Katika uzalishaji na maisha, gel ya silika inaweza kutumika kukausha N2, hewa, hidrojeni, gesi asilia [1] na kadhalika. Kulingana na asidi na alkali, desiccant inaweza kugawanywa katika: desiccant ya asidi, desiccant ya alkali na desiccant ya neutral [2]. Geli ya silika inaonekana kuwa kavu ya neutral ambayo inaonekana kukauka NH3, HCl, SO2, nk. Hata hivyo, kutokana na mtazamo wa kanuni, gel ya silika inaundwa na upungufu wa maji mwilini wa intermolecular ya molekuli ya orthosilicic, mwili mkuu ni SiO2. na uso ni matajiri katika vikundi vya hidroksili (ona Mchoro 1). Sababu kwa nini gel ya silika inaweza kunyonya maji ni kwamba kikundi cha silicon hidroksili kwenye uso wa gel ya silika kinaweza kuunda vifungo vya hidrojeni vya intermolecular na molekuli za maji, hivyo inaweza kudsorb maji na hivyo kuchukua jukumu la kukausha. Geli ya silika inayobadilisha rangi ina ioni za cobalt, na baada ya maji ya adsorption kufikia kueneza, ioni za cobalt katika gel ya silika ya kubadilisha rangi huwa ioni za cobalt za hidrati, ili gel ya silika ya bluu inakuwa nyekundu. Baada ya kupokanzwa gel ya silika ya pink kwa 200 ℃ kwa muda, dhamana ya hidrojeni kati ya gel ya silika na molekuli za maji huvunjika, na gel ya silika iliyopauka itageuka kuwa bluu tena, ili mchoro wa muundo wa asidi ya silika na gel ya silika uweze. itumike tena kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1. Kwa hivyo, kwa kuwa uso wa jeli ya silika una wingi wa vikundi vya haidroksili, uso wa gel ya silika pia unaweza kuunda vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli na NH3 na HCl, nk, na kunaweza kuwa hakuna njia ya kufanya kama hii. desiccant ya NH3 na HCl, na hakuna ripoti muhimu katika fasihi iliyopo. Kwa hivyo matokeo yalikuwa nini? Somo hili limefanya utafiti wa majaribio ufuatao.
FIG. 1 Mchoro wa muundo wa asidi ya ortho-silicic na gel ya silika
2 Sehemu ya Majaribio
2.1 Uchunguzi wa upeo wa matumizi ya silika gel desiccant - Amonia Kwanza, gel ya silika iliyobadilika iliwekwa kwenye maji yaliyosafishwa na maji ya amonia ya kujilimbikizia kwa mtiririko huo. Geli ya silika iliyobadilika rangi inageuka pink katika maji yaliyotengenezwa; Katika amonia iliyojilimbikizia, silicone ya kubadilisha rangi kwanza inageuka nyekundu na polepole inageuka bluu nyepesi. Hii inaonyesha kuwa jeli ya silika inaweza kunyonya NH3 au NH3 ·H2 O katika amonia. Kama inavyoonyeshwa katika Mchoro 2, hidroksidi ya kalsiamu imara na kloridi ya amonia huchanganywa sawasawa na kupashwa moto katika bomba la majaribio. Gesi inayotokana huondolewa na chokaa cha alkali na kisha kwa gel ya silika. Rangi ya gel ya silika karibu na mwelekeo wa kuingilia inakuwa nyepesi (rangi ya upeo wa matumizi ya gel silika desiccant katika Mchoro 2 imegunduliwa - amonia 73, awamu ya 8 ya 2023 kimsingi ni sawa na rangi ya gel ya silika iliyowekwa. katika maji ya amonia yaliyojilimbikizia), na karatasi ya mtihani wa pH haina mabadiliko ya wazi. Hii inaonyesha kuwa NH3 inayozalishwa haijafikia karatasi ya mtihani wa pH, na imetangazwa kabisa. Baada ya muda, simamisha inapokanzwa, toa sehemu ndogo ya mpira wa gel ya silika, uiweka ndani ya maji yaliyosafishwa, ongeza phenolphthalein kwenye maji, suluhisho linageuka nyekundu, ikionyesha kuwa gel ya silika ina athari kali ya adsorption. NH3, baada ya maji yaliyotengenezwa kufungwa, NH3 huingia ndani ya maji yaliyotengenezwa, suluhisho ni alkali. Kwa hiyo, kwa sababu gel ya silika ina adsorption kali ya NH3, wakala wa kukausha silikoni hawezi kukausha NH3.
