सिलिका जेल डेसिकेंट के अनुप्रयोग के दायरे पर शोध

उत्पादन और जीवन में, सिलिका जेल का उपयोग एन2, वायु, हाइड्रोजन, प्राकृतिक गैस [1] इत्यादि को सुखाने के लिए किया जा सकता है। अम्ल और क्षार के अनुसार, शुष्कक को विभाजित किया जा सकता है: अम्ल शुष्कक, क्षारीय शुष्कक और तटस्थ शुष्कक [2]। सिलिका जेल एक तटस्थ ड्रायर प्रतीत होता है जो NH3, HCl, SO2, आदि को सुखाता है। हालांकि, सिद्धांत के दृष्टिकोण से, सिलिका जेल ऑर्थोसिलिक एसिड अणुओं के त्रि-आयामी अंतर-आणविक निर्जलीकरण से बना है, मुख्य शरीर SiO2 है, और सतह हाइड्रॉक्सिल समूहों से समृद्ध है (चित्र 1 देखें)। सिलिका जेल पानी को अवशोषित कर सकता है इसका कारण यह है कि सिलिका जेल की सतह पर सिलिकॉन हाइड्रॉक्सिल समूह पानी के अणुओं के साथ अंतर-आणविक हाइड्रोजन बंधन बना सकता है, इसलिए यह पानी को सोख सकता है और इस प्रकार सुखाने की भूमिका निभा सकता है। रंग बदलने वाले सिलिका जेल में कोबाल्ट आयन होते हैं, और सोखने वाला पानी संतृप्ति तक पहुंचने के बाद, रंग बदलने वाले सिलिका जेल में कोबाल्ट आयन हाइड्रेटेड कोबाल्ट आयन बन जाते हैं, जिससे नीला सिलिका जेल गुलाबी हो जाता है। कुछ समय के लिए गुलाबी सिलिका जेल को 200 ℃ पर गर्म करने के बाद, सिलिका जेल और पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधन टूट जाता है, और फीका पड़ा हुआ सिलिका जेल फिर से नीला हो जाएगा, जिससे सिलिकिक एसिड और सिलिका जेल का संरचना आरेख तैयार किया जा सकता है। चित्र 1 में दिखाए अनुसार पुन: उपयोग किया जा सकता है। इसलिए, चूंकि सिलिका जेल की सतह हाइड्रॉक्सिल समूहों से समृद्ध है, इसलिए सिलिका जेल की सतह NH3 और HCl, आदि के साथ अंतर-आणविक हाइड्रोजन बांड भी बना सकती है, और इस तरह कार्य करने का कोई तरीका नहीं हो सकता है NH3 और HCl का एक शुष्कक, और मौजूदा साहित्य में कोई प्रासंगिक रिपोर्ट नहीं है। तो परिणाम क्या थे? इस विषय पर निम्नलिखित प्रायोगिक अनुसंधान किया गया है।

अंजीर। 1 ऑर्थो-सिलिकिक एसिड और सिलिका जेल का संरचना आरेख

2 प्रयोग भाग
2.1 सिलिका जेल डेसिकेंट के अनुप्रयोग के दायरे की खोज - अमोनिया सबसे पहले, बदरंग सिलिका जेल को क्रमशः आसुत जल और केंद्रित अमोनिया जल में रखा गया था। फीका पड़ा हुआ सिलिका जेल आसुत जल में गुलाबी हो जाता है; सांद्र अमोनिया में, रंग बदलने वाला सिलिकॉन पहले लाल हो जाता है और धीरे-धीरे हल्का नीला हो जाता है। इससे पता चलता है कि सिलिका जेल अमोनिया में NH3 या NH3 ·H2 O को अवशोषित कर सकता है। जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, ठोस कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड और अमोनियम क्लोराइड को समान रूप से मिश्रित किया जाता है और एक परखनली में गर्म किया जाता है। परिणामी गैस को क्षारीय चूने और फिर सिलिका जेल द्वारा हटा दिया जाता है। प्रवेश दिशा के पास सिलिका जेल का रंग हल्का हो जाता है (चित्र 2 में सिलिका जेल डेसिकेंट के अनुप्रयोग क्षेत्र का रंग खोजा गया है - अमोनिया 73, 2023 का 8 वां चरण मूल रूप से भिगोए गए सिलिका जेल के रंग के समान है) सांद्र अमोनिया जल में), और पीएच परीक्षण पेपर में कोई स्पष्ट परिवर्तन नहीं है। यह इंगित करता है कि उत्पादित NH3 पीएच परीक्षण पेपर तक नहीं पहुंचा है, और यह पूरी तरह से सोख लिया गया है। कुछ समय के बाद, गर्म करना बंद कर दें, सिलिका जेल बॉल का एक छोटा सा हिस्सा निकालें, इसे आसुत जल में डालें, पानी में फिनोलफथेलिन मिलाएं, घोल लाल हो जाता है, यह दर्शाता है कि सिलिका जेल का मजबूत सोखने वाला प्रभाव है NH3, आसुत जल अलग होने के बाद, NH3 आसुत जल में प्रवेश करता है, समाधान क्षारीय होता है। इसलिए, क्योंकि सिलिका जेल में NH3 के लिए एक मजबूत सोखना होता है, सिलिकॉन सुखाने वाला एजेंट NH3 को सूखा नहीं सकता है।

