Силикагель представляет собой аморфную и пористую форму диоксида кремния (кремнезема), состоящую из неправильной трехмерной структуры из чередующихся атомов кремния и кислорода с пустотами и порами нанометрового размера. Пустоты могут содержать воду или другие жидкости или могут быть заполнены газом или вакуумом . В последнем случае материал правильно называют ксерогелем кремнезема .
Ксерогель кремнезема со средним размером пор 2,4 нанометра обладает сильным сродством к молекулам воды и широко используется в качестве осушителя . Оно твердое и полупрозрачное , но значительно мягче массивного кварцевого стекла или кварца ; и остается твердым при насыщении водой.
Ксерогель кремнезема обычно продается в виде крупных гранул или шариков диаметром несколько миллиметров . Некоторые зерна могут содержать небольшое количество индикаторного вещества, которое меняет цвет при поглощении некоторого количества воды. Небольшие бумажные конверты, содержащие гранулы ксерогеля кремнезема, обычно с предупреждением «не есть», часто включаются в упаковки сухих продуктов, чтобы поглотить любую влажность , которая может вызвать порчу продуктов.
«Влажный» силикагель, который может быть свежеприготовлен из растворов силиката щелочного металла , может варьироваться по консистенции от мягкого прозрачного геля , похожего на желатин или агар , до твердого твердого вещества, а именно водонасыщенного ксерогеля. Иногда его используют в лабораторных процессах, например, для подавления конвекции в жидкостях или предотвращения осаждения взвешенных частиц. [4]
Силикагель существовал еще в 1640-х годах как научный диковин. [5] Он использовался во время Первой мировой войны для адсорбции паров и газов в канистрах противогазов . Синтетический способ производства силикагеля был запатентован в 1918 году Уолтером А. Патриком, профессором химии Университета Джонса Хопкинса .
Во Второй мировой войне силикагель был незаменим в военных действиях для сохранения пенициллина сухим, защиты военной техники от повреждения влагой, в качестве жидкого катализатора крекинга для производства высокооктанового бензина , получения сероуглерода и в качестве катализатора. поддержка производства бутадиена из этанола (сырья для производства синтетического каучука ).
Алюмосиликатный гель - светло-желтый, химически стабильный, огнестойкий, нерастворимый, кроме щелочи или плавиковой кислоты. Поверхностная полярность, термическая стабильность, производительность выше, чем у мелкопористого силикагеля.
Силикагель стабилизирующий - некристаллический микропористый твердый порошок, нетоксичный, огнестойкий, используемый в пивоварении зерна для пива для улучшения вкуса, прозрачности, цвета и пены, а также для удаления немикроорганических примесей.
Высокая удельная поверхность 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 (осушителя). Силикагель часто описывают как «поглощающий» влагу, что может быть уместно, когда игнорируется микроскопическая структура геля, как, например, в упаковках с силикагелем или других продуктах. Однако силикагель материала удаляет влагу за счет адсорбции на поверхности своих многочисленных пор, а не за счет впитывания в объем геля.
Силикагель способен адсорбировать до 37% влаги от собственного веса в условиях высокой влажности. [7] Эта влага может выделяться при нагревании при температуре 120 °C в течение длительного периода времени. Это делает его пригодным для многократного использования с очень незначительной потерей эффективности, если таковая вообще имеется.
После насыщения водой гель можно регенерировать, нагревая его до 120 °C (248 °F) в течение 1–2 часов. [7] Некоторые типы силикагеля «лопаются» при воздействии достаточного количества воды. Это вызвано разрушением сфер кремнезема при контакте с водой. [8]
Водный раствор силиката натрия подкисляют с образованием студенистого осадка, который промывают, затем обезвоживают с получением бесцветного силикагеля. [6] Когда требуется видимая 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 состоянии и розовым в гидратированном состоянии. [6] Из-за связи между хлоридом кобальта и раком его использование в силикагеле запрещено в Европе. [9] Альтернативным индикатором является метилвиолет , который в сухом состоянии имеет оранжевый цвет, а в гидратированном виде — зеленый.
Во многих предметах влага способствует росту плесени и порче. Конденсат может также повредить другие предметы, например электронику, и ускорить разложение химических веществ, например, витаминных таблеток. Благодаря включению пакетов с силикагелем эти предметы могут храниться дольше. Это может способствовать высыханию электронного оборудования при попытках восстановить предметы, случайно подвергшиеся воздействию влаги.
Силикагель также можно использовать для поддержания как можно более низкой относительной влажности внутри волновода высокочастотной радио- или спутниковой системы передачи (см. Также «Буферизация влажности »). Чрезмерное накопление влаги внутри волновода может вызвать искрение внутри самого волновода, что повредит питающий его усилитель мощности. Кроме того, капельки воды, образующиеся и конденсирующиеся 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 может адсорбировать около 40 процентов влаги от своего веса. После насыщения вы можете удалить влагу и повторно использовать силикагель, нагрев его выше 300 градусов F (150 C).
Силикагель также используется для осушки воздуха в промышленных системах сжатого воздуха. Воздух из нагнетания компрессора проходит через слой шариков силикагеля. Силикагель адсорбирует влагу из воздуха, предотвращая повреждение сжатого воздуха в месте использования из-за конденсации или влаги. Такая же система используется для осушки сжатого воздуха на железнодорожных локомотивах, где конденсат и лед в трубках тормозного воздуха могут привести к выходу из строя тормозов.