FIG. 2 Uchunguzi wa upeo wa matumizi ya silika gel desiccant - amonia
2.2 Uchunguzi wa upeo wa uwekaji wa silika gel desiccant - kloridi hidrojeni kwanza huchoma vitu vikali vya NaCl kwa mwali wa taa ya pombe ili kuondoa maji ya mvua katika vijenzi vikali. Baada ya sampuli kupozwa, asidi ya sulfuriki iliyokolea huongezwa kwa yabisi ya NaCl ili kutoa mara moja idadi kubwa ya Bubbles. Gesi inayozalishwa hupitishwa kwenye bomba la kukausha la spherical iliyo na gel ya silika, na karatasi ya kupima pH ya mvua huwekwa mwishoni mwa tube ya kukausha. Geli ya silika kwenye mwisho wa mbele hubadilika kuwa kijani kibichi, na karatasi ya kupimia pH ya mvua haina mabadiliko dhahiri (ona Mchoro 3). Hii inaonyesha kuwa gesi ya HCl inayozalishwa inatangazwa kabisa na gel ya silika na haitoi angani.
Mchoro 3 Utafiti juu ya upeo wa matumizi ya silika gel desiccant - kloridi hidrojeni
Geli ya silika ilitangaza HCl na kugeuka kijani kibichi iliwekwa kwenye bomba la majaribio. Weka gel mpya ya silika ya bluu kwenye bomba la majaribio, ongeza asidi hidrokloriki iliyokolea, gel ya silika pia inakuwa rangi ya kijani kibichi, rangi hizo mbili kimsingi ni sawa. Hii inaonyesha gesi ya gel ya silika kwenye bomba la kukausha la duara.
2.3 Uchunguzi wa upeo wa matumizi ya silika gel desiccant - dioksidi ya sulfuri Mchanganyiko wa asidi ya sulfuriki iliyokolea na thiosulfate ya sodiamu imara (ona Mchoro 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Gesi inayozalishwa hupitishwa kupitia bomba la kukausha lililo na gel ya silika iliyobadilika rangi, gel ya silika iliyobadilika inakuwa ya kijani kibichi, na karatasi ya bluu ya litmus mwishoni mwa karatasi ya mtihani wa mvua haibadilika sana, ikionyesha kuwa gesi inayozalishwa ya SO2 ina. imevutiwa kabisa na mpira wa gel ya silika na haiwezi kutoroka.
FIG. 4 Uchunguzi wa upeo wa matumizi ya silika ya gel desiccant - dioksidi ya sulfuri
Ondoa sehemu ya mpira wa gel ya silika na uweke kwenye maji yaliyotengenezwa. Baada ya usawa kamili, chukua kiasi kidogo cha tone la maji kwenye karatasi ya bluu ya litmus. Karatasi ya majaribio haibadilika sana, ikionyesha kuwa maji yaliyosafishwa hayatoshi kufuta SO2 kutoka kwa gel ya silika. Chukua sehemu ndogo ya mpira wa gel ya silika na upashe moto kwenye bomba la majaribio. Weka karatasi ya bluu ya mvua ya litmus kwenye mdomo wa tube ya mtihani. Karatasi ya bluu ya litmus inakuwa nyekundu, ikionyesha kuwa inapokanzwa hufanya gesi ya SO2 kufutwa kutoka kwa mpira wa gel ya silika, na hivyo kufanya karatasi ya litmus kuwa nyekundu. Majaribio yaliyo hapo juu yanaonyesha kuwa gel ya silika pia ina athari kali ya adsorption kwenye SO2 au H2 SO3, na haiwezi kutumika kwa kukausha gesi ya SO2.
2.4 Uchunguzi wa upeo wa matumizi ya silika gel desiccant - dioksidi kaboni
Kama inavyoonyeshwa katika Mchoro wa 5, suluji ya sodiamu bicarbonate inayodondosha phenolphthaleini inaonekana kuwa nyekundu. Mango ya bicarbonate ya sodiamu hupashwa moto na mchanganyiko wa gesi unaotokana hupitishwa kupitia bomba la kukausha lililo na tufe za jeli za silika zilizokaushwa. Geli ya silika haibadiliki kwa kiasi kikubwa na bicarbonate ya sodiamu inayotiririka pamoja na phenolphthaleini huvutia HCl. Ioni ya kobalti katika jeli ya silika iliyobadilika rangi huunda suluhu ya kijani kibichi na Cl- na hatua kwa hatua inakuwa isiyo na rangi, ikionyesha kuwa kuna tata ya gesi ya CO2 mwishoni mwa bomba la kukausha la spherical. Geli ya silika ya kijani kibichi huwekwa kwenye maji yaliyoyeyushwa, na jeli ya silika iliyobadilika rangi hubadilika polepole na kuwa ya manjano, ikionyesha kuwa HCl inayotangazwa na jeli ya silika imetolewa ndani ya maji. Kiasi kidogo cha mmumunyo wa juu wa maji uliongezwa kwenye mmumunyo wa nitrati ya fedha iliyotiwa asidi na asidi ya nitriki ili kuunda mvua nyeupe. Kiasi kidogo cha suluhisho la maji imeshuka kwenye karatasi nyingi za mtihani wa pH, na karatasi ya mtihani inageuka nyekundu, ikionyesha kuwa suluhisho ni tindikali. Majaribio yaliyo hapo juu yanaonyesha kuwa gel ya silika ina adsorption kali kwa gesi ya HCl. HCl ni molekuli yenye nguvu ya polar, na kundi la hidroksili juu ya uso wa gel ya silika pia ina polarity kali, na mbili zinaweza kuunda vifungo vya hidrojeni ya intermolecular au kuwa na mwingiliano wa dipole wa dipole wenye nguvu, na kusababisha nguvu ya kati ya intermolecular kati ya uso wa silika. molekuli za gel na HCl, hivyo gel ya silika ina adsorption kali ya HCl. Kwa hiyo, wakala wa kukausha silikoni hawezi kutumika kukauka kutoroka kwa HCl, yaani, gel ya silika haipatii CO2 au adsorb kwa kiasi cha CO2.
