सिलिका जेल डेसिकेंटच्या वापराच्या व्याप्तीवर संशोधन

उत्पादन आणि जीवनात, सिलिका जेलचा वापर N2, हवा, हायड्रोजन, नैसर्गिक वायू [१] आणि इतर सुकविण्यासाठी केला जाऊ शकतो. ऍसिड आणि अल्कलीनुसार, डेसिकेंटमध्ये विभागले जाऊ शकते: ऍसिड डेसिकेंट, अल्कलाइन डेसिकेंट आणि न्यूट्रल डेसिकेंट [२]. सिलिका जेल हे तटस्थ ड्रायर असल्याचे दिसते जे NH3, HCl, SO2, इत्यादी कोरडे करते. तथापि, तत्त्वाच्या दृष्टिकोनातून, सिलिका जेल ऑर्थोसिलिक ऍसिड रेणूंच्या त्रि-आयामी इंटरमोलेक्युलर निर्जलीकरणाने बनलेले आहे, मुख्य भाग SiO2 आहे. आणि पृष्ठभाग हायड्रॉक्सिल गटांनी समृद्ध आहे (आकृती 1 पहा). सिलिका जेल पाणी शोषून घेण्याचे कारण म्हणजे सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावरील सिलिकॉन हायड्रॉक्सिल गट पाण्याच्या रेणूंसह इंटरमॉलिक्युलर हायड्रोजन बंध तयार करू शकतो, त्यामुळे ते पाणी शोषू शकते आणि अशा प्रकारे कोरडेपणाची भूमिका बजावू शकते. रंग बदलणाऱ्या सिलिका जेलमध्ये कोबाल्ट आयन असतात आणि शोषणाचे पाणी संपृक्ततेपर्यंत पोहोचल्यानंतर, रंग बदलणाऱ्या सिलिका जेलमधील कोबाल्ट आयन हायड्रेटेड कोबाल्ट आयन बनतात, ज्यामुळे निळा सिलिका जेल गुलाबी होतो. काही कालावधीसाठी गुलाबी सिलिका जेल 200 डिग्री सेल्सियस तापमानात गरम केल्यानंतर, सिलिका जेल आणि पाण्याच्या रेणूंमधील हायड्रोजन बंध तुटतो आणि विकृत सिलिका जेल पुन्हा निळा होईल, ज्यामुळे सिलिकिक ऍसिड आणि सिलिका जेलची रचना रेखाचित्र तयार होऊ शकते. आकृती 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे पुन्हा वापरा. ​​म्हणून, सिलिका जेलची पृष्ठभाग हायड्रॉक्सिल गटांनी समृद्ध असल्याने, सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावर NH3 आणि HCl इत्यादीसह इंटरमॉलिक्युलर हायड्रोजन बंध देखील तयार होऊ शकतात आणि असे कार्य करण्याचा कोणताही मार्ग असू शकत नाही. NH3 आणि HCl चे desiccant, आणि विद्यमान साहित्यात कोणताही संबंधित अहवाल नाही. मग परिणाम काय होते? या विषयावर पुढील प्रायोगिक संशोधन केले आहे.

