაემატა აზოტის მჟავით დამჟავებულ ვერცხლის ნიტრატის ხსნარს, რათა წარმოიქმნას თეთრი ნალექი. მცირე რაოდენობით წყალხსნარი წვეთება pH ტესტის ქაღალდის ფართო დიაპაზონზე და ტესტის ქაღალდი წითლდება, რაც მიუთითებს, რომ ხსნარი მჟავეა. ზემოთ მოყვანილი ექსპერიმენტები აჩვენებს, რომ სილიკა გელს აქვს ძლიერი ადსორბცია HCl გაზზე. HCl არის ძლიერ პოლარული მოლეკულა და სილიკა გელის ზედაპირზე ჰიდროქსილის ჯგუფს ასევე აქვს ძლიერი პოლარობა, და ამ ორმა შეიძლება შექმნას მოლეკულური წყალბადის ბმები ან ჰქონდეს შედარებით ძლიერი დიპოლური დიპოლური ურთიერთქმედება, რაც იწვევს შედარებით ძლიერ ინტერმოლეკულურ ძალას სილიციუმის ზედაპირს შორის. გელი და HCl მოლეკულები, ამიტომ სილიკა გელს აქვს HCl-ის ძლიერი ადსორბცია. ამიტომ, სილიკონის საშრობი აგენტის გამოყენება არ შეიძლება HCl-ის გასაშრობად, ანუ სილიკა გელი არ შთანთქავს CO2-ს ან მხოლოდ ნაწილობრივ შთანთქავს CO2-ს.

ნახ. 5 სილიკა გელის გამშრალ-ნახშირორჟანგის გამოყენების სფეროს შესწავლა

ნახშირორჟანგის გაზში სილიკაგელის ადსორბციის დასამტკიცებლად, გრძელდება შემდეგი ექსპერიმენტები. სფერული საშრობი მილში სილიკა გელის ბურთი ამოიღეს და ნაწილი დაიყო ნატრიუმის ბიკარბონატის ხსნარში, რომელიც წვეთოვან ფენოლფთალეინს. ნატრიუმის ბიკარბონატის ხსნარი გაუფერულდა. ეს გვიჩვენებს, რომ სილიკა გელი შთანთქავს ნახშირორჟანგს და წყალში ხსნის შემდეგ, ნახშირორჟანგი შეიწოვება ნატრიუმის ბიკარბონატის ხსნარში, რაც აფერხებს ნატრიუმის ბიკარბონატის ხსნარს. სილიკონის ბურთის დარჩენილი ნაწილი თბება მშრალ სინჯარაში და მიღებულ გაზს გადააქვთ ნატრიუმის ბიკარბონატის ხსნარში ფენოლფთალეინთან ერთად. მალე ნატრიუმის ბიკარბონატის ხსნარი იცვლება ღია წითელიდან უფეროზე. ეს ასევე აჩვენებს, რომ სილიკა გელს ჯერ კიდევ აქვს CO2 გაზის ადსორბციის უნარი. თუმცა, სილიკაგელის ადსორბციული ძალა CO2-ზე გაცილებით მცირეა, ვიდრე HCl, NH3 და SO2, და ნახშირორჟანგი შეიძლება მხოლოდ ნაწილობრივ შეიწოვება ნახაზის 5-ში მოცემული ექსპერიმენტის დროს. რომ სილიკა გელი და CO2 ქმნიან მოლეკულურ წყალბადურ კავშირებს Si — OH… O =C. იმის გამო, რომ CO2-ის ცენტრალური ნახშირბადის ატომი sp ჰიბრიდია, ხოლო სილიციუმის ატომი სილიკა გელში არის sp3 ჰიბრიდი, CO2 ხაზოვანი მოლეკულა კარგად არ თანამშრომლობს სილიკა გელის ზედაპირთან, რის შედეგადაც სილიკა გელის ადსორბციული ძალა ნახშირორჟანგზე შედარებით არის. პატარა.

3. შედარება წყალში ოთხი აირის ხსნადობასა და სილიკა გელის ზედაპირზე ადსორბციის სტატუსს შორის ზემოაღნიშნული ექსპერიმენტული შედეგებიდან ჩანს, რომ სილიკა გელს აქვს ამიაკის, წყალბადის ქლორიდის და გოგირდის დიოქსიდის ძლიერი ადსორბციის უნარი, მაგრამ ნახშირორჟანგის მცირე ადსორბციული ძალა (იხ. ცხრილი 1). ეს არის წყალში ოთხი აირის ხსნადობის მსგავსი. ეს შეიძლება იყოს იმის გამო, რომ წყლის მოლეკულები შეიცავს ჰიდროქსი-OH-ს და სილიკა გელის ზედაპირი ასევე მდიდარია ჰიდროქსილით, ამიტომ ამ ოთხი აირის ხსნადობა წყალში ძალიან ჰგავს მის ადსორბციას სილიკა გელის ზედაპირზე. ამიაკის გაზის სამ გაზს შორის, წყალბადის ქლორიდსა და გოგირდის დიოქსიდს შორის, გოგირდის დიოქსიდს აქვს ყველაზე მცირე ხსნადობა წყალში, მაგრამ სილიკა გელით ადსორბციის შემდეგ, ის ყველაზე რთული დეზორბციაა სამ გაზს შორის. მას შემდეგ, რაც სილიკა გელი შთანთქავს ამიაკს და წყალბადის ქლორიდს, მისი დაშლა შესაძლებელია გამხსნელი წყლით. მას შემდეგ, რაც გოგირდის დიოქსიდის გაზი შეიწოვება სილიკა გელით, ძნელია მისი დეზორბცია წყლით და უნდა გაცხელდეს სილიკა გელის ზედაპირიდან დეზორბციამდე. ამიტომ, თეორიულად უნდა გამოითვალოს ოთხი აირის ადსორბცია სილიკა გელის ზედაპირზე.

