بحث حول نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف

في الإنتاج والحياة، يمكن استخدام هلام السيليكا لتجفيف N2 والهواء والهيدروجين والغاز الطبيعي [1] وما إلى ذلك. وفقا للأحماض والقلويات، يمكن تقسيم المجفف إلى: المجفف الحمضي، المجفف القلوي والمجفف المحايد [2]. يبدو أن هلام السيليكا عبارة عن مجفف محايد يبدو أنه يجفف NH3 وHCl وSO2 وما إلى ذلك. ومع ذلك، من وجهة النظر الأساسية، يتكون هلام السيليكا من تجفيف ثلاثي الأبعاد بين الجزيئات لجزيئات حمض أورثوسيليسيك، والجسم الرئيسي هو SiO2، والسطح غني بمجموعات الهيدروكسيل (انظر الشكل 1). السبب وراء قدرة هلام السيليكا على امتصاص الماء هو أن مجموعة هيدروكسيل السيليكون الموجودة على سطح هلام السيليكا يمكن أن تشكل روابط هيدروجينية بين الجزيئات مع جزيئات الماء، لذلك يمكنها امتصاص الماء وبالتالي لعب دور التجفيف. يحتوي هلام السيليكا المتغير اللون على أيونات الكوبالت، وبعد أن يصل ماء الامتزاز إلى التشبع، تصبح أيونات الكوبالت الموجودة في هلام السيليكا المتغير اللون أيونات كوبالت رطبة، بحيث يصبح هلام السيليكا الأزرق ورديًا. بعد تسخين هلام السيليكا الوردي عند درجة حرارة 200 درجة مئوية لفترة من الوقت، تنكسر الرابطة الهيدروجينية بين هلام السيليكا وجزيئات الماء، ويتحول لون هلام السيليكا المتغير إلى اللون الأزرق مرة أخرى، بحيث يمكن رسم مخطط هيكل حمض السيليكا وهلام السيليكا يمكن إعادة استخدامها كما هو موضح في الشكل 1. لذا، نظرًا لأن سطح هلام السيليكا غني بمجموعات الهيدروكسيل، فقد يشكل سطح هلام السيليكا أيضًا روابط هيدروجينية بين الجزيئات مع NH3 وHCl، وما إلى ذلك، وقد لا تكون هناك طريقة للعمل مجفف من NH3 وHCl، ولا يوجد تقرير ذو صلة في الأدبيات الموجودة. إذن ماذا كانت النتائج؟ وقد قام هذا الموضوع بالبحث التجريبي التالي.

تين. 1 مخطط هيكلي لحمض أورثو سيليسيك وهلام السيليكا

2 جزء التجربة
2.1 استكشاف نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف - الأمونيا أولاً، تم وضع هلام السيليكا متغير اللون في الماء المقطر وماء الأمونيا المركز على التوالي. يتحول هلام السيليكا الذي تغير لونه إلى اللون الوردي في الماء المقطر؛ في الأمونيا المركزة، يتحول لون السيليكون المتغير أولاً إلى اللون الأحمر ثم يتحول ببطء إلى اللون الأزرق الفاتح. وهذا يدل على أن هلام السيليكا يمكن أن يمتص NH3 أو NH3·H2O في الأمونيا. كما هو موضح في الشكل 2، يتم خلط هيدروكسيد الكالسيوم الصلب وكلوريد الأمونيوم بالتساوي وتسخينهما في أنبوب اختبار. تتم إزالة الغاز الناتج بواسطة الجير القلوي ثم بواسطة هلام السيليكا. يصبح لون هلام السيليكا بالقرب من اتجاه المدخل أفتح (تم استكشاف لون نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف في الشكل 2 - الأمونيا 73، المرحلة الثامنة من عام 2023 هي في الأساس نفس لون هلام السيليكا المنقوع في ماء الأمونيا المركز)، ولا تحتوي ورقة اختبار الرقم الهيدروجيني على أي تغيير واضح. يشير هذا إلى أن NH3 الناتج لم يصل إلى ورقة اختبار الرقم الهيدروجيني، وتم امتصاصه بالكامل. بعد فترة من الوقت، أوقف التسخين، وأخرج جزءًا صغيرًا من كرة هلام السيليكا، وضعها في الماء المقطر، وأضف الفينول فثالين إلى الماء، ويتحول المحلول إلى اللون الأحمر، مما يشير إلى أن هلام السيليكا له تأثير امتصاص قوي على NH3، بعد فصل الماء المقطر، يدخل NH3 إلى الماء المقطر، ويكون المحلول قلويًا. لذلك، نظرًا لأن هلام السيليكا يتمتع بامتصاص قوي لـ NH3، فإن عامل تجفيف السيليكون لا يمكنه تجفيف NH3.