अंजीर. 1 ऑर्थो-सिलिकिक ऍसिड आणि सिलिका जेलची रचना आकृती

2 प्रयोग भाग
2.1 सिलिका जेल डेसिकेंटच्या वापराच्या व्याप्तीचे अन्वेषण — अमोनिया प्रथम, विकृत सिलिका जेल अनुक्रमे डिस्टिल्ड वॉटर आणि केंद्रित अमोनिया पाण्यात ठेवण्यात आले. डिस्टिल्ड वॉटरमध्ये रंगीत सिलिका जेल गुलाबी होते; एकाग्र अमोनियामध्ये, रंग बदलणारा सिलिकॉन प्रथम लाल होतो आणि हळूहळू हलका निळा होतो. हे दर्शविते की सिलिका जेल अमोनियामध्ये NH3 किंवा NH3 ·H2 O शोषू शकते. आकृती 2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, घन कॅल्शियम हायड्रॉक्साईड आणि अमोनियम क्लोराईड चाचणी ट्यूबमध्ये समान रीतीने मिसळले जातात आणि गरम केले जातात. परिणामी वायू अल्कली चुना आणि नंतर सिलिका जेलद्वारे काढून टाकला जातो. प्रवेशद्वाराजवळील सिलिका जेलचा रंग हलका होतो (चित्र 2 मधील सिलिका जेल डेसिकेंटच्या अनुप्रयोगाच्या व्याप्तीचा रंग शोधला आहे — अमोनिया 73, 2023 चा 8वा टप्पा मुळात सिलिका जेलच्या भिजवलेल्या रंगासारखाच आहे. एकाग्र केलेल्या अमोनिया पाण्यात), आणि pH चाचणी पेपरमध्ये कोणताही स्पष्ट बदल नाही. हे सूचित करते की उत्पादित NH3 pH चाचणी पेपरपर्यंत पोहोचले नाही आणि ते पूर्णपणे शोषले गेले आहे. काही काळानंतर, गरम करणे थांबवा, सिलिका जेल बॉलचा एक छोटासा भाग काढून टाका, तो डिस्टिल्ड पाण्यात टाका, पाण्यात फेनोल्फथालीन घाला, द्रावण लाल होईल, हे सूचित करते की सिलिका जेलचा तीव्र शोषण प्रभाव पडतो. NH3, डिस्टिल्ड वॉटर डिटॅच केल्यानंतर, NH3 डिस्टिल्ड वॉटरमध्ये प्रवेश करते, द्रावण अल्कधर्मी असते. म्हणून, सिलिका जेलमध्ये NH3 साठी मजबूत शोषण असल्यामुळे, सिलिकॉन ड्रायिंग एजंट NH3 कोरडे करू शकत नाही.

अंजीर. 2 सिलिका जेल डेसिकेंट - अमोनियाच्या वापराच्या व्याप्तीचा शोध

2.2 सिलिका जेल डेसिकेंटच्या वापराच्या व्याप्तीचे अन्वेषण — हायड्रोजन क्लोराईड घन घटकांमधील ओले पाणी काढून टाकण्यासाठी अल्कोहोल दिव्याच्या ज्वालासह प्रथम NaCl सॉलिड्स जाळते. नमुना थंड केल्यानंतर, ताबडतोब मोठ्या प्रमाणात बुडबुडे तयार करण्यासाठी NaCl घन पदार्थांमध्ये केंद्रित सल्फ्यूरिक ऍसिड जोडले जाते. व्युत्पन्न झालेला वायू सिलिका जेल असलेल्या गोलाकार ड्रायिंग ट्यूबमध्ये जातो आणि कोरड्या नळीच्या शेवटी एक ओला pH चाचणी पेपर ठेवला जातो. समोरच्या टोकाला असलेला सिलिका जेल हलका हिरवा होतो आणि ओल्या pH चाचणी पेपरमध्ये कोणताही स्पष्ट बदल नाही (चित्र 3 पहा). हे दर्शविते की व्युत्पन्न केलेला एचसीएल वायू सिलिका जेलद्वारे पूर्णपणे शोषला जातो आणि हवेत बाहेर पडत नाही.

आकृती 3 सिलिका जेल डेसिकेंट - हायड्रोजन क्लोराईडच्या वापराच्या व्याप्तीवर संशोधन

सिलिका जेलने एचसीएल शोषले आणि फिकट हिरवे झाले ते एका चाचणी ट्यूबमध्ये ठेवण्यात आले. नवीन ब्लू सिलिका जेल टेस्ट ट्युबमध्ये टाका, त्यात कॉन्सेन्ट्रेटेड हायड्रोक्लोरिक ॲसिड टाका, सिलिका जेलचा रंगही हलका हिरवा होईल, दोन्ही रंग मुळात सारखेच आहेत. हे गोलाकार कोरडे नलिकामध्ये सिलिका जेल वायू दर्शविते.

