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]
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 .
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.
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 120 °C в течение длительных периодов времени. Это делает его пригодным для многократного использования с очень небольшой потерей эффективности, если таковая вообще будет.
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 происходит из-за разрушения кремниевых сфер при контакте с водой. [8]
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.
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.
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 наносится 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. [16]
Силикагель также используется в качестве наполнителя для кошачьих туалетов , [17] сам по себе или в сочетании с более традиционными материалами, такими как глины, включая бентонит . Он не оставляет следов и практически не имеет запаха.
Силикагель, также называемый диоксидом кремния или синтетическим аморфным кремнеземом (SAS), включен FDA в список общепризнанных безопасных веществ (GRAS), что означает, что его можно добавлять в пищевые продукты без необходимости одобрения. Кремнезем 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%. [18] 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. [19]
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. [20] Кремний обычно встречается в пищевых продуктах, включая хлебобулочные изделия, специи и травы, молочные продукты, какао-продукты и многое другое. [19]
Учитывая водопоглощающие свойства силикагеля, его используют в бытовых фильтрах для воды. [21] Поверхностная структура силикагеля позволяет адсорбировать некоторые минералы, растворенные в воде, [22] 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 ]
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. [23] Метиловый фиолетовый может быть сформулирован так, чтобы менять цвет с оранжевого на зеленый или с оранжевого на бесцветный. Он также токсичен и потенциально канцерогенен, [24] , но достаточно безопасен для использования в медицине. Соли железа и двухвалентного железа , иногда в сочетании с небольшим количеством 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. [25] [26]
Силикагель нетоксичен, нереактивен и стабилен при обычном использовании. Он реагирует с фтористым водородом , фтором , дифторидом кислорода , трифторидом хлора , сильными кислотами, сильными основаниями и окислителями. [16] Силикагель раздражает дыхательные пути и может вызвать раздражение пищеварительного тракта. Пыль от шариков может вызвать раздражение кожи и глаз, поэтому следует соблюдать меры предосторожности. [27] 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.