تين. 2 استكشاف نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف - الأمونيا

2.2 استكشاف نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف - يقوم كلوريد الهيدروجين أولاً بحرق المواد الصلبة NaCl باستخدام لهب مصباح الكحول لإزالة الماء الرطب في المكونات الصلبة. بعد تبريد العينة، يضاف حمض الكبريتيك المركز إلى المواد الصلبة NaCl لإنتاج عدد كبير من الفقاعات على الفور. يتم تمرير الغاز المتولد إلى أنبوب تجفيف كروي يحتوي على هلام السيليكا، ويتم وضع ورقة اختبار الرقم الهيدروجيني الرطب في نهاية أنبوب التجفيف. يتحول هلام السيليكا الموجود في الطرف الأمامي إلى اللون الأخضر الفاتح، ولا تحتوي ورقة اختبار الرقم الهيدروجيني الرطب على أي تغيير واضح (انظر الشكل 3). وهذا يدل على أن غاز حمض الهيدروكلوريك المتولد يتم امتصاصه بالكامل بواسطة هلام السيليكا ولا يتسرب إلى الهواء.

الشكل 3: بحث حول نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف - كلوريد الهيدروجين

تم وضع هلام السيليكا الممتز بحمض الهيدروكلوريك وتحول إلى اللون الأخضر الفاتح في أنبوب اختبار. ضع هلام السيليكا الأزرق الجديد في أنبوب الاختبار، وأضف حمض الهيدروكلوريك المركز، ويصبح هلام السيليكا أيضًا لونًا أخضر فاتحًا، واللونان متماثلان بشكل أساسي. يُظهر هذا غاز هلام السيليكا الموجود في أنبوب التجفيف الكروي.

2.3 استكشاف نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف - ثاني أكسيد الكبريت حمض الكبريتيك المركز المختلط مع ثيوكبريتات الصوديوم الصلبة (انظر الشكل 4)، NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O؛ يتم تمرير الغاز المتولد من خلال أنبوب التجفيف الذي يحتوي على هلام السيليكا متغير اللون، ويصبح هلام السيليكا متغير اللون أزرق-أخضر فاتح، ولا تتغير ورقة عباد الشمس الزرقاء في نهاية ورقة الاختبار الرطب بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن غاز ثاني أكسيد الكبريت المتولد لديه تم امتصاصها بالكامل بواسطة كرة هلام السيليكا ولا يمكنها الهروب.

تين. 4 استكشاف نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف - ثاني أكسيد الكبريت