2.3 सिलिका जेल डेसिकेंटच्या वापराच्या व्याप्तीचे अन्वेषण — सल्फर डायऑक्साइड सोडियम थायोसल्फेट सॉलिडसह मिश्रित केंद्रित सल्फ्यूरिक ऍसिड (आकृती 4 पहा), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; व्युत्पन्न होणारा वायू कोरड्या नळीतून जातो ज्यामध्ये रंगीत सिलिका जेल असते, विकृत सिलिका जेल हलका निळा-हिरवा बनतो आणि ओल्या चाचणी पेपरच्या शेवटी असलेला निळा लिटमस पेपर लक्षणीय बदलत नाही, हे दर्शविते की व्युत्पन्न SO2 वायू आहे. सिलिका जेल बॉल द्वारे पूर्णपणे शोषले गेले आहे आणि बाहेर पडू शकत नाही.

अंजीर. 4 सिलिका जेल डेसिकेंट - सल्फर डायऑक्साइड वापरण्याच्या व्याप्तीचा शोध

सिलिका जेल बॉलचा एक भाग काढून डिस्टिल्ड वॉटरमध्ये टाका. पूर्ण शिल्लक झाल्यानंतर, निळ्या लिटमस पेपरवर थोड्या प्रमाणात पाण्याचा थेंब घ्या. चाचणी पेपरमध्ये लक्षणीय बदल होत नाही, हे दर्शविते की डिस्टिल्ड वॉटर सिलिका जेलमधून SO2 शोषण्यासाठी पुरेसे नाही. सिलिका जेल बॉलचा एक छोटासा भाग घ्या आणि टेस्ट ट्यूबमध्ये गरम करा. टेस्ट ट्यूबच्या तोंडावर ओला निळा लिटमस पेपर ठेवा. निळा लिटमस पेपर लाल होतो, हे दर्शविते की गरम केल्याने सिलिका जेल बॉलमधून SO2 वायू शोषला जातो, त्यामुळे लिटमस पेपर लाल होतो. वरील प्रयोगांवरून असे दिसून आले आहे की सिलिका जेलचा SO2 किंवा H2 SO3 वर देखील मजबूत शोषण प्रभाव असतो आणि SO2 वायू सुकविण्यासाठी वापरता येत नाही.
2.4 सिलिका जेल डेसिकेंटच्या वापराच्या व्याप्तीचे अन्वेषण - कार्बन डायऑक्साइड
आकृती 5 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, सोडियम बायकार्बोनेट द्रावण ड्रिपिंग फेनोल्फथालीन हलके लाल दिसते. सोडियम बायकार्बोनेट सॉलिड गरम केले जाते आणि परिणामी वायूचे मिश्रण वाळलेल्या सिलिका जेल गोलाकार असलेल्या कोरड्या नळीतून जाते. सिलिका जेल लक्षणीय बदलत नाही आणि सोडियम बायकार्बोनेट फेनोल्फथालीनसह टपकल्याने एचसीएल शोषून घेते. रंगीत सिलिका जेलमधील कोबाल्ट आयन Cl- सह हिरवे द्रावण बनवते आणि हळूहळू रंगहीन होते, हे सूचित करते की गोलाकार कोरड्या नळीच्या शेवटी CO2 वायू संकुल आहे. हलका-हिरवा सिलिका जेल डिस्टिल्ड पाण्यात ठेवला जातो आणि रंगीत सिलिका जेल हळूहळू पिवळ्या रंगात बदलते, हे दर्शवते की सिलिका जेलद्वारे शोषलेले एचसीएल पाण्यात शोषले गेले आहे. वरच्या जलीय द्रावणाची थोडीशी मात्रा सिल्व्हर नायट्रेट द्रावणात जोडली गेली ज्याला नायट्रिक ऍसिडने ऍसिडिफाइड केले आणि पांढरा अवक्षेप तयार केला. पीएच चाचणी पेपरच्या विस्तृत श्रेणीवर थोड्या प्रमाणात जलीय द्रावण टाकले जाते आणि चाचणी पेपर लाल होतो, हे द्रावण अम्लीय असल्याचे सूचित करते. वरील प्रयोगांवरून असे दिसून येते की सिलिका जेलमध्ये एचसीएल वायूचे तीव्र शोषण होते. HCl हा एक मजबूत ध्रुवीय रेणू आहे, आणि सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावरील हायड्रॉक्सिल गटामध्ये देखील मजबूत ध्रुवीयता आहे, आणि ते दोन्ही आंतरमोलेक्युलर हायड्रोजन बंध तयार करू शकतात किंवा तुलनेने मजबूत द्विध्रुवीय द्विध्रुवीय परस्परसंवाद असू शकतात, परिणामी सिलिकाच्या पृष्ठभागाच्या दरम्यान तुलनेने मजबूत आंतरआण्विक शक्ती निर्माण होते. जेल आणि एचसीएल रेणू, त्यामुळे सिलिका जेलमध्ये एचसीएलचे मजबूत शोषण असते. म्हणून, सिलिकॉन ड्रायिंग एजंटचा वापर HCl एस्केप सुकविण्यासाठी केला जाऊ शकत नाही, म्हणजेच, सिलिका जेल CO2 शोषत नाही किंवा केवळ अंशतः CO2 शोषून घेत नाही.

