Канд. пед. наук Золотарьова О. В.

Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля

Вуглекислотний спосіб отримання силікагелю

Силікагель, будучи одним з найбільш поширених синтетичних сорбентів гідрофільного характеру, знаходить широке застосування в якості осушувача повітря і газів. Поряд з цим він використовується як каталізатор і носій каталізаторів. Промисловий метод його виготовлення базується на взаємодії розчину силікату натрію і сірчаної кислоти, в результаті якого осідає кремнієва кислота. Утворені нею полімери зростаються у сферичні частинки колоїдних розмірів, котрі потім агрегують і виділяються з розчинів у вигляді гідрогелю. Подальша обробка кремнієвої кислоти призводить до отримання силікагелю.

Залежно від умов приготування і сушіння гідрогелю ці первинні частинки можуть мати різні розміри і об'єднуватися різним чином, утворюючи силікагелі різної пористості. Активність силікагелю обумовлюється не тільки фізичними факторами – величиною поверхні і характером її пористості, а й хімічними властивостями поверхні.

Загальновідомо, що поверхня аморфного кремнезему покрита шаром гідроксильних груп. Крім поверхневих гідроксильних груп є структурна вода, що знаходиться всередині глобул кремнезему. Частина силанольних гідроксильних груп поверхні вільна, а частина пов'язана взаємними водневими зв'язками. Вільні поверхневі гідроксильні групи є найбільш активними центрами адсорбції. У процесі термічної активації силікагелю при температурі 180-200˚С відбувається видалення фізично адсорбованої води і руйнування водневих зв'язків, у результаті чого на його поверхні з'являються ділянки з підвищеною реакційною здатністю. При більш високих температурах гідроксильні групи кремнезему взаємодіють з виділеною водою і утворюють неактивні силоксанові зв’язки.

Розроблений вуглекислотний метод отримання силікагелю полягає в карбонізації розчинів силікату натрію, що дає можливість замість сірчаної кислоти використовувати відкидний газ, що містить двуокис вуглецю. Осадження гідрогелю кремнієвої кислоти проводилося в лужному середовищі газом, що містив 35% CO₂, і закінчувалося при pH = 9,5-10. Карбонізуємий розчин силікату натрію мав силікатний модуль 2,7. Вміст SiO₂ у ньому не перевищувало 8%, так як нами було встановлено, що при більш високих концентраціях розчину силікату натрію якість силикагелю сильно погіршується внаслідок утворення макропористою структури.

Після карбонізації суспензія фільтрувалася, а осад репульпувався і оброблявся кислотою (сірчаною або соляною), отримана пульпа була спрямована на фільтрування.

Промитий і віджатий гідрогель перемішувався у змішувачі до пастоподібного стану і потім формувався в циліндричні гранули методом шприцювання. Гранули сушилися спочатку на повітрі, а потім в сушильній шафі при повільному підйомі температури до 300˚С.

Про адсорбційну ємнiсть отриманого силикагелю судили за його статичною активністю, яка визначалася за ексікаторним методом при відносній вологості повітря 100 і 60%. Для деяких зразків визначали адсорбцiйн-структурні характеристики шляхом побудови ізотерм сорбції-десорбції за метиловим спиртом 20˚С.

Основна увага була приділена визначенню умов, що сприяють формуванню заданої пористої структури гранульованого силікагелю з високою механічною міцністю. Досліджувався вплив температури, концентраційних умов осадження і способу подальшої обробки гідрогелю на адсорбційну структуру і властивості силікагелю – насипну вагу і його статичну активність. Для силікагелю тонкопористої структури характерні високі значення статичної активності при відносній вологості повітря 60% і порівняно велика насипна щільність. Як ми бачимо, утворення тонкопористої структури сприяє зниження вмісту SiO₂ в карбонізуємому розчині, відсутність синерезиса і низьке значення pH середовища в процесі кислотної обробки. Силікагель, синтезований при 20˚С і pH – 4 з розчинів силікату натрію, що містять 4% SiO₂ мав ефективний радіус пір, що дозволяє класифікувати його як тонкопористий.

Підвищення температури до 60 ˚ С призводить майже до двократного збільшення сумарного обсягу пір і збільшення адсорбційної ємності до 38 моль / г. Підвищення температури карбонізації до 60-80˚С в межах однієї і тієї ж концентрації вихідного розчину силікату натрію, дорівнює 4% SiO₂, сприяє підвищенню адсорбційної ємності силікагелю за рахунок збільшення обсягу перехідних пір. Кількість тонких пір зменшується, про що свідчить зменшення підйому ізотерми у сфері низьких відносних тисків. Для кислотної обробки зазвичай застосовувалися 2 н. розчини соляної і сірчаної кислот. У процесі кислотної обробки адсорбовані при карбонізації іони натрію заміщуються водневими іонами, що призводить до гідратації частинок, а отже, до розукрупнення колоїдних агрегатів, яке супроводжується більш щільною упаковкою частинок. Великий вплив на формування пористої структури силікагелю мають і умови промивки. Відомо, що силікагель є слабокислотним катіонітом, здатним до обміну значної частини своїх H-іонів на інші катіони. Адсорбція катіонів призводить до отримання більш крупнопористих силікагелей. При промиванні силікагелю жорсткою водою може відбуватися сорбція катіонів Ca^{2 +} в результаті заміщення ними Н-іонів, що відщеплюються поверхневими силанольними групами.

На підставі отриманих результатів зроблено висновок, що при отриманні тонкопористого силікагелю необхідно кислотну обробку гелю робити соляною кислотою, а при отриманні крупнопористого – сірчаною. Таким чином можна досягти значного збільшення розміру пір і адсорбційної ємності силикагелю шляхом підвищення температури карбонізації та підвищення pH середовища.