FIG. 5 Uchunguzi wa upeo wa matumizi ya silika gel desiccant - dioksidi kaboni
Ili kuthibitisha adsorption ya gel ya silika kwa gesi ya dioksidi kaboni, majaribio yafuatayo yanaendelea. Mpira wa gel ya silika kwenye mirija ya kukausha ya spherical iliondolewa, na sehemu hiyo iligawanywa katika suluhisho la sodiamu bicarbonate inayodondosha phenolphthalein. Suluhisho la bicarbonate ya sodiamu lilibadilishwa rangi. Hii inaonyesha kuwa gel ya silika huvuta kaboni dioksidi, na baada ya mumunyifu katika maji, dioksidi kaboni hutengana ndani ya suluhisho la bicarbonate ya sodiamu, na kufanya ufumbuzi wa bicarbonate ya sodiamu kufifia. Sehemu iliyobaki ya mpira wa silicone huwashwa kwenye bomba la mtihani kavu, na gesi inayosababishwa hupitishwa kwenye suluhisho la bicarbonate ya sodiamu inayotiririka na phenolphthalein. Hivi karibuni, suluhisho la bicarbonate ya sodiamu hubadilika kutoka nyekundu nyepesi hadi isiyo na rangi. Hii pia inaonyesha kuwa gel ya silika bado ina uwezo wa kutangaza kwa gesi ya CO2. Hata hivyo, nguvu ya utangazaji ya jeli ya silika kwenye CO2 ni ndogo zaidi kuliko ile ya HCl, NH3 na SO2, na dioksidi kaboni inaweza tu kutangazwa kwa kiasi wakati wa jaribio katika Mchoro 5. Sababu kwa nini jeli ya silika inaweza kufyonza kwa kiasi CO2 kuna uwezekano kuwa kwamba geli ya silika na CO2 huunda vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli Si - OH… O =C. Kwa sababu atomi ya kati ya kaboni ya CO2 ni mseto wa sp, na atomi ya silikoni katika jeli ya silika ni mseto wa sp3, molekuli ya mstari wa CO2 haishirikiani vyema na uso wa jeli ya silika, na kusababisha nguvu ya mtangazaji ya gel ya silika kwenye dioksidi kaboni ni kiasi. ndogo.
3. Kulinganisha kati ya umumunyifu wa gesi nne katika maji na hali ya adsorption kwenye uso wa gel ya silika Kutokana na matokeo ya majaribio ya hapo juu, inaweza kuonekana kuwa gel ya silika ina uwezo mkubwa wa adsorption kwa amonia, kloridi hidrojeni na dioksidi ya sulfuri, lakini. nguvu ndogo ya utangazaji kwa dioksidi kaboni (tazama Jedwali 1). Hii ni sawa na umumunyifu wa gesi nne katika maji. Hii inaweza kuwa kwa sababu molekuli za maji zina haidroksi-OH, na uso wa gel ya silika pia una hidroksili nyingi, kwa hivyo umumunyifu wa gesi hizi nne ndani ya maji ni sawa na upenyezaji wake kwenye uso wa gel ya silika. Miongoni mwa gesi tatu za gesi ya amonia, kloridi ya hidrojeni na dioksidi ya sulfuri, dioksidi ya sulfuri ina umumunyifu mdogo zaidi katika maji, lakini baada ya kuingizwa na gel ya silika, ni vigumu zaidi kufuta kati ya gesi hizo tatu. Baada ya gel ya silika adsorbs amonia na kloridi hidrojeni, inaweza desorbed na maji kutengenezea. Baada ya gesi ya dioksidi ya sulfuri kuingizwa na gel ya silika, ni vigumu kufuta kwa maji, na lazima iwe na joto hadi desorption kutoka kwenye uso wa gel ya silika. Kwa hiyo, adsorption ya gesi nne kwenye uso wa gel ya silika lazima ihesabiwe kinadharia.