अंजीर। 2 सिलिका जेल डेसिकैंट-अमोनिया के अनुप्रयोग के दायरे की खोज

2.2 सिलिका जेल डेसिकेंट के अनुप्रयोग के दायरे की खोज - ठोस घटकों में गीला पानी निकालने के लिए हाइड्रोजन क्लोराइड पहले NaCl ठोस को अल्कोहल लैंप की लौ से जलाता है। नमूना ठंडा होने के बाद, तुरंत बड़ी संख्या में बुलबुले बनाने के लिए NaCl ठोस में सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड मिलाया जाता है। उत्पन्न गैस को सिलिका जेल युक्त एक गोलाकार सुखाने वाली ट्यूब में डाला जाता है, और सुखाने वाली ट्यूब के अंत में एक गीला पीएच परीक्षण पेपर रखा जाता है। सामने के सिरे पर सिलिका जेल हल्का हरा हो जाता है, और गीले पीएच परीक्षण पेपर में कोई स्पष्ट परिवर्तन नहीं होता है (चित्र 3 देखें)। इससे पता चलता है कि उत्पन्न एचसीएल गैस सिलिका जेल द्वारा पूरी तरह से सोख ली जाती है और हवा में नहीं निकलती है।

चित्र 3 सिलिका जेल डेसिकेंट - हाइड्रोजन क्लोराइड के अनुप्रयोग के दायरे पर शोध

सिलिका जेल ने एचसीएल को सोख लिया और हल्का हरा हो गया, इसे एक परखनली में रखा गया। नए नीले सिलिका जेल को टेस्ट ट्यूब में डालें, सांद्र हाइड्रोक्लोरिक एसिड डालें, सिलिका जेल भी हल्के हरे रंग का हो जाता है, दोनों रंग मूल रूप से एक जैसे होते हैं। यह गोलाकार सुखाने वाली ट्यूब में सिलिका जेल गैस को दर्शाता है।

2.3 सिलिका जेल डेसिकेंट के अनुप्रयोग दायरे की खोज - सल्फर डाइऑक्साइड सोडियम थायोसल्फेट ठोस के साथ मिश्रित केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड (चित्र 4 देखें), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; उत्पन्न गैस को सूखने वाली ट्यूब के माध्यम से पारित किया जाता है जिसमें फीका पड़ा हुआ सिलिका जेल होता है, फीका पड़ा हुआ सिलिका जेल हल्का नीला-हरा हो जाता है, और गीले परीक्षण पेपर के अंत में नीला लिटमस पेपर महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलता है, यह दर्शाता है कि उत्पन्न SO2 गैस में है सिलिका जेल बॉल द्वारा पूरी तरह से सोख लिया गया है और बच नहीं सकता है।

