Силикагель
Пористая форма диоксида кремния

Силикагель
Идентификаторы
  • 112926-00-8 [1] [2] [3] проверятьИ
  • 1343-98-2 ( Кремниевая кислота ) проверятьИ
ChemSpider
  • никто
Информационная карта ECHA100.065.880
УНИИ
  • Y6O7T4G8P9 проверятьИ
  • DTXSID9029851 DTXSID0051285, DTXSID9029851
Характеристики
SiO2​
Молярная масса60,08 г/моль
ПоявлениеПрозрачные бусины
ЗапахБез запаха
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
☒Н проверить  ( что такое   ?)проверятьИ☒Н
Химическое соединение
Коллоидный силикагель с легкой опалесценцией

Силикагель — аморфная и пористая форма диоксида кремния (кремнезема), состоящая из нерегулярной трехмерной структуры чередующихся атомов кремния и кислорода с пустотами и порами нанометрового масштаба. Пустоты могут содержать воду или некоторые другие жидкости, или могут быть заполнены газом или вакуумом . В последнем случае материал правильно называется ксерогелем кремнезема .

Ксерогель кремния со средним размером пор 2,4 нанометра имеет сильное сродство к молекулам воды и широко используется в качестве осушителя . Он твердый и полупрозрачный , но значительно мягче массивного кварцевого стекла или кварца и остается твердым при насыщении водой.

Ксерогель кремния обычно продается в виде крупных гранул или шариков диаметром несколько миллиметров. Некоторые зерна могут содержать небольшое количество индикаторного вещества, которое меняет цвет, когда они впитывают немного воды. Небольшие бумажные конверты, содержащие гранулы ксерогеля кремния, обычно с предупреждением «не употреблять в пищу», часто включают в упаковки с сухими продуктами питания для поглощения любой влажности , которая может привести к порче продуктов.

«Мокрый» силикагель, который может быть свежеприготовлен из щелочных силикатных растворов, может варьироваться по консистенции от мягкого прозрачного геля , похожего на желатин или агар , до твердого вещества, а именно, пропитанного водой ксерогеля. Иногда его используют в лабораторных процессах, например, для подавления конвекции в жидкостях или предотвращения осаждения взвешенных частиц. [4]

История

Силикагель существовал еще в 1640-х годах как научная диковинка. [5] Он использовался во время Первой мировой войны для адсорбции паров и газов в противогазовых канистрах . Синтетический путь получения силикагеля был запатентован в 1918 году Уолтером А. Патриком, профессором химии в Университете Джонса Хопкинса .

Типы

  • Тип А – прозрачные гранулы, приблизительный диаметр пор: 2,5 нм, высыхающие и влагостойкие свойства, могут использоваться в качестве носителей катализаторов, адсорбентов, сепараторов и адсорбентов переменного давления.
  • Тип B – полупрозрачные белые гранулы, диаметр пор: 4,5–7,0 нм, жидкие адсорбенты, носители осушителей и отдушек, также могут использоваться в качестве носителей катализаторов, наполнителей для кошачьих туалетов.
  • Тип С – полупрозрачный, микропористый по структуре, сырье для приготовления силикагелевого наполнителя для кошачьих туалетов. После дополнительной сушки и просеивания образует макропористый силикагель, который используется в качестве осушителя, адсорбента и носителя катализатора.

Алюмосиликатный гель - светло-желтый, химически стабильный, огнестойкий, нерастворимый, кроме как в щелочи или плавиковой кислоте. Поверхностная полярность, термическая стабильность, производительность выше, чем у мелкопористого силикагеля.

Стабилизатор силикагеля - некристаллический микропористый твердый порошок, нетоксичен, огнестойкий, используется в пивоварении из зерна для улучшения вкуса, прозрачности, цвета и пены пива, а также для удаления примесей немикроорганического происхождения.

Характеристики

Высокая удельная площадь поверхности силикагеля — около 750–800 м 2 /г (230 000–240 000 кв. футов/унция) [6] — позволяет ему легко адсорбировать воду, что делает его полезным в качестве осушителя (осушающего агента). Силикагель часто описывают как «поглощающий» влагу, что может быть уместно, когда игнорируется микроскопическая структура геля, как в пакетах силикагеля или других продуктах. Однако материальный силикагель удаляет влагу путем адсорбции на поверхности своих многочисленных пор, а не путем абсорбции в объем геля.

