Производство силикагеля

     При формовании тонкопористого силикагеля золь синтезируют при температуре 10 - 12 ^оС, рН = 7,0 – 7,5, концентрации жидкого стекла 1,7н и серной кислоты 3н.

     Физико-химические свойства силикагеля зависят от многих параметров, основными из которых  являются: концентрация раствора жидкого  стекла, рН золя и геля,  температура осаждения, продолжительность синерезиса гидрогеля, наличие примесей в гидрогеле и в конечном продукте, температура сушки и прокаливания. 
 
 
 

4. Регенерация силикагелей

     Применение  синтетических адсорбентов для  глубокой осушки и очистки различных  веществ экономически выгоднее при  многократном использовании регенерированных адсорбентов. 
   Регенерация – это процесс восстановления  рабочих свойств адсорбента (в данном случае силикагеля) после использования его для осушки или очистки каких-либо веществ.  
Регенерацию силикагеля можно осуществлять в промышленном  масштабе, в химической лаборатории, а  также   в бытовых условиях. Процесс регенерации включает в себя три стадии:

1. Очистка адсорбента (может не проводиться);
2. Десорбция – это процесс, обратный адсорбции, т.е. удаление адсорбтива из адсорбента;
3. Охлаждение адсорбента после десорбции.

     В промышленных условиях процесс регенерации  можно вести различными способами, в зависимости от того,  для какого процесса осушки или очистки применялся силикагель. В лаборатории регенерацию силикагеля проводят в сушильном шкафу при нагревании до 150-170 ^оС в течении 3-4 часов.

     При использовании силикагеля в быту для осушки обуви, кожаных изделий, кино- и фотоаппаратуры и т.д., адсорбционные  свойства силикагеля можно восстановить просушиванием его на батарее  или в духовке при температуре  не выше 170 ^оС.

     Важно! При нагревании силикагеля выше 180 ^оС разрушаются ОН-группы на его поверхности, что приводит к резкому ухудшению его адсорбционных свойств. 
 
 

     5. Влияние условий производства силикагелей

     на  их свойства 

     Влияние концентрации SiO₂ и рН золя на S_уд. Конуентрацию SiO₂ в золе повышают, увеличивая концентрацию жидкого стекла в водном растворе. Удельная поверхность силикагеля меняется с изменением SiO₂ и рН раствора. При рН раствора 2,0 и 4,0 удельная поверхность меняется по максимальной зависимости, как показано ниже на рисунке.

Из рисунка  видно, что с повышением концентрации SiO₂ и рН в золе величина удельной поверхности силикагеля проходит через максимум. При рН = 6 и С_SiO2 = 1,2 моль/л величина удельной поверхности достигает наименьшей величины и не меняется от изменения этих параметров.

     Механизм  образования силикагеля отражает появление  в начальный момент взаимодействия раствора серной кислотыи жидкого стекла мономерных и димерных молекул кремниевой кислоты. Эти молекулы конденсируются  с образованием пространственной решетки. В этой решетки цепи сильно гидротируются, что приводит к желатинированию  золя и переходу его в гель. Полимеризованные молекулы кислоты Н₂SiO₃ в радикалоподобное состояние, соединение радикалов в пространственные цепи с образованием макрорадикалов и превращение макрорадикалов в макромолекулы. Макромолекулы конденсируются в глобулы, а глобулы в результате гидратации образуют гель.

     Влияние температуры осаждения  золя в гидрогель  показывает, что с повышением ее в ряду 5, 50, 70^оС величина удельной поверхности возрастает со 100 до 200 и 300 м²/г.

     Присутствие катионов Na⁺ и NH₄⁺ в золе отрицательно влияет на процесс формирования поверхности силикагеля. Так, при повышении концентрации суммы ионов (Na⁺ + 5NH₄⁺) с 1 до 3 мг∙экв/г SiO₂ величины удельной поверхности снижаются по ниспадающей экспоненциальной кривой с величинами S_уд = 500, 80 и 10 м²/г.

     Сушка и прокаливание силикагеля. Процесс сушки гидрогеля кремниевой кислоты начинают с комнатной температуры. При этой температуре вода удаляется из гидрогелевых частиц молекулярной диффузией; этот процесс неэффективен для сушки гидрогеля.  В промышленности сушку проводят начиная с Т = 353 К и заевршают ее при Т = 393К. При повышении температуры сушки кислого гидрогеля величина удельной поверхности растет и растут объем и средний радиус пор. В слабоосновной среде (рН=7,2) величина удельной поверхности почти не меняется, только растет средний радиус пор.

     Процесс сушки гелей условно разделяют  на три стадии. На первой стадии удаляется  вода с внешней поверхности частиц гидрогеля с разогревом объема гидрогеля. На этой стадии происходит довольно значительная усадка геля.

     На  второй стадии происходит испарение  жидкости из объема глобул гидрогеля  с выделением и срастанием глобул друг с другом в местах их контакта. Происходит дальнейшая усадка гидрогеля  и формируется текстура ксерогеля. На этой стадии закладывается распределение  пор по радиусам, образование крупных, средних и мелких пор.

