सिलिका जेल desiccant को आवेदन को दायरा मा अनुसन्धान

उत्पादन र जीवनमा, सिलिका जेल N2, हावा, हाइड्रोजन, प्राकृतिक ग्याँस [१] र यति सुकाउन प्रयोग गर्न सकिन्छ। एसिड र क्षार अनुसार, desiccant मा विभाजित गर्न सकिन्छ: एसिड desiccant, alkaline desiccant र तटस्थ desiccant [2]। सिलिका जेल एक तटस्थ ड्रायर जस्तो देखिन्छ जसले NH3, HCl, SO2, आदिलाई सुकाउँछ। यद्यपि, सिद्धान्तको दृष्टिकोणबाट, सिलिका जेल अर्थोसिलिक एसिड अणुहरूको त्रि-आयामी अन्तरआणविक निर्जलीकरणबाट बनेको हुन्छ, मुख्य शरीर SiO2 हो। र सतह हाइड्रोक्सिल समूहहरूमा धनी छ (चित्र 1 हेर्नुहोस्)। सिलिका जेलले पानी अवशोषित गर्नुको कारण यो हो कि सिलिका जेलको सतहमा रहेको सिलिकन हाइड्रोक्सिल समूहले पानीका अणुहरूसँग अन्तरआणविक हाइड्रोजन बन्डहरू बनाउन सक्छ, त्यसैले यसले पानीलाई सोस्न सक्छ र यसरी सुकाउने भूमिका खेल्छ। रंग-परिवर्तन गर्ने सिलिका जेलमा कोबाल्ट आयनहरू हुन्छन्, र सोस्ने पानी संतृप्तिमा पुगेपछि, रंग-परिवर्तन गर्ने सिलिका जेलमा कोबाल्ट आयनहरू हाइड्रेटेड कोबाल्ट आयनहरू हुन्छन्, जसले गर्दा निलो सिलिका जेल गुलाबी हुन्छ। गुलाबी सिलिका जेललाई 200 ℃ मा समयावधिको लागि तताउँदा, सिलिका जेल र पानीको अणुहरू बीचको हाइड्रोजन बन्ड टुट्छ, र रंगीन सिलिका जेल फेरि नीलो हुनेछ, जसले गर्दा सिलिकिक एसिड र सिलिका जेलको संरचना रेखाचित्र बन्न सक्छ। चित्र 1 मा देखाइए अनुसार पुन: प्रयोग गर्नुहोस्। त्यसैले, सिलिका जेलको सतह हाइड्रोक्सिल समूहहरूमा समृद्ध भएकोले, सिलिका जेलको सतहले NH3 र HCl, आदिसँग अन्तरआणविक हाइड्रोजन बन्डहरू पनि बनाउन सक्छ, र त्यहाँ काम गर्ने कुनै तरिका नहुन सक्छ। NH3 र HCl को एक desiccant, र अवस्थित साहित्यमा कुनै सान्दर्भिक रिपोर्ट छैन। त्यसोभए परिणामहरू के थिए? यस विषयले निम्न प्रयोगात्मक अनुसन्धान गरेको छ।