Силикагель способен адсорбировать до 37% влаги от собственного веса в условиях высокой влажности. [7] Эта влага может высвобождаться при нагревании до температуры около 120 °C (248 °F) [8] [7] в течение 1–2 часов. [7] Это делает его пригодным для многократного использования с очень незначительной потерей эффективности, если таковая вообще имеется. [7]

Подготовка

Водный раствор силиката натрия подкисляют, чтобы получить желеобразный осадок, который промывают, затем обезвоживают, чтобы получить бесцветный силикагель. [6] Когда требуется визуальная индикация содержания влаги в силикагеле, добавляют тетрахлорокобальтат(II) аммония (NH 4 ) 2 [CoCl 4 ] или хлорид кобальта(II) CoCl 2. [6] Это приведет к тому, что гель станет синим в сухом виде и розовым при гидратации. [6] Из-за связи между хлоридом кобальта и раком, он был запрещен в Европе для использования в силикагеле. [9] Альтернативным индикатором является метиловый фиолетовый , который в сухом виде становится оранжевым, а при гидратации — зеленым.

Использует

Осушитель

Силикагель в виде гранул, упакованных в проницаемый пакет, является широко используемым осушителем.

Первоначальное использование

Влага может стать причиной появления плесени и порчи многих предметов. [10] [11] Она также может повредить электронику, вызывая конденсацию и сокращая срок службы химических веществ, например, витаминов. [ необходима ссылка ] Пакетики с силикагелем помогают, поглощая влагу и продлевая срок службы этих предметов. [12] [13] [14]

Силикагель также может использоваться для поддержания относительной влажности внутри волновода высокочастотной радио- или спутниковой системы передачи на максимально низком уровне (см. также буферизация влажности ). [15] Чрезмерное накопление влаги внутри волновода может вызвать искрение внутри самого волновода, повреждая усилитель мощности, питающий его. Кроме того, капли воды, которые образуются и конденсируются внутри волновода, изменяют характеристическое сопротивление и частоту, ухудшая сигнал. Обычно для циркуляции воздуха внутри волновода над банкой с силикагелем используется небольшая система сжатого воздуха (похожая на небольшой домашний аквариумный насос).

Силикагель также используется для осушения воздуха в промышленных системах сжатого воздуха. Воздух из нагнетания компрессора проходит через слой шариков силикагеля. Силикагель адсорбирует влагу из воздуха, предотвращая повреждение в месте использования сжатого воздуха из-за конденсации или влаги. Та же система используется для осушения сжатого воздуха на железнодорожных локомотивах, где конденсация и лед в тормозных воздухопроводах могут привести к отказу тормозов.

До широкого распространения кондиционирования воздуха в США продавались солонки с крышками, содержащими шарики силикагеля, которые сохраняли соль достаточно сухой и предотвращали ее комкование. Это заменило практику добавления нескольких зерен риса в солонку для достижения того же эффекта сушки.

Силикагель иногда используется в качестве консервирующего средства для контроля относительной влажности в музейных и библиотечных экспозициях и хранилищах.

Другие области применения включают диагностические тест-полоски, ингаляционные устройства, шприцы , наборы для тестирования на наркотики и больничные санитарные наборы.

Силикагель обычно описывается как способ удаления влаги из телефонов и электроники, случайно подвергшихся воздействию воды, но нет известных контролируемых исследований, которые сравнивали бы его фактическую эффективность с простым воздействием воздуха или вентилятора. У среднестатистического человека также вряд ли будет достаточное количество готового к использованию активированного или регенерированного силикагеля.

Регенерация

После насыщения водой гель можно регенерировать, нагревая его до температуры около 120 °C (248 °F) [7] [8] в течение 1–2 часов. [7] Некоторые типы силикагеля «лопаются» при воздействии достаточного количества воды. Это происходит из-за разрушения кремниевых сфер при контакте с водой. [16]

Регенерация силикагеля важна как по экономическим, так и по экологическим причинам. [17] Его можно регенерировать термически или химически. Химические методы включают использование осушающих агентов или растворителей для десорбции воды из силикагеля, хотя они, как правило, менее практичны для обычной регенерации. Термическая регенерация может применяться также к упакованным слоям силикагеля без их открытия. Термическая регенерация может быть обычным нагревом в печи при температуре около120 °C . [8] Другим вариантом термической регенерации является использование микроволн для более равномерного распределения тепла и сокращения времени регенерации по сравнению с обычными печами, но этот процесс должен строго контролироваться, чтобы избежать перегрева. [18] Еще одним вариантом подачи тепла является использование солнечного нагревателя с составным параболическим концентратором. [19] Существуют также исследования по использованию ультразвуковых волн для удаления молекул воды из силикагеля при45–90 °C , что ниже температуры обычного отопления. [20] [21]