4 სილიკა გელსა და ოთხ აირს შორის ურთიერთქმედების თეორიული გამოთვლა წარმოდგენილია კვანტიზაციის ORCA პროგრამაში [4] სიმკვრივის ფუნქციონალური თეორიის (DFT) ფარგლებში. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP მეთოდი გამოიყენებოდა ურთიერთქმედების რეჟიმისა და ენერგიების გამოსათვლელად სხვადასხვა გაზებსა და სილიკა გელს შორის. გაანგარიშების გამარტივების მიზნით, სილიკა გელის მყარი ნივთიერებები წარმოდგენილია ტეტრამერული ორთოსილიციუმის მჟავას მოლეკულებით. გამოთვლის შედეგები აჩვენებს, რომ H2O, NH3 და HCl ყველამ შეიძლება შექმნას წყალბადის ბმები ჰიდროქსილის ჯგუფთან სილიკა გელის ზედაპირზე (იხ. სურათი 6a ~ c). მათ აქვთ შედარებით ძლიერი შეკვრის ენერგია სილიკა გელის ზედაპირზე (იხ. ცხრილი 2) და ადვილად შეიწოვება სილიკა გელის ზედაპირზე. ვინაიდან NH3-ისა და HCl-ის შეკავშირების ენერგია მსგავსია H2O-ის, წყლის რეცხვამ შეიძლება გამოიწვიოს ამ ორი გაზის მოლეკულის დეზორბცია. SO2 მოლეკულისთვის მისი შეკვრის ენერგია არის მხოლოდ -17,47 კჯ/მოლი, რაც გაცილებით მცირეა, ვიდრე ზემოთ მოყვანილი სამი მოლეკულა. თუმცა, ექსპერიმენტმა დაადასტურა, რომ SO2 გაზი ადვილად შეიწოვება სილიკა გელზე და გარეცხვაც კი ვერ ასუფთავებს მას და მხოლოდ გათბობას შეუძლია SO2 გაქცევა სილიკა გელის ზედაპირიდან. მაშასადამე, ჩვენ მივხვდით, რომ SO2 სავარაუდოდ გაერთიანდება H2O-თან სილიკა გელის ზედაპირზე და წარმოქმნის H2SO3 ფრაქციებს. სურათი 6e გვიჩვენებს, რომ H2 SO3 მოლეკულა აყალიბებს სამ წყალბადურ კავშირს ჰიდროქსილისა და ჟანგბადის ატომებთან სილიკა გელის ზედაპირზე ერთდროულად, და შეკავშირების ენერგია არის -76,63 კჯ/მოლი, რაც განმარტავს, თუ რატომ შეიწოვება SO2. სილიკა გელი ძნელია წყლით გაქცევა. არაპოლარულ CO2-ს აქვს ყველაზე სუსტი შეკავშირების უნარი სილიკა გელთან და შეიძლება მხოლოდ ნაწილობრივ შეიწოვება სილიკა გელით. მიუხედავად იმისა, რომ H2CO3-ისა და სილიკა გელის შეკვრის ენერგიამ ასევე მიაღწია -65,65 კჯ/მოლ-ს, CO2-ის H2CO3-ად გარდაქმნის სიჩქარე არ იყო მაღალი, ამიტომ შემცირდა CO2-ის ადსორბციის სიჩქარეც. ზემოაღნიშნული მონაცემებიდან ჩანს, რომ გაზის მოლეკულის პოლარობა არ არის ერთადერთი კრიტერიუმი, რათა ვიმსჯელოთ, შეიძლება თუ არა მისი ადსორბცია სილიკა გელის მიერ და სილიკა გელის ზედაპირზე წარმოქმნილი წყალბადური ბმა არის მისი სტაბილური ადსორბციის მთავარი მიზეზი.

სილიკა გელის შემადგენლობაა SiO2 ·nH2 O, სილიკა გელის უზარმაზარი ზედაპირი და ზედაპირზე არსებული მდიდარი ჰიდროქსილის ჯგუფი იძლევა სილიკა გელის გამოყენებას, როგორც არატოქსიკური საშრობი შესანიშნავი ეფექტურობით და ფართოდ გამოიყენება წარმოებასა და ცხოვრებაში. . ამ ნაშრომში, ექსპერიმენტისა და თეორიული გაანგარიშების ორი ასპექტიდან დადასტურებულია, რომ სილიკა გელს შეუძლია NH3, HCl, SO2, CO2 და სხვა გაზების ადსორბირება მოლეკულური წყალბადის ბმებით, ამიტომ სილიკა გელი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ამ გაზების გასაშრობად. სილიკა გელის შემადგენლობაა SiO2 ·nH2 O, სილიკა გელის უზარმაზარი ზედაპირი და ზედაპირზე არსებული მდიდარი ჰიდროქსილის ჯგუფი იძლევა სილიკა გელის გამოყენებას, როგორც არატოქსიკური საშრობი შესანიშნავი ეფექტურობით და ფართოდ გამოიყენება წარმოებასა და ცხოვრებაში. . ამ ნაშრომში, ექსპერიმენტისა და თეორიული გაანგარიშების ორი ასპექტიდან დადასტურებულია, რომ სილიკა გელს შეუძლია NH3, HCl, SO2, CO2 და სხვა გაზების ადსორბირება მოლეკულური წყალბადის ბმებით, ამიტომ სილიკა გელი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ამ გაზების გასაშრობად.

３
ნახ. 6 ურთიერთქმედების რეჟიმი სხვადასხვა მოლეკულებსა და სილიკა გელის ზედაპირს შორის, გამოთვლილი DFT მეთოდით