अंजीर। 1 ओर्थो-सिलिक एसिड र सिलिका जेलको संरचना रेखाचित्र

2 प्रयोग भाग
2.1 सिलिका जेल डेसिक्यान्टको प्रयोगको दायराको अन्वेषण - अमोनिया पहिले, रंगीन सिलिका जेल क्रमशः डिस्टिल्ड पानी र केन्द्रित अमोनिया पानीमा राखिएको थियो। रंगीन सिलिका जेल डिस्टिल्ड पानीमा गुलाबी हुन्छ; केन्द्रित अमोनियामा, रंग परिवर्तन गर्ने सिलिकन पहिले रातो हुन्छ र बिस्तारै हल्का नीलो हुन्छ। यसले देखाउँछ कि सिलिका जेलले अमोनियामा NH3 वा NH3 ·H2 O अवशोषित गर्न सक्छ। चित्र २ मा देखाइए अनुसार, ठोस क्याल्सियम हाइड्रोक्साइड र अमोनियम क्लोराइड समान रूपमा मिसाइन्छ र परीक्षण ट्यूबमा तताइन्छ। नतिजा ग्यास क्षार चूना र त्यसपछि सिलिका जेल द्वारा हटाइन्छ। प्रवेश दिशा नजिकैको सिलिका जेलको रंग हल्का हुन्छ (चित्र 2 मा सिलिका जेल डेसिक्यान्टको आवेदन दायराको रंग अन्वेषण गरिएको छ - अमोनिया 73, 2023 को 8 औं चरण मूलतः सिलिका जेल भिजाइएको रंग जस्तै हो। केन्द्रित अमोनिया पानीमा), र pH परीक्षण पेपरमा कुनै स्पष्ट परिवर्तन छैन। यसले संकेत गर्दछ कि उत्पादित NH3 pH परीक्षण पेपरमा पुगेको छैन, र यो पूर्ण रूपमा सोखिएको छ। केही समय पछि, तताउने रोक्नुहोस्, सिलिका जेल बलको सानो भाग निकाल्नुहोस्, यसलाई डिस्टिल्ड वाटरमा राख्नुहोस्, पानीमा फेनोल्फथालिन थप्नुहोस्, घोल रातो हुन्छ, यसले संकेत गर्दछ कि सिलिका जेलको बलियो शोषण प्रभाव छ। NH3, डिस्टिल्ड वाटर डिटेच भएपछि, NH3 डिस्टिल्ड वाटरमा प्रवेश गर्छ, घोल क्षारीय हुन्छ। त्यसकारण, किनभने सिलिका जेलमा NH3 को लागि बलियो सोखन हुन्छ, सिलिकन सुकाउने एजेन्टले NH3 लाई सुकाउन सक्दैन।

अंजीर। 2 सिलिका जेल डेसिकेन्ट - अमोनिया को आवेदन को दायरा को अन्वेषण

2.2 सिलिका जेल डेसिक्यान्टको प्रयोगको दायराको अन्वेषण - हाइड्रोजन क्लोराइडले ठोस घटकहरूमा भिजेको पानी हटाउनको लागि अल्कोहल बत्तीको ज्वालासँग NaCl ठोसहरूलाई पहिले जलाउँछ। नमूनालाई चिसो गरिसकेपछि, तुरुन्तै ठूलो संख्यामा बुलबुले उत्पादन गर्न NaCl ठोसहरूमा केन्द्रित सल्फ्यूरिक एसिड थपिन्छ। उत्पन्न ग्यासलाई सिलिका जेल भएको गोलाकार सुकाउने ट्यूबमा पठाइन्छ, र सुकाउने ट्यूबको अन्त्यमा एउटा भिजेको पीएच परीक्षण पेपर राखिन्छ। अगाडिको छेउमा रहेको सिलिका जेल हल्का हरियो हुन्छ, र भिजेको pH परीक्षण कागजमा कुनै स्पष्ट परिवर्तन हुँदैन (चित्र 3 हेर्नुहोस्)। यसले देखाउँछ कि उत्पन्न HCl ग्यास सिलिका जेलले पूर्ण रूपमा सोस्छ र हावामा भाग्दैन।

चित्र 3 सिलिका जेल डेसिकेन्ट - हाइड्रोजन क्लोराइड को आवेदन को दायरा मा अनुसन्धान

सिलिका जेलले एचसीएललाई सोस्यो र हल्का हरियो बन्यो परीक्षण ट्यूबमा राखियो। नयाँ नीलो सिलिका जेल टेस्ट ट्युबमा हाल्नुहोस्, कन्सेन्ट्रेटेड हाइड्रोक्लोरिक एसिड हाल्नुहोस्, सिलिका जेल पनि हल्का हरियो रङ बन्छ, दुईवटा रङ मूलतः एउटै हुन्छन्। यसले गोलाकार सुकाउने ट्यूबमा सिलिका जेल ग्यास देखाउँछ।