Химия

Хроматографическая колонка

В химии силикагель используется в хроматографии в качестве неподвижной фазы . В колоночной хроматографии неподвижная фаза чаще всего состоит из частиц силикагеля размером 40–63 мкм. Различные размеры частиц используются для различных видов колоночной хроматографии, поскольку размер частиц связан с площадью поверхности. Различия в размере частиц определяют, следует ли использовать силикагель для флэш- или гравитационной хроматографии. В этом применении из-за полярности силикагеля неполярные компоненты имеют тенденцию элюироваться раньше более полярных, отсюда и название нормально-фазовая хроматография . Однако, когда гидрофобные группы (такие как группы C18 ) присоединены к силикагелю, то полярные компоненты элюируются первыми, и этот метод называется обращенно-фазовой хроматографией . Силикагель также наносят на алюминиевые, стеклянные или пластиковые листы для тонкослойной хроматографии .

Гидрокси (ОН) группы на поверхности кремния могут быть функционализированы для получения специальных силикагелей, которые демонстрируют уникальные параметры неподвижной фазы. Эти так называемые функционализированные силикагели также используются в органическом синтезе и очистке в качестве нерастворимых реагентов и поглотителей .

Хелатирующие группы также ковалентно связаны с силикагелем. Эти материалы обладают способностью селективно удалять ионы металлов из водных растворов. Хелатирующие группы могут быть ковалентно связаны с полиаминами, которые были привиты на поверхность силикагеля, создавая материал с большей механической целостностью. Силикагель также сочетается со щелочными металлами для образования восстановителя M-SG . (См. химия SiGNa )

Силикагель не подлежит биологическому разложению ни в воде, ни в почве. [22]

Наполнитель для кошачьего туалета

Силикагель также используется в качестве наполнителя для кошачьих туалетов , [23] сам по себе или в сочетании с более традиционными материалами, такими как глины, включая бентонит . Он не оставляет следов и практически не имеет запаха.

Пищевая добавка

Силикагель, также называемый диоксидом кремния или синтетическим аморфным кремнием (SAS), включен FDA в список общепризнанных безопасных веществ (GRAS), что означает, что его можно добавлять в пищевые продукты без необходимости одобрения. Кремний разрешено добавлять в пищевые продукты в США в количестве до 2%, как разрешено в соответствии с 21 CFR 172.480. В ЕС его концентрация может составлять до 5%. [24] В 2018 году повторная оценка, проведенная EFSA Panel on Food Additives and Nutrient Sources added to Food, не обнаружила никаких признаков токсичности даже при самых высоких оценках уровня воздействия. [25]

Перечисленные виды использования включают: противослеживающий агент , пеногаситель, стабилизатор, адсорбент, носитель, кондиционирующий агент, агент, защищающий от холода, фильтрующий агент, эмульгатор, агент, регулирующий вязкость, и агент, препятствующий осаждению. [26] Кремний обычно встречается в пищевых продуктах, включая хлебобулочные изделия, специи и травы, молочные продукты, какао-продукты и многое другое. [25]

Фильтрация воды

Учитывая водопоглощающие свойства силикагеля, его используют в бытовых фильтрах для воды. [27] Поверхностная структура силикагеля позволяет адсорбировать некоторые минералы, растворенные в воде, [28] или «ионообмен», как это называется на рынке. Из-за отсутствия правил для бытовых продуктов фильтрации воды, никакие исследования не подтверждают заявления производителя относительно эффективности системы фильтрации. [ необходима цитата ]

Индикатор влажности (силикагель, меняющий цвет)

Индикаторный силикагель

Силикагель может быть легирован индикатором влажности, который постепенно меняет свой цвет при переходе из безводного (сухого) состояния в гидратированное (влажное). Обычными индикаторами являются хлорид кобальта (II) и метиловый фиолетовый . Хлорид кобальта (II) имеет темно-синий цвет в сухом состоянии и розовый во влажном состоянии, но он токсичен и канцерогенен и был переклассифицирован Европейским союзом в июле 2000 года как токсичный материал. [29] Метиловый фиолетовый может быть сформулирован так, чтобы менять цвет с оранжевого на зеленый или с оранжевого на бесцветный. Он также токсичен и потенциально канцерогенен, [30] , но достаточно безопасен для использования в медицине. Соли железа и двухвалентного железа , иногда в сочетании с небольшими количествами гидроксида натрия , являются лучшей альтернативой. В частности, сульфат железа и двойные соли, такие как сульфат железа аммония (III) (железные квасцы), сульфат железа аммония (II) и сульфат железа калия (III), приводят к изменению цвета с янтарного/желтого в сухом состоянии на бесцветный/белый при насыщении. [31] [32]