انزع جزءًا من كرة هلام السيليكا وضعها في الماء المقطر. بعد تحقيق التوازن الكامل، خذ كمية صغيرة من قطرة الماء على ورقة عباد الشمس الزرقاء. لا تتغير ورقة الاختبار بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن الماء المقطر لا يكفي لامتصاص ثاني أكسيد الكبريت من هلام السيليكا. خذ جزءًا صغيرًا من كرة هلام السيليكا وقم بتسخينها في أنبوب الاختبار. ضع ورقة عباد الشمس الزرقاء المبللة عند فتحة أنبوب الاختبار. تتحول ورقة عباد الشمس الزرقاء إلى اللون الأحمر، مما يشير إلى أن التسخين يؤدي إلى امتصاص غاز ثاني أكسيد الكبريت من كرة هلام السيليكا، مما يجعل ورقة عباد الشمس تتحول إلى اللون الأحمر. تظهر التجارب المذكورة أعلاه أن هلام السيليكا له أيضًا تأثير امتصاص قوي على ثاني أكسيد الكبريت أو حمض الكبريتيك، ولا يمكن استخدامه لتجفيف غاز ثاني أكسيد الكبريت.
2.4 استكشاف نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف - ثاني أكسيد الكربون
كما هو مبين في الشكل 5، يظهر محلول بيكربونات الصوديوم المتساقط من الفينول فثالين باللون الأحمر الفاتح. يتم تسخين مادة بيكربونات الصوديوم الصلبة وتمرير خليط الغاز الناتج عبر أنبوب تجفيف يحتوي على كرات هلام السيليكا المجففة. لا يتغير هلام السيليكا بشكل ملحوظ ويقوم بيكربونات الصوديوم المتساقطة مع الفينول فثالين بامتصاص حمض الهيدروكلوريك. يشكل أيون الكوبالت الموجود في هلام السيليكا المتغير اللون محلولًا أخضر مع Cl- ويصبح عديم اللون تدريجيًا، مما يشير إلى وجود مركب غاز ثاني أكسيد الكربون في نهاية أنبوب التجفيف الكروي. يتم وضع هلام السيليكا ذو اللون الأخضر الفاتح في الماء المقطر، ويتغير هلام السيليكا متغير اللون تدريجيًا إلى اللون الأصفر، مما يشير إلى أن حمض الهيدروكلوريك الممتز بواسطة هلام السيليكا قد تم امتصاصه في الماء. تمت إضافة كمية صغيرة من المحلول المائي العلوي إلى محلول نترات الفضة المحمض بحمض النيتريك لتكوين راسب أبيض. يتم إسقاط كمية صغيرة من المحلول المائي على نطاق واسع من ورق اختبار الأس الهيدروجيني، ويتحول لون ورقة الاختبار إلى اللون الأحمر، مما يشير إلى أن المحلول حمضي. تظهر التجارب المذكورة أعلاه أن هلام السيليكا لديه امتصاص قوي لغاز حمض الهيدروكلوريك. حمض الهيدروكلوريك هو جزيء قطبي قوي، ومجموعة الهيدروكسيل الموجودة على سطح هلام السيليكا لها أيضًا قطبية قوية، وقد يشكل الاثنان روابط هيدروجينية بين الجزيئات أو يكون لهما تفاعل ثنائي القطب ثنائي القطب قوي نسبيًا، مما يؤدي إلى قوة جزيئية قوية نسبيًا بين سطح السيليكا. جزيئات الهلام وحمض الهيدروكلوريك، لذلك يتمتع هلام السيليكا بامتصاص قوي لحمض الهيدروكلوريك. لذلك، لا يمكن استخدام عامل تجفيف السيليكون لتجفيف هروب حمض الهيدروكلوريك، أي أن هلام السيليكا لا يمتص ثاني أكسيد الكربون أو يمتص ثاني أكسيد الكربون جزئيًا فقط.