2.3 सिलिका जेल डेसिक्यान्टको आवेदन दायराको अन्वेषण — सोडियम थायोसल्फेट ठोससँग सल्फर डाइअक्साइड मिश्रित सल्फ्यूरिक एसिड (चित्र ४ हेर्नुहोस्), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; उत्पन्न भएको ग्यासलाई सुक्खा नलीबाट गुज्रिएको छ जसमा रङ भएको सिलिका जेल हुन्छ, रङ्गीन सिलिका जेल हल्का नीलो-हरियो हुन्छ, र भिजेको परीक्षण कागजको अन्त्यमा रहेको नीलो लिटमस पेपरले खासै परिवर्तन गर्दैन, यसले उत्पन्न SO2 ग्यास भएको संकेत गर्दछ। सिलिका जेल बल द्वारा पूर्ण रूपमा अवशोषित गरिएको छ र उम्कन सक्दैन।

अंजीर। 4 सिलिका जेल desiccant को आवेदन को दायरा को अन्वेषण - सल्फर डाइअक्साइड

सिलिका जेल बलको एक भाग निकाल्नुहोस् र डिस्टिल्ड वाटरमा राख्नुहोस्। पूर्ण सन्तुलन पछि, निलो लिटमस पेपरमा थोरै मात्रामा पानीको थोपा लिनुहोस्। सिलिका जेलबाट SO2 desorbed गर्न डिस्टिल्ड वाटर पर्याप्त छैन भनी संकेत गर्दै परीक्षण पेपरले खासै परिवर्तन गर्दैन। सिलिका जेल बलको सानो भाग लिनुहोस् र यसलाई टेस्ट ट्यूबमा तताउनुहोस्। टेस्ट ट्यूबको मुखमा भिजेको नीलो लिटमस पेपर राख्नुहोस्। नीलो लिटमस पेपर रातो हुन्छ, यसले संकेत गर्छ कि तताउँदा सिलिका जेल बलबाट SO2 ग्यास डिसोर्ब हुन्छ, जसले गर्दा लिटमस पेपर रातो हुन्छ। माथिका प्रयोगहरूले देखाउँछन् कि सिलिका जेलको SO2 वा H2 SO3 मा बलियो सोखन प्रभाव छ, र SO2 ग्यास सुकाउनको लागि प्रयोग गर्न सकिँदैन।
2.4 सिलिका जेल डेसिकेन्टको प्रयोगको दायराको अन्वेषण - कार्बन डाइअक्साइड
चित्र 5 मा देखाइए अनुसार, सोडियम बाइकार्बोनेट सोल्युसन ड्रिपिङ फिनोल्फथालेन हल्का रातो देखिन्छ। सोडियम बाइकार्बोनेट ठोस तताइन्छ र परिणामस्वरूप ग्यास मिश्रण सुक्खा सिलिका जेल क्षेत्रहरू भएको सुकाउने ट्यूबबाट पारित गरिन्छ। सिलिका जेलले खासै परिवर्तन गर्दैन र सोडियम बाइकार्बोनेटले फेनोल्फथालिनसँग टपकाउँदा एचसीएललाई सोख्छ। रंगीन सिलिका जेलमा रहेको कोबाल्ट आयनले Cl- को साथ हरियो घोल बनाउँछ र बिस्तारै रङ्गहीन हुन्छ, जसले गोलाकार सुकाउने ट्यूबको अन्त्यमा CO2 ग्यास कम्प्लेक्स रहेको संकेत गर्छ। हल्का-हरियो सिलिका जेल डिस्टिल्ड पानीमा राखिएको छ, र सिलिका जेल बिस्तारै पहेंलोमा परिवर्तन हुन्छ, यसले संकेत गर्दछ कि सिलिका जेल द्वारा अवशोषित एचसीएल पानीमा सुशोभित गरिएको छ। माथिल्लो जलीय घोलको थोरै मात्रा सिल्भर नाइट्रेट घोलमा थपियो जसलाई नाइट्रिक एसिडले सेतो अवक्षेपण बनाउनको लागि एसिडिफाइड गरियो। थोरै मात्रामा जलीय घोल पीएच टेस्ट पेपरको फराकिलो दायरामा फ्याँकिन्छ, र परीक्षण पेपर रातो हुन्छ, जसले घोल अम्लीय छ भनी संकेत गर्छ। माथिका प्रयोगहरूले देखाउँछन् कि सिलिका जेलमा एचसीएल ग्यासको बलियो शोषण छ। HCl एक बलियो ध्रुवीय अणु हो, र सिलिका जेलको सतहमा रहेको हाइड्रोक्सिल समूहको पनि बलियो ध्रुवता हुन्छ, र ती दुईले अन्तरआणविक हाइड्रोजन बन्डहरू बनाउन सक्छन् वा अपेक्षाकृत बलियो द्विध्रुवीय द्विध्रुवीय अन्तरक्रिया हुन सक्छन्, परिणामस्वरूप सिलिकाको सतहको बीचमा अपेक्षाकृत बलियो अन्तरआणविक बल हुन्छ। जेल र एचसीएल अणुहरू, त्यसैले सिलिका जेलमा एचसीएलको बलियो अवशोषण हुन्छ। तसर्थ, सिलिकन सुकाउने एजेन्ट HCl एस्केप सुक्न प्रयोग गर्न सकिँदैन, त्यो हो, सिलिका जेलले CO2 सोख्दैन वा आंशिक रूपमा CO2 मात्र सोख्दैन।