अंजीर. 5 सिलिका जेल डेसिकेंट - कार्बन डायऑक्साइडच्या वापराच्या व्याप्तीचे अन्वेषण

सिलिका जेलचे कार्बन डायऑक्साइड वायूचे शोषण सिद्ध करण्यासाठी, पुढील प्रयोग चालू ठेवले आहेत. गोलाकार कोरड्या नळीतील सिलिका जेल बॉल काढून टाकण्यात आला आणि तो भाग सोडियम बायकार्बोनेट द्रावण ड्रिपिंग फिनोल्फथालीनमध्ये विभागला गेला. सोडियम बायकार्बोनेटचे द्रावण रंगीत होते. यावरून असे दिसून येते की सिलिका जेल कार्बन डायऑक्साइड शोषून घेते आणि पाण्यात विरघळल्यानंतर, कार्बन डायऑक्साइड सोडियम बायकार्बोनेट द्रावणात शोषून घेते, ज्यामुळे सोडियम बायकार्बोनेट द्रावण फिकट होते. सिलिकॉन बॉलचा उर्वरित भाग कोरड्या चाचणी ट्यूबमध्ये गरम केला जातो आणि परिणामी वायू सोडियम बायकार्बोनेटच्या द्रावणात फेनोल्फथालीनसह सोडला जातो. लवकरच, सोडियम बायकार्बोनेटचे द्रावण हलके लाल ते रंगहीन होते. हे देखील दर्शविते की सिलिका जेलमध्ये अजूनही CO2 वायूची शोषण क्षमता आहे. तथापि, CO2 वरील सिलिका जेलची शोषण शक्ती HCl, NH3 आणि SO2 पेक्षा खूपच लहान आहे आणि आकृती 5 मधील प्रयोगादरम्यान कार्बन डायऑक्साइड केवळ अंशतः शोषला जाऊ शकतो. सिलिका जेल अंशतः CO2 शोषण्याचे कारण असू शकते. की सिलिका जेल आणि CO2 आंतरमोलिक्युलर हायड्रोजन बंध तयार करतात Si — OH… O =C. CO2 चा मध्यवर्ती कार्बन अणू sp संकरित असल्याने आणि सिलिका जेलमधील सिलिकॉन अणू sp3 संकरित असल्याने, रेखीय CO2 रेणू सिलिका जेलच्या पृष्ठभागाशी चांगले सहकार्य करत नाही, परिणामी कार्बन डायऑक्साइडवर सिलिका जेलचे शोषण बल तुलनेने कमी होते. लहान