До широкого распространения кондиционирования воздуха в США продавались солонки с крышками, содержащими шарики силикагеля, чтобы соль оставалась достаточно сухой и предотвращала комкование, заменив практику добавления нескольких зерен риса в солонки для достижения той же сушки. .
Силикагель иногда используется в качестве средства консервации для контроля относительной влажности на выставках и хранении в музеях и библиотеках.
Другие области применения включают диагностические тест-полоски, устройства для ингаляции, шприцы , наборы для тестирования на наркотики и больничные санитарные наборы.
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. Для разных видов колоночной хроматографии используются частицы разного размера, поскольку размер частиц зависит от площади поверхности. Различия в размерах частиц определяют, следует ли использовать силикагель для флэш-хроматографии или гравитационной хроматографии. В этом применении из-за полярности силикагеля неполярные компоненты имеют тенденцию элюироваться раньше , чем более полярные, отсюда и название нормально-фазовая хроматография . Однако когда к силикагелю присоединяются гидрофобные группы (такие как группы C 18 ), тогда сначала элюируются полярные компоненты, и этот метод называется обращенно-фазовой хроматографией . Силикагель также наносится на алюминиевые , стеклянные или пластиковые листы для тонкослойной хроматографии .
Гидроксильные (ОН) группы на поверхности кремнезема можно функционализировать, чтобы получить специальные силикагели, обладающие уникальными параметрами стационарной 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 избирательно 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 соединяется с щелочными металлами с образованием восстановителя M-SG . (См. химию SiGNa )
Ожидается, что силикагель не будет биоразлагаться ни в воде, ни в почве. [10]
Силикагель также используется в качестве наполнителя для кошачьего туалета [ 11] сам по себе или в сочетании с более традиционными материалами, такими как глины, включая бентонит . Он не отслеживает следы и практически не имеет запаха.
Силикагель, также называемый диоксидом кремния или синтетическим аморфным диоксидом кремния (SAS), внесен в список FDA в США как общепризнанный безопасный (GRAS), что означает, что его можно добавлять в пищевые продукты без необходимости одобрения. В США разрешено добавлять кремнезем в пищу в количестве до 2%, как это разрешено 21 CFR 172.480. В ЕС его концентрация может достигать 5%. [12] В 2018 году повторная оценка Комиссии EFSA по пищевым добавкам и источникам питательных веществ, добавляемых в пищу, не выявила признаков токсичности даже при самых высоких оценках уровня воздействия. [13]
Перечисленные области применения включают: противослеживающий агент , пеногаситель, стабилизатор, адсорбент, носитель, кондиционирующий агент, охлаждающий агент, вспомогательный фильтрующий агент, эмульгатор, агент контроля вязкости и агент, препятствующий осаждению. [14] Кремнезем обычно можно найти в пищевых продуктах, включая выпечку, специи и травы, молочные продукты, какао-продукты и многое другое. [13]
Учитывая водопоглощающие свойства силикагеля, его используют в бытовых фильтрах для воды. [15] Поверхностная структура силикагеля позволяет адсорбировать некоторые минералы, растворенные в воде, [16] или «ионообменный», как он продается. Из-за отсутствия правил для бытовой фильтрации воды никакие исследования не подтверждают заявления производителя об эффективности системы фильтрации.
Силикагель может быть допирован индикатором влаги, который постепенно меняет свой цвет при переходе из безводного (сухого) состояния в гидратированное (влажное) состояние. Обычными индикаторами являются хлорид кобальта(II) и метилвиолет . Хлорид кобальта (II) имеет темно-синий цвет в сухом состоянии и розовый во влажном состоянии, но он токсичен и канцерогенен, и в июле 2000 года Европейский Союз реклассифицировал его как токсичный материал. [17] Метилвиолет может меняться с оранжевого на зеленый или с оранжевого на бесцветный. Он также токсичен и потенциально канцерогенен, [18] , но достаточно безопасен, чтобы его можно было использовать в медицинских целях. Лучшей альтернативой являются соли железа и двухвалентного железа , иногда в сочетании с небольшим количеством гидроксида натрия . В частности, сульфат железа и двойные соли, такие как сульфат аммония-железа(III) (железо-алюминиевые квасцы), сульфат аммония-железа(II) и сульфат калия-железа(III) - все приводят к изменению цвета от янтарного/желтого при высыхании до бесцветного/белого. при насыщении. [19] [20]
Силикагель нетоксичен, негорюч, нереактивен и стабилен при обычном использовании. Он будет реагировать с фтористым водородом , фтором , дифторидом кислорода , трифторидом хлора , сильными кислотами, сильными основаниями и окислителями. [10] Силикагель раздражает дыхательные пути и может вызвать раздражение пищеварительного тракта. Пыль от бус может вызвать раздражение кожи и глаз, поэтому следует принять меры предосторожности. [21] Кристаллическая пыль кремнезема может вызвать силикоз , но синтетический аморфный силикагель затвердевает , поэтому не вызывает силикоз. Дополнительные опасности могут возникнуть при добавлении индикатора влажности.