अंजीर। 4 सिलिका जेल डेसिकेंट-सल्फर डाइऑक्साइड के अनुप्रयोग के दायरे की खोज

सिलिका जेल बॉल का एक हिस्सा निकालें और इसे आसुत जल में डालें। पूर्ण संतुलन होने पर नीले लिटमस पेपर पर थोड़ी मात्रा में पानी की बूंद डालें। परीक्षण पेपर महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलता है, यह दर्शाता है कि आसुत जल सिलिका जेल से SO2 को सोखने के लिए पर्याप्त नहीं है। सिलिका जेल बॉल का एक छोटा सा हिस्सा लें और इसे टेस्ट ट्यूब में गर्म करें। परखनली के मुँह पर गीला नीला लिटमस पेपर रखें। नीला लिटमस पेपर लाल हो जाता है, यह दर्शाता है कि गर्म करने से सिलिका जेल बॉल से SO2 गैस सोख ली जाती है, जिससे लिटमस पेपर लाल हो जाता है। उपरोक्त प्रयोगों से पता चलता है कि सिलिका जेल का SO2 या H2 SO3 पर भी एक मजबूत सोखने वाला प्रभाव होता है, और इसका उपयोग SO2 गैस को सुखाने के लिए नहीं किया जा सकता है।
2.4 सिलिका जेल डेसिकेंट - कार्बन डाइऑक्साइड के अनुप्रयोग के दायरे की खोज
जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, सोडियम बाइकार्बोनेट घोल टपकता हुआ फिनोलफथेलिन हल्का लाल दिखाई देता है। सोडियम बाइकार्बोनेट ठोस को गर्म किया जाता है और परिणामी गैस मिश्रण को सूखे सिलिका जेल गोले वाली सुखाने वाली ट्यूब से गुजारा जाता है। सिलिका जेल महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलता है और फिनोलफथेलिन के साथ टपकने वाला सोडियम बाइकार्बोनेट एचसीएल को सोख लेता है। बदरंग सिलिका जेल में कोबाल्ट आयन सीएल- के साथ एक हरा घोल बनाता है और धीरे-धीरे रंगहीन हो जाता है, जो दर्शाता है कि गोलाकार सुखाने वाली ट्यूब के अंत में एक CO2 गैस कॉम्प्लेक्स है। हल्के हरे सिलिका जेल को आसुत जल में रखा जाता है, और फीका पड़ा हुआ सिलिका जेल धीरे-धीरे पीले रंग में बदल जाता है, यह दर्शाता है कि सिलिका जेल द्वारा अधिशोषित एचसीएल पानी में विसर्जित हो गया है। सफेद अवक्षेप बनाने के लिए नाइट्रिक एसिड द्वारा अम्लीकृत सिल्वर नाइट्रेट घोल में ऊपरी जलीय घोल की थोड़ी मात्रा मिलाई गई। पीएच परीक्षण पेपर की एक विस्तृत श्रृंखला पर थोड़ी मात्रा में जलीय घोल डाला जाता है, और परीक्षण पेपर लाल हो जाता है, जो दर्शाता है कि समाधान अम्लीय है। उपरोक्त प्रयोगों से पता चलता है कि सिलिका जेल में एचसीएल गैस का प्रबल अवशोषण होता है। एचसीएल एक दृढ़ता से ध्रुवीय अणु है, और सिलिका जेल की सतह पर हाइड्रॉक्सिल समूह में भी मजबूत ध्रुवता होती है, और दोनों अंतर-आणविक हाइड्रोजन बांड बना सकते हैं या अपेक्षाकृत मजबूत द्विध्रुवीय द्विध्रुवीय अंतःक्रिया कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप सिलिका की सतह के बीच अपेक्षाकृत मजबूत अंतर-आणविक बल होता है। जेल और एचसीएल अणु, इसलिए सिलिका जेल में एचसीएल का एक मजबूत सोखना होता है। इसलिए, सिलिकॉन सुखाने वाले एजेंट का उपयोग एचसीएल भागने को सुखाने के लिए नहीं किया जा सकता है, अर्थात, सिलिका जेल CO2 को सोखता नहीं है या केवल आंशिक रूप से CO2 को सोखता है।