Опасности

Силикагель нетоксичен, нереактивен и стабилен при обычном использовании. Он реагирует с фтористым водородом , фтором , дифторидом кислорода , трифторидом хлора , сильными кислотами, сильными основаниями и окислителями. [22] Силикагель раздражает дыхательные пути и может вызвать раздражение пищеварительного тракта. Пыль от шариков может вызвать раздражение кожи и глаз, поэтому следует соблюдать меры предосторожности. [33] Кристаллическая кремниевая пыль может вызвать силикоз , но синтетический аморфный силикагель затвердевает , поэтому он не вызывает силикоз. Дополнительные опасности [ необходим пример ] могут возникнуть при добавлении индикатора влажности.

Ссылки

  1. ^ "Силикагель". jtbaker.com . 31 мая 2017 г. Архивировано из оригинала 31 мая 2017 г.
  2. ^ "Силикагель". chemcas.org . 9 июня 2017 г. Архивировано из оригинала 9 июня 2017 г.
  3. ^ "Диоксид кремния". echa.europa.eu . 15 марта 2018 г. Архивировано из оригинала 15 марта 2018 г.
  4. ^ Henisch H (1988). Кристаллы в гелях и кольца Лизеганга. Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 0521345030.
  5. ^ Фельдман М., Дерошерс П. (март 2003 г.). «Исследовательские университеты и местное экономическое развитие: уроки истории Университета Джонса Хопкинса» (PDF) . Промышленность и инновации . 10 (1): 5– 24. doi :10.1080/1366271032000068078. S2CID  154423229. Архивировано из оригинала (PDF) 12 ноября 2005 г.
  6. ^ abcd Гринвуд НН , Эрншоу А (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  7. ^ abcdef Chandradhas S (27 августа 2016 г.). «Как перезарядить кристаллы силикагеля». Beyond Photo Tips . Архивировано из оригинала 2 ноября 2022 г. Получено 2 ноября 2022 г.
  8. ^ abc Daghooghi-Mobarakeh H, Miner M, Wang L и др. (2022). «Применение ультразвука при регенерации силикагеля для промышленных процессов сушки газа». Drying Technology . 40 (11): 2251– 2259. doi :10.1080/07373937.2021.1929296. Подготовка высушенного образца силикагеля достигалась путем его нагревания в печи при 120 C (для обеспечения полной сухости) и контроля массы до тех пор, пока не перестанет наблюдаться изменение массы.
  9. ^ "Blue Silicagel & Conclusions: Safety Information on blue Silicagel". Архивировано из оригинала 5 января 2016 года.
  10. ^ «Не позволяйте бактериям пировать на ваших свежих продуктах, вызывая их порчу». Расширение MSU . 30 января 2013 г. Получено 8 марта 2024 г.
  11. ↑ Командование США (1978). Специалист по управлению столовыми 3 и 2. Министерство обороны, Военно-морское ведомство, Управление начальника военно-морских операций, Командование военно-морского образования и подготовки. стр. 91. Архивировано из оригинала 22 сентября 2024 г. Получено 1 апреля 2024 г.
  12. ^ Машиностроение и производственная инженерия. Machinery Publishing Company. 1951.
  13. ^ Anderson GA (1988). Флористический дизайн и маркетинг. Служба учебных материалов по сельскохозяйственному образованию штата Огайо, Университет штата Огайо. Архивировано из оригинала 22 сентября 2024 года . Получено 1 апреля 2024 года .
  14. ^ Varlamoff MT, Kremp V, Conservation IP, et al. (1998). Принципы IFLA по уходу и обращению с библиотечными материалами. Международная федерация библиотечных ассоциаций и учреждений, Основная программа по сохранению и консервации. ISBN 978-2-912743-00-8.
  15. ^ Сабри Ф. (16 января 2022 г.). Аэрогель: Хотите колонизировать Марс? Аэрогель может помочь нам заниматься сельским хозяйством и выживать на Марсе «при нашей жизни». One Billion Knowledgeable. Архивировано из оригинала 22 сентября 2024 г. Получено 1 апреля 2024 г.