3.पाण्यातील चार वायूंची विद्राव्यता आणि सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावरील शोषण स्थिती यांच्यातील तुलना वरील प्रायोगिक परिणामांवरून असे दिसून येते की सिलिका जेलमध्ये अमोनिया, हायड्रोजन क्लोराईड आणि सल्फर डायऑक्साइडसाठी मजबूत शोषण क्षमता आहे, परंतु कार्बन डायऑक्साइडसाठी एक लहान शोषण शक्ती (तक्ता 1 पहा). हे पाण्यातील चार वायूंच्या विद्राव्यतेसारखे आहे. याचे कारण असे असू शकते कारण पाण्याच्या रेणूंमध्ये हायड्रॉक्सी-ओएच असते आणि सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावर हायड्रॉक्सिल देखील समृद्ध असते, त्यामुळे पाण्यातील या चार वायूंची विद्राव्यता सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावरील शोषणासारखीच असते. अमोनिया वायू, हायड्रोजन क्लोराईड आणि सल्फर डायऑक्साइड या तीन वायूंपैकी, सल्फर डायऑक्साइडची पाण्यात सर्वात कमी विद्राव्यता असते, परंतु सिलिका जेलद्वारे शोषून घेतल्यानंतर, तीन वायूंमध्ये ते विघटन करणे सर्वात कठीण असते. सिलिका जेल अमोनिया आणि हायड्रोजन क्लोराईड शोषल्यानंतर, ते सॉल्व्हेंट पाण्याने शोषले जाऊ शकते. सल्फर डायऑक्साइड वायू सिलिका जेलद्वारे शोषल्यानंतर, पाण्याने विसर्जन करणे कठीण होते आणि सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावरून विशोषण करण्यासाठी गरम करणे आवश्यक आहे. म्हणून, सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावरील चार वायूंचे शोषण सैद्धांतिकदृष्ट्या मोजले जाणे आवश्यक आहे.