تين. 5 استكشاف نطاق تطبيق هلام السيليكا المجفف - ثاني أكسيد الكربون

من أجل إثبات امتزاز هلام السيليكا إلى غاز ثاني أكسيد الكربون، تستمر التجارب التالية: تمت إزالة كرة هلام السيليكا الموجودة في أنبوب التجفيف الكروي، وتم تقسيم الجزء إلى محلول بيكربونات الصوديوم الذي يقطر الفينول فثالين. تم إزالة لون محلول بيكربونات الصوديوم. وهذا يدل على أن هلام السيليكا يمتص ثاني أكسيد الكربون، وبعد ذوبانه في الماء، يمتص ثاني أكسيد الكربون إلى محلول بيكربونات الصوديوم، مما يجعل محلول بيكربونات الصوديوم يتلاشى. يتم تسخين الجزء المتبقي من كرة السيليكون في أنبوب اختبار جاف، ويتم تمرير الغاز الناتج إلى محلول بيكربونات الصوديوم المقطر مع الفينول فثالين. وسرعان ما يتغير لون محلول بيكربونات الصوديوم من اللون الأحمر الفاتح إلى اللون عديم اللون. وهذا يوضح أيضًا أن هلام السيليكا لا يزال لديه القدرة على امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، فإن قوة امتصاص هلام السيليكا على ثاني أكسيد الكربون أصغر بكثير من قوة امتصاص حمض الهيدروكلوريك وNH3 وSO2، ولا يمكن امتصاص ثاني أكسيد الكربون إلا جزئيًا أثناء التجربة في الشكل 5. من المحتمل أن يكون السبب وراء قدرة هلام السيليكا على امتصاص ثاني أكسيد الكربون جزئيًا هو أن هلام السيليكا وثاني أكسيد الكربون يشكلان روابط هيدروجينية بين الجزيئات Si — OH… O =C. نظرًا لأن ذرة الكربون المركزية لثاني أكسيد الكربون هي sp هجينة، وذرة السيليكون في هلام السيليكا هي sp3 هجينة، فإن جزيء ثاني أكسيد الكربون الخطي لا يتعاون بشكل جيد مع سطح هلام السيليكا، مما يؤدي إلى أن قوة امتصاص هلام السيليكا على ثاني أكسيد الكربون تكون نسبيًا. صغير.

3.مقارنة بين ذوبان الغازات الأربعة في الماء وحالة الامتزاز على سطح هلام السيليكا من النتائج التجريبية أعلاه يتبين أن هلام السيليكا لديه قدرة امتزاز قوية للأمونيا وكلوريد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت، ولكن قوة امتصاص صغيرة لثاني أكسيد الكربون (انظر الجدول 1). وهذا مشابه لذوبان الغازات الأربعة في الماء. قد يكون ذلك بسبب أن جزيئات الماء تحتوي على هيدروكسي-OH، كما أن سطح هلام السيليكا غني أيضًا بالهيدروكسيل، وبالتالي فإن ذوبان هذه الغازات الأربعة في الماء يشبه إلى حد كبير امتصاصها على سطح هلام السيليكا. ومن بين الغازات الثلاثة غاز الأمونيا وكلوريد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت، فإن ثاني أكسيد الكبريت له أقل قابلية للذوبان في الماء، ولكن بعد امتزازه بهلام السيليكا، فهو الأصعب في الامتزاز بين الغازات الثلاثة. بعد أن يمتص هلام السيليكا الأمونيا وكلوريد الهيدروجين، يمكن امتصاصه باستخدام الماء المذيب. بعد أن يتم امتصاص غاز ثاني أكسيد الكبريت بواسطة هلام السيليكا، يصعب امتزازه بالماء، ويجب تسخينه حتى يتم امتصاصه من سطح هلام السيليكا. ولذلك، يجب حساب امتزاز أربعة غازات على سطح هلام السيليكا نظريا.

