OTRZYMYWANIE, CHARAKTERYSTYKA I ZASTOSOWNIE ŻELI
KRZEMIONKOWYCH I ALUMINOŻELI
Żel - szczególny rodzaj układu koloidalnego, będący efektem koagulacji zolu.
Powstaje w momencie, gdy w układzie koloidalnym znajduje się tak dużo
cząstek koloidalnych, że stykają się one lub łączą się ze sobą w wielu
punktach, tworząc strukturę sieci przestrzennej, która rozprzestrzenia się
w całej objętości substancji uniemożliwiając swobodne przemieszczanie
się cząsteczek fazy rozpraszającej (cieczy lub gazu).
Żel krzemionkowy – uwodniony dwutlenek krzemu SiO
2
, jest to bezpostaciowe
ciało stałe o ogólnym wzorze
SiO
2
×nH
2
O
CHARAKTERYSTYKA PORÓW SILIKAŻELU
Szkielet żelu krzemionkowego tworzą cząstki (korpuskuły), które zlepiają się lub zrastają w
miejscach zetknięcia. Wielkość porów (kapilar) w żelu krzemionkowym jest uwarunkowana
rozmiarami korpuskuł i ich upakowaniem.
KLASYFIKACJA ŻELI KRZEMIONKOWYCH
1) Ze względu na wielkość porów:
- szerokoporowate ( średnica porów: 9-20 nm),
- średnioporowate (średnica porów: 5-7 nm),
- wąskoporowate (średnica porów: 3-4 nm).
Wielkość porów zależy od warunków prowadzenia reakcji otrzymywania silikażelu.
2) Ze względu na aktywność:
- mało aktywne żele krzemionkowe (Σ = 100 m
2
/g, średnica globul D= 30 nm),
-silnie aktywne żele krzemionkowe (Σ = 800 m
2
/g, średnica globul D= 4 nm).
RODZAJE POWIERZCHNIOWYCH GRUP HYDROKSYLOWYCH
ŻELI KRZEMIONKOWYCH
Badania Kisielewa wykazały, że na powierzchni żelu krzemionkowego występują
następujące rodzaje grup hydroksylowych:
1. Swobodne – izolowane grupy -OH, odległość od najbliższej drugiej grupy
hydroksylowej wynosi 5–5,2 Å;
2. Aktywne – należą do tych samych lub sąsiednich atomów krzemu, odległość
od najbliższych grup wynosi 2,52–2,6 Å;
3. Związane grupy -OH – mają w swoim sąsiedztwie dwie, trzy lub cztery
grupy –OH w odległości 2,52 – 2,6 Å.
4. Bliźniacze – grupy –OH związane z tym samym atomem krzemu.
Żel krzemionkowy należy do specyficznych adsorbentów typu II
OTRZYMYWANIE ŻELI KRZEMIONKOWYCH
1)
Polikondensacja kwasu krzemowego.
(OH)
3
SiOH + OHSi(OH)
3
à (OH)
3
-Si -(OH)
3
+ H
2
O
2) Reakcja rozpuszczalnych krzemianów (szkła wodnego) z kwasami
nieorganicznymi.
Na
2
O·3SiO
2
+ H
2
SO4 à 3SiO
2
+ H
2
O + Na
2
SO
4
Proces otrzymywania żeli krzemionkowych składa się z następujących etapów:
Istnieje związek między strukturą żelu krzemionkowego a warunkami jego
otrzymywania, i tak:
żele wąskoporowate uzyskuje się pod wpływem stosowania kwaśnego pH podczas
strącania zolu i przemywania hydrożelu oraz zastosowania wody jako ośrodka
rozpraszającego
powstawaniu żeli szerokoporowatych sprzyja stosowanie zasadowego pH oraz
cieczy o niedużym napięciu powierzchniowym jako ośrodka dyspersyjnego.
ZALETY ŻELI KRZEMIONKOWYCH
niska temperatura niezbędna do ich regeneracji (110-200 0C)
możliwość wykorzystania dość prostych zabiegów technologicznych,
niski koszt produkcji na skalę przemysłową,
obojętność chemiczna dzięki której jest doskonałym nośnikiem katalizatorów,
niewrażliwość na wysokie temperatury,
duża wytrzymałość mechaniczna na ścieranie i kruszenie. Żele o strukturze
wąskoporowatej (85-95%) są wytrzymalsze niż żele o strukturze szerokoporowatej (60-
85%).