अंजीर। 5 सिलिका जेल desiccant को आवेदन को दायरा को अन्वेषण - कार्बन डाइअक्साइड

कार्बन डाइअक्साइड ग्यासमा सिलिका जेलको अवशोषण प्रमाणित गर्न, निम्न प्रयोगहरू जारी छन्। गोलाकार सुकाउने ट्यूबमा सिलिका जेल बल हटाइयो, र भाग सोडियम बाइकार्बोनेट समाधान ड्रिपिंग phenolphthalein मा विभाजित गरियो। सोडियम बाइकार्बोनेट घोल रंगीन थियो। यसले देखाउँछ कि सिलिका जेलले कार्बन डाइअक्साइड सोस्छ, र पानीमा घुलनशील भएपछि, कार्बन डाइअक्साइड सोडियम बाइकार्बोनेट घोलमा अवशोषित हुन्छ, जसले सोडियम बाइकार्बोनेट घोल फेड बनाउँछ। सिलिकन बलको बाँकी भागलाई सुख्खा परीक्षण ट्यूबमा तताइन्छ, र परिणामस्वरूप ग्यासलाई फेनोल्फथालिनको साथ सोडियम बाइकार्बोनेटको घोलमा पठाइन्छ। चाँडै, सोडियम बाइकार्बोनेट समाधान हल्का रातो देखि रंगहीन मा परिवर्तन। यसले यो पनि देखाउँछ कि सिलिका जेलमा अझै पनि CO2 ग्यासको लागि शोषण क्षमता छ। यद्यपि, CO2 मा सिलिका जेलको शोषण बल HCl, NH3 र SO2 भन्दा धेरै सानो छ, र चित्र 5 मा प्रयोग गर्दा कार्बन डाइअक्साइड आंशिक रूपमा मात्र सोख्न सकिन्छ। सिलिका जेलले आंशिक रूपमा CO2 सोख्नुको कारण हुन सक्छ। त्यो सिलिका जेल र CO2 ले अन्तरआणविक हाइड्रोजन बन्ड बनाउँछ Si — OH… O =C। किनभने CO2 को केन्द्रीय कार्बन परमाणु sp हाइब्रिड हो, र सिलिका जेलमा सिलिकन परमाणु sp3 हाइब्रिड हो, रैखिक CO2 अणुले सिलिका जेलको सतहसँग राम्रोसँग सहकार्य गर्दैन, परिणामस्वरूप कार्बन डाइअक्साइडमा सिलिका जेलको शोषण बल अपेक्षाकृत हुन्छ। सानो।