4 Hesabu ya kinadharia ya mwingiliano kati ya jeli ya silika na gesi nne inawasilishwa katika programu ya quantumization ORCA [4] chini ya mfumo wa nadharia ya utendakazi wa msongamano (DFT). Mbinu ya DFT D/B3LYP/Def2 TZVP ilitumika kukokotoa modi za mwingiliano na nishati kati ya gesi tofauti na jeli ya silika. Ili kurahisisha hesabu, mango ya gel ya silika yanawakilishwa na molekuli za tetrameric orthosilicic acid. Matokeo ya hesabu yanaonyesha kuwa H2 O, NH3 na HCl zote zinaweza kutengeneza vifungo vya hidrojeni na kundi la hidroksili kwenye uso wa jeli ya silika (ona Mchoro 6a ~ c). Zina nishati yenye nguvu ya kuunganisha kwenye uso wa gel ya silika (tazama Jedwali 2) na huwekwa kwa urahisi kwenye uso wa gel ya silika. Kwa kuwa nishati inayofunga NH3 na HCl ni sawa na ile ya H2 O, kuosha maji kunaweza kusababisha kuharibika kwa molekuli hizi mbili za gesi. Kwa molekuli ya SO2, nishati yake ya kumfunga ni -17.47 kJ/mol tu, ambayo ni ndogo sana kuliko molekuli tatu zilizo hapo juu. Hata hivyo, jaribio lilithibitisha kuwa gesi ya SO2 inatangazwa kwa urahisi kwenye gel ya silika, na hata kuosha hawezi kuifuta, na inapokanzwa tu inaweza kufanya SO2 kutoroka kutoka kwenye uso wa gel ya silika. Kwa hivyo, tulikisia kuwa SO2 ina uwezekano wa kuunganishwa na H2 O kwenye uso wa gel ya silika kuunda sehemu za H2 SO3. Mchoro 6e unaonyesha kuwa molekuli ya H2 SO3 huunda vifungo vitatu vya hidrojeni na atomi za hidroksili na oksijeni kwenye uso wa gel ya silika kwa wakati mmoja, na nishati ya kumfunga ni ya juu kama -76.63 kJ/mol, ambayo inaelezea kwa nini SO2 ilijitangaza. gel ya silika ni vigumu kuepuka na maji. CO2 isiyo ya polar ina uwezo dhaifu wa kuunganisha na gel ya silika, na inaweza tu kutangazwa kwa kiasi na gel ya silika. Ingawa nishati ya kuunganisha ya H2 CO3 na jeli ya silika pia ilifikia -65.65 kJ/mol, kiwango cha ubadilishaji wa CO2 hadi H2 CO3 haikuwa ya juu, kwa hivyo kiwango cha utangazaji cha CO2 pia kilipunguzwa. Inaweza kuonekana kutoka kwa data hapo juu kwamba polarity ya molekuli ya gesi sio kigezo pekee cha kuhukumu ikiwa inaweza kutangazwa na gel ya silika, na dhamana ya hidrojeni inayoundwa na uso wa gel ya silika ndiyo sababu kuu ya adsorption yake imara.
Muundo wa jeli ya silika ni SiO2 ·nH2 O, eneo kubwa la uso wa jeli ya silika na kundi tajiri la haidroksili juu ya uso kutengeneza jeli ya silika inaweza kutumika kama kikaushio kisicho na sumu na utendaji bora, na hutumika sana katika uzalishaji na maisha. . Katika karatasi hii, imethibitishwa kutoka kwa vipengele viwili vya majaribio na hesabu ya kinadharia kwamba gel ya silika inaweza kutangaza NH3, HCl, SO2, CO2 na gesi nyingine kupitia vifungo vya hidrojeni vya intermolecular, hivyo gel ya silika haiwezi kutumika kwa kukausha gesi hizi. Muundo wa jeli ya silika ni SiO2 ·nH2 O, eneo kubwa la uso wa jeli ya silika na kundi tajiri la haidroksili juu ya uso kutengeneza jeli ya silika inaweza kutumika kama kikaushio kisicho na sumu na utendaji bora, na hutumika sana katika uzalishaji na maisha. . Katika karatasi hii, imethibitishwa kutoka kwa vipengele viwili vya majaribio na hesabu ya kinadharia kwamba gel ya silika inaweza kutangaza NH3, HCl, SO2, CO2 na gesi nyingine kupitia vifungo vya hidrojeni vya intermolecular, hivyo gel ya silika haiwezi kutumika kwa kukausha gesi hizi.
３
FIG. Njia 6 za mwingiliano kati ya molekuli tofauti na uso wa gel ya silika unaokokotolewa kwa mbinu ya DFT
Muda wa kutuma: Nov-14-2023