4 सिलिका जेल आणि चार वायू यांच्यातील परस्परसंवादाची सैद्धांतिक गणना घनता कार्यात्मक सिद्धांत (DFT) च्या फ्रेमवर्क अंतर्गत क्वांट्युमायझेशन ORCA सॉफ्टवेअर [4] मध्ये सादर केली जाते. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP पद्धतीचा वापर विविध वायू आणि सिलिका जेलमधील परस्परसंवाद मोड आणि ऊर्जा मोजण्यासाठी केला गेला. गणना सुलभ करण्यासाठी, सिलिका जेल सॉलिड्स टेट्रामेरिक ऑर्थोसिलिक ऍसिड रेणूंद्वारे दर्शविले जातात. गणना परिणाम दर्शविते की H2 O, NH3 आणि HCl सर्व हायड्रोजन बंध तयार करू शकतात सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावर हायड्रोक्सिल गट (आकृती 6a ~ c पहा). त्यांच्याकडे सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावर तुलनेने मजबूत बंधनकारक ऊर्जा असते (तक्ता 2 पहा) आणि सिलिका जेल पृष्ठभागावर सहजपणे शोषली जातात. NH3 आणि HCl ची बंधनकारक ऊर्जा H2 O सारखीच असल्याने, पाण्याने धुतल्याने या दोन वायू रेणूंचे विघटन होऊ शकते. SO2 रेणूसाठी, त्याची बंधनकारक ऊर्जा फक्त -17.47 kJ/mol आहे, जी वरील तीन रेणूंपेक्षा खूपच लहान आहे. तथापि, प्रयोगाने पुष्टी केली की SO2 वायू सिलिका जेलवर सहजपणे शोषला जातो आणि धुण्याने देखील ते शोषले जाऊ शकत नाही आणि केवळ गरम केल्याने SO2 सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावरुन बाहेर पडू शकतो. म्हणून, आम्ही अंदाज लावला की SO2 सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावर H2 O सह एकत्रित होऊन H2 SO3 अपूर्णांक बनण्याची शक्यता आहे. आकृती 6e दर्शविते की H2 SO3 रेणू एकाच वेळी सिलिका जेलच्या पृष्ठभागावर हायड्रोक्सिल आणि ऑक्सिजन अणूंसह तीन हायड्रोजन बंध तयार करतो आणि बंधनकारक ऊर्जा -76.63 kJ/mol इतकी जास्त असते, जे SO2 वर का शोषले जाते हे स्पष्ट करते. सिलिका जेल पाण्याने बाहेर पडणे कठीण आहे. नॉन-ध्रुवीय CO2 मध्ये सिलिका जेलसह सर्वात कमकुवत बंधनकारक क्षमता असते आणि सिलिका जेलद्वारे केवळ अंशतः शोषले जाऊ शकते. जरी H2 CO3 आणि सिलिका जेलची बंधनकारक ऊर्जा देखील -65.65 kJ/mol वर पोहोचली असली तरी CO2 ते H2 CO3 चे रूपांतरण दर जास्त नव्हता, त्यामुळे CO2 चे शोषण दर देखील कमी झाला. वरील डेटावरून असे दिसून येते की सिलिका जेलद्वारे ते शोषले जाऊ शकते की नाही हे ठरवण्यासाठी गॅस रेणूची ध्रुवीयता हा एकमेव निकष नाही आणि सिलिका जेलच्या पृष्ठभागासह तयार झालेला हायड्रोजन बंध हे त्याच्या स्थिर शोषणाचे मुख्य कारण आहे.

सिलिका जेलची रचना SiO2 ·nH2 O आहे, सिलिका जेलचे प्रचंड क्षेत्रफळ आणि पृष्ठभागावरील समृद्ध हायड्रॉक्सिल गटामुळे सिलिका जेल उत्कृष्ट कार्यक्षमतेसह गैर-विषारी ड्रायर म्हणून वापरली जाऊ शकते आणि उत्पादन आणि जीवनात मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते. . या पेपरमध्ये, प्रयोग आणि सैद्धांतिक गणनेच्या दोन पैलूंवरून याची पुष्टी केली गेली आहे की सिलिका जेल NH3, HCl, SO2, CO2 आणि इतर वायू इंटरमॉलिक्युलर हायड्रोजन बाँडद्वारे शोषू शकते, म्हणून सिलिका जेल हे वायू सुकविण्यासाठी वापरता येत नाही. सिलिका जेलची रचना SiO2 ·nH2 O आहे, सिलिका जेलचे प्रचंड क्षेत्रफळ आणि पृष्ठभागावरील समृद्ध हायड्रॉक्सिल गटामुळे सिलिका जेल उत्कृष्ट कार्यक्षमतेसह गैर-विषारी ड्रायर म्हणून वापरली जाऊ शकते आणि उत्पादन आणि जीवनात मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते. . या पेपरमध्ये, प्रयोग आणि सैद्धांतिक गणनेच्या दोन पैलूंवरून याची पुष्टी केली गेली आहे की सिलिका जेल NH3, HCl, SO2, CO2 आणि इतर वायू इंटरमॉलिक्युलर हायड्रोजन बाँडद्वारे शोषू शकते, म्हणून सिलिका जेल हे वायू सुकविण्यासाठी वापरता येत नाही.

3
अंजीर. 6 भिन्न रेणू आणि सिलिका जेल पृष्ठभाग यांच्यातील परस्परसंवाद मोड DFT पद्धतीने मोजले जातात