3. पानीमा चार ग्यासहरूको घुलनशीलता र सिलिका जेलको सतहमा सोख्ने स्थिति बीचको तुलना माथिको प्रयोगात्मक नतिजाहरूबाट, यो देख्न सकिन्छ कि सिलिका जेलमा अमोनिया, हाइड्रोजन क्लोराइड र सल्फर डाइअक्साइडको लागि बलियो शोषण क्षमता छ, तर कार्बन डाइअक्साइड को लागी एक सानो शोषण बल (तालिका 1 हेर्नुहोस्)। यो पानीमा चार ग्यासहरूको घुलनशीलता जस्तै हो। यो हुन सक्छ किनभने पानीका अणुहरूमा हाइड्रोक्सी-ओएच हुन्छ, र सिलिका जेलको सतह पनि हाइड्रोक्सिलमा धनी हुन्छ, त्यसैले पानीमा यी चार ग्यासहरूको घुलनशीलता सिलिका जेलको सतहमा यसको शोषणसँग धेरै मिल्दोजुल्दो छ। अमोनिया ग्यास, हाइड्रोजन क्लोराइड र सल्फर डाइअक्साइडका तीन ग्यासहरूमध्ये सल्फर डाइअक्साइडको पानीमा सबैभन्दा कम घुलनशीलता हुन्छ, तर सिलिका जेलले सोसिएपछि तीनवटा ग्यासहरूमध्ये यसलाई विसर्जन गर्न सबैभन्दा गाह्रो हुन्छ। सिलिका जेलले अमोनिया र हाइड्रोजन क्लोराइडलाई सोखिसकेपछि, यसलाई विलायक पानीले desorbed गर्न सकिन्छ। सल्फर डाइअक्साइड ग्यास सिलिका जेल द्वारा सोसिए पछि, पानी संग desorption गर्न गाह्रो छ, र सिलिका जेल को सतह देखि desorption को लागि तताउनु पर्छ। त्यसकारण, सिलिका जेलको सतहमा चार ग्यासहरूको अवशोषण सैद्धान्तिक रूपमा गणना हुनुपर्छ।