Wadą żeli krzemionkowych jest to, iż rozkładają się pod działaniem skroplonej
wilgoci. Aby temu zapobiec podczas eksploatacji żel pokrywa się cienką warstewką
ochronną innego wodoodpornego adsorbentu przemysłowego np. aktywnym tlenkiem
glinowym.
ZASTOSOWANIE ŻELI KRZEMIONKOWYCH
jako osuszacz w procesach, w których wymagana jest duża pojemność sorpcyjna w
niskiej temperaturze i przy średnim ciśnieniu pary wodnej,
przy adsorpcji par wielu substancji organicznych (alkoholi, fenoli, amin)
do oddzielania węglowodorów aromatycznych od alifatycznych w lżejszej frakcji
ropy naftowej,
do rozdzielania substancji organicznych metodą chromatograficzną,
przy pochłanianiu tlenków azotu i siarki,
powszechnie jako nośnik katalizatorów,
jako jonity do rozdzielania radioaktywnych izotopów oraz oczyszczania ścieków
z jonów różnych metali.
Aluminożele (tlenki glinowe, aktywne tlenki glinowe)- to liczna grupa związków
zawierających oprócz Al
2
O
3
różne ilości wody oraz domieszki tlenków metali.
Al
2
O
3
tworzy różne odmiany krystalograficzne - obecnie w literaturze wymienia się
około 27 jego postaci.
PODZIAŁ TLENKU GLINOWEGO W ZALEŻNOŚCI OD ZAKRESU
TEMPERATUR W JAKICH OTZRYMUJE SIĘ TEN TLENEK:
a) grupa γ- tlenków glinowych – niskotemperaturowe tlenki glinowe uzyskiwane w
temperaturach nie przewyższających 600
o
C,
b) grupa δ – tlenków glinowych – wysokotemperaturowe tlenki glinowe
otrzymywane w temperaturach 900 – 1000
o
C. Są to praktycznie bezwodne związki,
c) grupa α – tlenków glinowych – otrzymywany w temperaturze 1200 oC i
wyższych.
Najczęściej stosowaną jako adsorbent odmianą tlenku glinu jest γ- Al
2
O
3
o
powierzchni właściwej 100-200 m
2
/g.
Model budowy powierzchni γ -Al
2
O
3
OTRZYMYWANIE ALUMINOŻELI
Tlenki glinowe otrzymuje się przez dehydratację różnych wodorotlenków i
hydroksytlenków glinu.
Wodorotlenek glinu może występować w postaci trójhydratów i monohydratów tlenku
glinu:
Hydraty te otrzymuje się zmieniając odpowiednio warunki hydrolizy glinianów lub
soli glinowych (temperaturę, stężenie i pH roztworu) lub przez dodanie do roztworów
soli glinowych węglanów litowców.
MODYFIKACJA POWIERZCHNI TLENKU GLINU:
- zmiana warunków preparatyki (pH wytrącania, temperatury suszenia i prażenia
wodorotlenków glinu),
- dodawanie do wodorotlenków glinu substancji, które w procesie obróbki termicznej
ulegają rozkładowi i powodują uzyskanie nośnika o określonej wielkości porów,
- dodawanie do tlenku glinu krzemionki, fosforanu boru, tlenku tytanu w celu
zwiększenia kwasowości.
ZALETY TLENKU GLINOWEGO:
- stabilność termiczna,
- względna łatwość otrzymywania,
- dostępność surowca.
ZASTOSOWANIE TLENKU GLINOWEGO:
- do adsorpcyjnego osuszania gazów np. Ar, He, H
2
, alkanów C1-C3,
HCl, SO
2
, NH
3
i fluoroalkanów ( jest odporny na działanie wody),
- w adsorpcyjnej rafinacji olejów głównie transformatorowych,
- jako środek suszący przy konserwacji przyrządów i osprzętu, np. transformatorów,
- jako adsorbent do oczyszczania strumieni gazowych i ciekłych
od związków zawierających fluor,
- w chromatografii.