अंजीर। 5 सिलिका जेल डेसिकैंट-कार्बन डाइऑक्साइड के अनुप्रयोग के दायरे की खोज

सिलिका जेल के कार्बन डाइऑक्साइड गैस में सोखने को सिद्ध करने के लिए निम्नलिखित प्रयोग जारी रखे गए हैं। गोलाकार सुखाने वाली ट्यूब में सिलिका जेल की गेंद को हटा दिया गया था, और भाग को फिनोलफथेलिन टपकाने वाले सोडियम बाइकार्बोनेट घोल में विभाजित किया गया था। सोडियम बाइकार्बोनेट घोल का रंग फीका पड़ गया था। इससे पता चलता है कि सिलिका जेल कार्बन डाइऑक्साइड को सोख लेता है, और पानी में घुलनशील होने के बाद, कार्बन डाइऑक्साइड सोडियम बाइकार्बोनेट घोल में सोख लेता है, जिससे सोडियम बाइकार्बोनेट घोल फीका पड़ जाता है। सिलिकॉन बॉल के बचे हुए हिस्से को एक सूखी टेस्ट ट्यूब में गर्म किया जाता है, और परिणामी गैस को फिनोलफथेलिन के साथ टपकाने वाले सोडियम बाइकार्बोनेट के घोल में डाल दिया जाता है। जल्द ही, सोडियम बाइकार्बोनेट घोल हल्के लाल से रंगहीन में बदल जाता है। इससे यह भी पता चलता है कि सिलिका जेल में अभी भी CO2 गैस को सोखने की क्षमता है। हालाँकि, CO2 पर सिलिका जेल का सोखना बल HCl, NH3 और SO2 की तुलना में बहुत छोटा है, और कार्बन डाइऑक्साइड को चित्र 5 में प्रयोग के दौरान केवल आंशिक रूप से सोख लिया जा सकता है। सिलिका जेल आंशिक रूप से CO2 को सोखने का कारण यह होने की संभावना है सिलिका जेल और CO2 अंतर-आण्विक हाइड्रोजन बांड Si - OH...O =C बनाते हैं। क्योंकि CO2 का केंद्रीय कार्बन परमाणु sp संकर है, और सिलिका जेल में सिलिकॉन परमाणु sp3 संकर है, रैखिक CO2 अणु सिलिका जेल की सतह के साथ अच्छी तरह से सहयोग नहीं करता है, जिसके परिणामस्वरूप कार्बन डाइऑक्साइड पर सिलिका जेल का सोखना बल अपेक्षाकृत होता है छोटा।

3. पानी में चार गैसों की घुलनशीलता और सिलिका जेल की सतह पर सोखने की स्थिति के बीच तुलना उपरोक्त प्रयोगात्मक परिणामों से, यह देखा जा सकता है कि सिलिका जेल में अमोनिया, हाइड्रोजन क्लोराइड और सल्फर डाइऑक्साइड के लिए एक मजबूत सोखने की क्षमता है, लेकिन कार्बन डाइऑक्साइड के लिए एक छोटा सोखना बल (तालिका 1 देखें)। यह पानी में चार गैसों की घुलनशीलता के समान है। ऐसा इसलिए हो सकता है क्योंकि पानी के अणुओं में हाइड्रॉक्सी-ओएच होता है, और सिलिका जेल की सतह भी हाइड्रॉक्सिल से भरपूर होती है, इसलिए पानी में इन चार गैसों की घुलनशीलता सिलिका जेल की सतह पर इसके सोखने के समान होती है। अमोनिया गैस, हाइड्रोजन क्लोराइड और सल्फर डाइऑक्साइड की तीन गैसों में से, सल्फर डाइऑक्साइड की पानी में घुलनशीलता सबसे कम है, लेकिन सिलिका जेल द्वारा सोखने के बाद, तीनों गैसों में से इसे सोखना सबसे कठिन है। सिलिका जेल अमोनिया और हाइड्रोजन क्लोराइड को सोखने के बाद, इसे विलायक पानी से सोख लिया जा सकता है। सल्फर डाइऑक्साइड गैस को सिलिका जेल द्वारा सोख लेने के बाद, पानी से सोखना मुश्किल होता है, और सिलिका जेल की सतह से सोखने के लिए इसे गर्म करना पड़ता है। इसलिए, सिलिका जेल की सतह पर चार गैसों के सोखने की गणना सैद्धांतिक रूप से की जानी चाहिए।