4 सिलिका जेल र चार ग्यासहरू बीचको अन्तरक्रियाको सैद्धान्तिक गणना घनत्व कार्यात्मक सिद्धान्त (DFT) को ढाँचा अन्तर्गत क्वान्टमाइजेसन ORCA सफ्टवेयर [4] मा प्रस्तुत गरिएको छ। DFT D/B3LYP/Def2 TZVP विधि विभिन्न ग्याँस र सिलिका जेल बीच अन्तरक्रिया मोड र ऊर्जा गणना गर्न प्रयोग गरिएको थियो। गणनालाई सरल बनाउनको लागि, सिलिका जेल ठोसहरूलाई टेट्रामेरिक ओर्थोसिलिक एसिड अणुहरूद्वारा प्रतिनिधित्व गरिन्छ। गणना परिणामहरूले देखाउँछ कि H2 O, NH3 र HCl सबैले सिलिका जेलको सतहमा हाइड्रोक्सिल समूहसँग हाइड्रोजन बन्डहरू बनाउन सक्छन् (चित्र 6a ~ c हेर्नुहोस्)। तिनीहरूसँग सिलिका जेल सतहमा अपेक्षाकृत बलियो बाध्यकारी ऊर्जा छ (तालिका 2 हेर्नुहोस्) र सिलिका जेल सतहमा सजिलै सोखिन्छ। NH3 र HCl को बाध्यकारी ऊर्जा H2 O सँग मिल्दोजुल्दो भएकोले, पानीले धुनेले यी दुई ग्यास अणुहरूको पृथक्करण हुन सक्छ। SO2 अणुको लागि, यसको बाध्यकारी ऊर्जा मात्र -17.47 kJ/mol हो, जुन माथिका तीन अणुहरू भन्दा धेरै सानो छ। यद्यपि, प्रयोगले पुष्टि गर्‍यो कि SO2 ग्यास सिलिका जेलमा सजिलै सोसिन्छ, र धुनेले पनि यसलाई सुशोभित गर्न सक्दैन, र केवल तताउँदा SO2 सिलिका जेलको सतहबाट उम्कन सक्छ। तसर्थ, हामीले अनुमान लगायौं कि SO2 H2 SO3 अंशहरू बनाउनको लागि सिलिका जेलको सतहमा H2 O सँग संयोजन हुने सम्भावना छ। चित्र 6e ले देखाउँछ कि H2 SO3 अणुले सिलिका जेलको सतहमा हाइड्रोक्सिल र अक्सिजन परमाणुहरूसँग एकै समयमा तीनवटा हाइड्रोजन बन्डहरू बनाउँछ, र बाइन्डिङ ऊर्जा -76.63 kJ/mol को रूपमा उच्च हुन्छ, जसले SO2 किन सोखिन्छ भनेर बताउँछ। सिलिका जेल पानी संग टाढिन गाह्रो छ। गैर-ध्रुवीय CO2 सँग सिलिका जेलसँग सबैभन्दा कमजोर बाध्यकारी क्षमता हुन्छ, र सिलिका जेलले मात्र आंशिक रूपमा सोस्न सकिन्छ। यद्यपि H2 CO3 र सिलिका जेलको बाध्यकारी ऊर्जा पनि -65.65 kJ/mol मा पुग्यो, CO2 को H2 CO3 मा रूपान्तरण दर उच्च थिएन, त्यसैले CO2 को अवशोषण दर पनि कम भयो। माथिको तथ्याङ्कबाट यो देख्न सकिन्छ कि ग्यासको अणुको ध्रुवता सिलिका जेलले सोस्न सकिन्छ कि भनेर निर्णय गर्ने एकमात्र मापदण्ड होइन, र सिलिका जेल सतहसँग बनेको हाइड्रोजन बन्ड यसको स्थिर सोखनको मुख्य कारण हो।

सिलिका जेलको संरचना SiO2 ·nH2 O हो, सिलिका जेलको विशाल सतह क्षेत्र र सतहमा समृद्ध हाइड्रोक्सिल समूहले सिलिका जेल उत्कृष्ट प्रदर्शनको साथ गैर-विषाक्त ड्रायरको रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ, र उत्पादन र जीवनमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। । यस पेपरमा, यो प्रयोग र सैद्धान्तिक गणनाका दुई पक्षहरूबाट पुष्टि गरिएको छ कि सिलिका जेलले NH3, HCl, SO2, CO2 र अन्य ग्याँसहरू इन्टरमोलिक्युलर हाइड्रोजन बन्डहरू मार्फत सोस्न सक्छ, त्यसैले यी ग्यासहरू सुकाउन सिलिका जेल प्रयोग गर्न सकिँदैन। सिलिका जेलको संरचना SiO2 ·nH2 O हो, सिलिका जेलको विशाल सतह क्षेत्र र सतहमा समृद्ध हाइड्रोक्सिल समूहले सिलिका जेल उत्कृष्ट प्रदर्शनको साथ गैर-विषाक्त ड्रायरको रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ, र उत्पादन र जीवनमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। । यस पेपरमा, यो प्रयोग र सैद्धान्तिक गणनाका दुई पक्षहरूबाट पुष्टि गरिएको छ कि सिलिका जेलले NH3, HCl, SO2, CO2 र अन्य ग्याँसहरू इन्टरमोलिक्युलर हाइड्रोजन बन्डहरू मार्फत सोस्न सक्छ, त्यसैले यी ग्यासहरू सुकाउन सिलिका जेल प्रयोग गर्न सकिँदैन।

३
अंजीर। 6 विभिन्न अणुहरू र सिलिका जेल सतहहरू बीच अन्तरक्रिया मोडहरू DFT विधि द्वारा गणना