  16. ^ Спенс Конде (4 марта 2016 г.). "Подготовка цеолитных шариков с высоким содержанием кремния из силикагеля" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г.
  17. ^ "Ways to Reuse Silica Gel". 6 марта 2024 г. Архивировано из оригинала 4 августа 2024 г. Получено 25 декабря 2024 г.
  18. ^ Чжан X, Чэнь М, Гуань Дж (12 апреля 2024 г.). «Регенерационное поведение твердых осушителей при микроволновой сушке». Журнал термического анализа и калориметрии . 149 (19): 10927– 10940. doi :10.1007/s10973-024-13010-0.
  19. ^ Pramuang S, Exell R (2007). «Регенерация осушителя на основе силикагеля воздухом из солнечного нагревателя с составным параболическим концентратором». Возобновляемая энергия . 32 (1): 173–182 . Bibcode : 2007REne...32..173P. doi : 10.1016/j.renene.2006.02.009.
  20. ^ Яо И, Ян К, Лю С (2014). «Исследование производительности системы осушения с использованием силикагеля с ультразвуковой регенерацией». Энергия . 66 : 799–809 . Bibcode : 2014Ene....66..799Y. doi : 10.1016/j.energy.2014.01.061.
  21. ^ Яо И, Чжан В, Лю С (2009). «Параметрическое исследование высокоинтенсивного ультразвука для регенерации силикагеля». Энергия и топливо . 23 (6): 3150– 3158. doi :10.1021/ef801066m.
  22. ^ ab Environmental Health and Safety (10 сентября 2007 г.). "Силикагель". Архивировано из оригинала 31 мая 2017 г. Получено 12 января 2008 г.
  23. ↑ Эндрю Кантор (10 декабря 2004 г.). «Нетехнологичные высокие технологии засоряют ландшафт». USA Today. Архивировано из оригинала 16 марта 2008 г. Получено 2 марта 2008 г.
  24. ^ "Уведомление об определении GRAS диоксида кремния при прямом или косвенном добавлении в пищу человека" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 апреля 2013 г.
  25. ^ ab Younes M, Aggett P, Aguilar F (2018). «Научное мнение о переоценке диоксида кремния (E 551) как пищевой добавки». Журнал EFSA . 16 (1): 5088– 5158. doi :10.2903/j.efsa.2018.5088. PMC 7009582. PMID  32625658. S2CID 79503431  . 
  26. ^ "GRAS Notice (GRN) No. 298" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 9 апреля 2011 г.
  27. ^ "ZeroWater". Архивировано из оригинала 4 января 2015 года . Получено 3 января 2015 года .
  28. ^ Peri JB, Hensley Jr AL (1968). «Структура поверхности силикагеля». Журнал физической химии . 72 (8): 2926– 2933. doi :10.1021/j100854a041.
  29. ^ "Классификации - CL Inventory". Архивировано из оригинала 5 января 2016 года . Получено 5 августа 2015 года .
  30. ^ "Паспорт безопасности метилового фиолетового" (PDF) . labchem . Архивировано из оригинала (PDF) 6 февраля 2018 г. . Получено 5 февраля 2018 г. .
  31. ^ Патент WO WO2000065339A1, Стивен Мортон и Грэм Джеймс Эрл, «Индикаторы влажности», опубликовано 2 ноября 2000 г.  Архивировано 15 мая 2023 г. на Wayback Machine
  32. ^ "SORBSIL CHAMELEON Паспорт безопасности" (PDF) . OkerChemie .
  33. ↑ Fisher Scientific (9 февраля 1997 г.). "Паспорт безопасности материала: Силикагель-осушитель". Архивировано из оригинала 7 октября 2008 г. Получено 12 января 2008 г.
На Викискладе есть медиафайлы по теме Силикагель .
  • Силикагель в базе данных потребительских товаров
  • Паспорт безопасности материалов в Великобритании
  • Сушка семян с использованием силикагеля с цветным индикатором, Southern Exposure Seed Exchange
  • Часто задаваемые вопросы об осушителях воздуха с силикагелем Полезная информация о перезаряжаемых силикагелевых пакетах для домашнего использования
  • Реагенты на основе силикагеля Информация о разработке и таблицы, иллюстрирующие реакционную способность
  • Поглотители, связанные с кремнием. Общие примечания и таблицы, суммирующие поглощающую способность.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Silica_gel&oldid=1265155402"