     На  третьей стадии происходит выделение  жидкости их гидратных оболочек и  дальнейшее  срастание глобул и  завершение образования текстуры ксерогеля. На первой и второй стадиях сушки  скорость удаления лаги постоянна, а  на третий стадии уже резко снижается.

     При прокаливании ксерогеля при Т=773 К и выше уже происходит конденсация  О-Н групп на стенках капилляров и укрепление стенок пор. На этой стадии частицам ксерогеля придается основная жесткость структуры. При Т = 1073 К  и выше происходит спекание ксерогеля  с потерей тонких и средних  пор и увеличением размера  крупных пор. Ксерогель обладает уже невысокой удельной поверхностью в пределах 10 – 30 м²/г.

     Следовательно, пористая структура в частицах силикагеля формируется на стадиях синерезиса гидрогеля, сушки гидрогеля, прокаливания. Тонкопористые силикагели сушат  при медленном нагревании гидрогелей, насыщенных дизтопливом, при температурах 50 – 140 ^оС. При медленном нагревании гидрогеля происходит медленное удаление влаги из порового пространства, что не нарушает сформировавшуюся тонкую текстуру силикагеля при этих условиях, так как капиллярное давление, как и раслинивающее давление в порах, снижается медленно. За это время стенки капилляров приобретают достаточную жесткость и не разрушаются при удалении из них воды.

     Быстрое нагревание гидрогелевых частиц способствует развитию по величине расклинивающих давлений в капиллярах, что  разрушает  тонкие стенки пор и определяет появление  в частицах крупных пор. Это приводит к получению широкопористого  силикагеля. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вывод

  В качестве адсорбентов и носителей  в промышленности используют оксиды кремния, оксиды алюминия и цеолиты. Преимуществами силикагелей являются их инертность, химическая и биологическая  безвредность, возможность синтеза  в широком интервале заданных структурных характеристик при использовании достаточно простых технологических процессов, высокая прочность по отношению к истиранию и раздавливанию и т.д. Поэтому особое место среди адсорбентов принадлежит силикагелю, который по масштабу применения существенно превосходит активную окись алюминия и цеолиты.

  В данной работе были рассмотрены важнейшие  области применения силикагеля в  промышленности, технике и науке, способы производства силикагеля, наиболее широко из которых применяется золь-гель метод.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1.  Дубинин М.М. Физико-химические основы сорбционной техники, 2-е изд. ОНТИ, 1935.

2.  Алексеевский Е.В. Общий курс химии защиты, ч. I. ОНТИ Химтеорет., Л., 1935.

3.  Никитин С.Н. Силикагель и его применение в черной металлургии. Металлургиздат, М., 1941.

4.  Неймарк И.Е., Шейнфайн Р.Ю. Силикагель, его получение, свойства и применение. – Киев: Наукова думка, 1973. – 200 с., ил.

5.  Фрейдлин Л. X. Успехи химии, 1954, 23, 581.

6.  Дзисько В.А. Рациональные основы приготовления некоторых окисных катализаторов. Доклад по опубликованным работам, Новосибирск, 1965.

7.  Каталитические свойства веществ. Под редакцией В.А. Ройтера. «Наукова думка», К., 1968.

8.  Беркман С., Морелл Д., Эглофф Г. Катализ в неорганической и органической химии, книга вторая. Гостоптехиздат, М.- Л., 1949.

9.  Окатов А.Б. – ЖПХ, 1929, 2, 21; Коллоидная кремнекислота и ее адсорбционные свойства, Л., Изд-во Военно-технической Академии РККА, 1928.

10.  Берестнева З.Я., Корецкая T.A., Kapгин В.А. – Коллоидн. журн., 1949, 11, 369.

11.  Берестнева З.Я., Корецкая Г.А., Каргин В.А. – Коллоидн. журн., 1950, 12, 338.

12.  Киселев А.В., Яшин Я.И. – В кн.: Газовая хроматография. Изд-во Дзержинского филиала ОКБА, 1966, 131.

13.  Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн.1. Общие вопросы. Методы разделения: Учебник для вузов/Ю.А. Золотов, Е.Н. Дорохова, В.И. Фадеева и др. Под ред. Ю.А. Золотова. - 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 361 с.: ил.

14.  Цвет М.С. // Труды Варшавского общества естествоиспытателей, отд. биологии, 1903, т. 4, с. 20–32. 2 Snyder L К Kirkland J.J. Introduction to Modern Liquid Chromatography.2-nd edition. J. Wiley, N.Y., 1979. 863 p.

15.  Сорбенты для высокоэффективной жидкостной хроматографии ZORBAX™. Руководство для пользователей. – Киев, 2001.

16.  Высокоэффективная жидкостная хроматография в биохимии: Пер. с англ.. / Под ред. А. Хеншен и др. – М.: Мир, 1988 - 688 с., ил.

17.  Стыскин Е.Л., Ициксон Л.Б., Брауде Е.В. «Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография». – М.: Химия, 1986, 288 с.

18.  Киселев А.В., Яшин Я.И. Адсорбционная газовая и жидкостная хроматография. – М.: Химия, 1979, 288 с.

19.  Машковский М.Д. Лекарственные средства. - 15-е изд., перераб., испр. и доп. – М.: Новая волна, 2006, с. 438–439.