4 يتم تقديم الحساب النظري للتفاعل بين هلام السيليكا وأربعة غازات في برنامج ORCA الكمي [4] في إطار نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). تم استخدام طريقة DFT D/B3LYP/Def2 TZVP لحساب أنماط التفاعل والطاقات بين الغازات المختلفة وهلام السيليكا. من أجل تبسيط الحساب، يتم تمثيل المواد الصلبة هلام السيليكا بواسطة جزيئات حمض أورثوسيليسيك رباعي القسيم. تظهر نتائج الحساب أن H2 O وNH3 وHCl يمكن أن تشكل روابط هيدروجينية مع مجموعة الهيدروكسيل على سطح هلام السيليكا (انظر الشكل 6 أ ~ ج). لديهم طاقة ربط قوية نسبيًا على سطح هلام السيليكا (انظر الجدول 2) ويمكن امتصاصها بسهولة على سطح هلام السيليكا. نظرًا لأن طاقة الارتباط لـ NH3 وHCl تشبه طاقة H2 O، فإن غسل الماء يمكن أن يؤدي إلى امتزاز جزيئين الغاز هذين. بالنسبة لجزيء SO2، تبلغ طاقة الارتباط الخاصة به فقط -17.47 كيلوجول/مول، وهي أصغر بكثير من الجزيئات الثلاثة المذكورة أعلاه. ومع ذلك، أكدت التجربة أن غاز ثاني أكسيد الكبريت يتم امتصاصه بسهولة على هلام السيليكا، وحتى الغسيل لا يمكن أن يمتصه، والتسخين فقط هو الذي يمكن أن يجعل ثاني أكسيد الكبريت يتسرب من سطح هلام السيليكا. لذلك، خمننا أنه من المحتمل أن يتحد SO2 مع H2 O الموجود على سطح هلام السيليكا لتكوين أجزاء H2 SO3. يوضح الشكل 6هـ أن جزيء H2 SO3 يشكل ثلاث روابط هيدروجينية مع ذرات الهيدروكسيل والأكسجين على سطح هلام السيليكا في نفس الوقت، وتكون طاقة الارتباط عالية مثل -76.63 كيلو جول/مول، وهو ما يفسر سبب امتصاص ثاني أكسيد الكبريت على سطح هلام السيليكا في نفس الوقت. من الصعب التخلص من هلام السيليكا بالماء. يمتلك ثاني أكسيد الكربون غير القطبي أضعف قدرة على الارتباط مع هلام السيليكا، ولا يمكن امتصاصه إلا جزئيًا بواسطة هلام السيليكا. على الرغم من أن طاقة الارتباط لـ H2 CO3 وهلام السيليكا وصلت أيضًا إلى -65.65 كيلو جول/مول، إلا أن معدل تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى H2 CO3 لم يكن مرتفعًا، لذلك انخفض معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون أيضًا. يمكن أن نرى من البيانات المذكورة أعلاه أن قطبية جزيء الغاز ليست المعيار الوحيد للحكم على ما إذا كان يمكن امتزازه بواسطة هلام السيليكا، والرابطة الهيدروجينية المتكونة مع سطح هلام السيليكا هي السبب الرئيسي لامتصاصه المستقر.

تكوين هلام السيليكا هو SiO2 ·nH2 O، والمساحة السطحية الضخمة من هلام السيليكا ومجموعة الهيدروكسيل الغنية على السطح تجعل هلام السيليكا يمكن استخدامه كمجفف غير سام بأداء ممتاز، ويستخدم على نطاق واسع في الإنتاج والحياة . في هذا البحث، تم التأكد من جانبين من التجربة والحساب النظري أن هلام السيليكا يمكنه امتصاص NH3 وHCl وSO2 وCO2 والغازات الأخرى من خلال روابط هيدروجينية بين الجزيئات، لذلك لا يمكن استخدام هلام السيليكا لتجفيف هذه الغازات. تكوين هلام السيليكا هو SiO2 ·nH2 O، والمساحة السطحية الضخمة من هلام السيليكا ومجموعة الهيدروكسيل الغنية على السطح تجعل هلام السيليكا يمكن استخدامه كمجفف غير سام بأداء ممتاز، ويستخدم على نطاق واسع في الإنتاج والحياة . في هذا البحث، تم التأكد من جانبين من التجربة والحساب النظري أن هلام السيليكا يمكنه امتصاص NH3 وHCl وSO2 وCO2 والغازات الأخرى من خلال روابط هيدروجينية بين الجزيئات، لذلك لا يمكن استخدام هلام السيليكا لتجفيف هذه الغازات.

３
تين. 6 أوضاع للتفاعل بين الجزيئات المختلفة وسطح هلام السيليكا محسوبة بطريقة DFT