4 सिलिका जेल और चार गैसों के बीच परस्पर क्रिया की सैद्धांतिक गणना घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) के ढांचे के तहत क्वांटमीकरण ओआरसीए सॉफ्टवेयर [4] में प्रस्तुत की गई है। विभिन्न गैसों और सिलिका जेल के बीच इंटरैक्शन मोड और ऊर्जा की गणना करने के लिए DFT D/B3LYP/Def2 TZVP विधि का उपयोग किया गया था। गणना को सरल बनाने के लिए, सिलिका जेल ठोस को टेट्रामेरिक ऑर्थोसिलिक एसिड अणुओं द्वारा दर्शाया जाता है। गणना परिणाम दर्शाते हैं कि H2O, NH3 और HCl सभी सिलिका जेल की सतह पर हाइड्रॉक्सिल समूह के साथ हाइड्रोजन बांड बना सकते हैं (चित्र 6a ~ c देखें)। उनमें सिलिका जेल की सतह पर अपेक्षाकृत मजबूत बंधन ऊर्जा होती है (तालिका 2 देखें) और सिलिका जेल की सतह पर आसानी से अवशोषित हो जाते हैं। चूँकि NH3 और HCl की बंधन ऊर्जा H2 O के समान है, पानी से धोने से इन दोनों गैस अणुओं का अवशोषण हो सकता है। SO2 अणु के लिए, इसकी बंधन ऊर्जा केवल -17.47 kJ/mol है, जो उपरोक्त तीन अणुओं से बहुत छोटी है। हालाँकि, प्रयोग ने पुष्टि की कि SO2 गैस आसानी से सिलिका जेल पर सोख ली जाती है, और यहाँ तक कि धोने से भी इसे नहीं हटाया जा सकता है, और केवल गर्म करने से SO2 सिलिका जेल की सतह से निकल सकता है। इसलिए, हमने अनुमान लगाया कि SO2 सिलिका जेल की सतह पर H2 O के साथ मिलकर H2 SO3 अंश बनाने की संभावना है। चित्र 6e से पता चलता है कि H2 SO3 अणु एक ही समय में सिलिका जेल की सतह पर हाइड्रॉक्सिल और ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ तीन हाइड्रोजन बंधन बनाता है, और बंधन ऊर्जा -76.63 kJ/mol जितनी अधिक है, जो बताता है कि SO2 का अवशोषण क्यों होता है सिलिका जेल को पानी के साथ निकालना मुश्किल है। गैर-ध्रुवीय CO2 में सिलिका जेल के साथ जुड़ने की क्षमता सबसे कमजोर होती है, और इसे सिलिका जेल द्वारा केवल आंशिक रूप से ही अवशोषित किया जा सकता है। हालाँकि H2 CO3 और सिलिका जेल की बंधन ऊर्जा भी -65.65 kJ/mol तक पहुँच गई, CO2 से H2 CO3 में रूपांतरण दर अधिक नहीं थी, इसलिए CO2 की सोखने की दर भी कम हो गई थी। उपरोक्त आंकड़ों से यह देखा जा सकता है कि गैस अणु की ध्रुवता यह निर्धारित करने का एकमात्र मानदंड नहीं है कि इसे सिलिका जेल द्वारा सोख लिया जा सकता है या नहीं, और सिलिका जेल सतह के साथ बना हाइड्रोजन बंधन इसके स्थिर सोखने का मुख्य कारण है।

सिलिका जेल की संरचना SiO2·nH2 O है, सिलिका जेल का विशाल सतह क्षेत्र और सतह पर समृद्ध हाइड्रॉक्सिल समूह सिलिका जेल को उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ एक गैर विषैले ड्रायर के रूप में उपयोग किया जा सकता है, और इसका व्यापक रूप से उत्पादन और जीवन में उपयोग किया जाता है। . इस पेपर में, प्रयोग और सैद्धांतिक गणना के दो पहलुओं से इसकी पुष्टि की गई है कि सिलिका जेल एनएच 3, एचसीएल, एसओ 2, सीओ 2 और अन्य गैसों को अंतर-आणविक हाइड्रोजन बांड के माध्यम से सोख सकता है, इसलिए इन गैसों को सुखाने के लिए सिलिका जेल का उपयोग नहीं किया जा सकता है। सिलिका जेल की संरचना SiO2·nH2 O है, सिलिका जेल का विशाल सतह क्षेत्र और सतह पर समृद्ध हाइड्रॉक्सिल समूह सिलिका जेल को उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ एक गैर विषैले ड्रायर के रूप में उपयोग किया जा सकता है, और इसका व्यापक रूप से उत्पादन और जीवन में उपयोग किया जाता है। . इस पेपर में, प्रयोग और सैद्धांतिक गणना के दो पहलुओं से इसकी पुष्टि की गई है कि सिलिका जेल एनएच 3, एचसीएल, एसओ 2, सीओ 2 और अन्य गैसों को अंतर-आणविक हाइड्रोजन बांड के माध्यम से सोख सकता है, इसलिए इन गैसों को सुखाने के लिए सिलिका जेल का उपयोग नहीं किया जा सकता है।

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अंजीर। डीएफटी विधि द्वारा गणना की गई विभिन्न अणुओं और सिलिका जेल सतह के बीच 6 इंटरैक्शन मोड