I.Giới thiệu
Silicagel có công thức hóa học SiO2.xH2O là chất rắn vô định hình SiO2
ngậm nước nhờ trên bề mặt của nó có vô số lỗ rỗng li ti trong hạt . Silicagen là
một hợp chất hóa học trơ, không độc được biết đến tử thế kỷ 17 nhưng những
nghiên cứu về các tính chất của nó cũng như quá trình tổng hợp và ứng dụng
của silicagen chỉ thực sự được bắt đầu vào khoảng cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ
20. Năm 1861, Graham đã có những nghiên cứu đầu tiên mặc dù những quan
sát về quá trình gel hóa này đã được đề cập sớm hơn. Đến đầu Thế kỷ 20 thì
quá trình tổng hợp sản xuất silicagen lần đầu tiên được đề cập đến trong các
báo cáo khoa học là vào năm 1919 bởi giáo sư Walter A. Patrick. Trong Thế
chiến thứ I, silicagen đã được sử dụng làm chất hấp phụ khí và hơi trong các
mặt nạ dưỡng khí. Trong Thế chiến thứ II, silicagen được sử dụng để làm chất
chống ẩm cho các khí tài quân đội, các loại thuốc... Silicagen còn được sử dụng
làm chất xúc tác cho các quá trình sản xuất nhiên liệu, làm chất độn (SiO2) trong
cao su tổng hợp.
Ngày nay, silicagen (silica gel) đã trở thành một loại vật liệu có rất nhiều ứng
dụng trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Từ những gói hạt chống ẩm
đơn giản cho thực phẩm, dược phẩm đến các loại vật liệu hấp phụ cao cấp sử
dụng trong phòng Thí nghiệm hay công nghiệp; các loại chất mang, chất xúc
tác... tất cả đều có thể làm từ silicagen.
Ở các nước có nền công nghiệp hóa chất mạnh như Ấn Độ, Trung Quốc các
công ty mỗi năm sản xuất hàng triệu tấn sản phẩm bắt nguồn từ silicagen.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các nghiên cứu về silicagen
ngày càng được phát triển sâu rộng hơn, mở ra nhiều hướng ứng dụng mới
trong công ngiệp cũng như trong đời sống hàng
ngày
II.Cấu trúc của Silicagen:
Silicagen tồn tại trong tự nhiên là chất rắn, xốp,
một dạng vô định hình của SiO2. Trong phòng
thí nghiệm, quá trình gel hóa silica sol làm hình thành silicagen ở dạng gel axit
silicic, làm mất nước nó ta thu được silicagen khô
Theo nhiều tác giả thì silicagen là một mạng 3 chiều, liên tục của các hạt keo
silica. Dung dịch silicate được acid hóa tạo silicic axit. Trong hệ acid silicic này,
dạng gel được hình thành từ sự gắn kết của các nhóm Si(OH)4 tạo thành các
chuỗi siloxane. Trạng thái ban đầu của quá trình polyme hóa Si(OH)4 có liên
quan đến sự hình thành của các hạt SiO2 mang trên bề mặt các nhóm silanol
(SiOH). Các hạt nhỏ riêng rẽ này được gọi là các mixen. Khi các mixen này va
chạm với nhau, các nhóm SiOH trên bề mặt sẽ tập hợp lại hình thành dạng Si-
O-Si. Như vậy có thể coi đơn giản silicagen là mạng không gian ba chiều của
các hạt mixen liên kết với nhau.
Hình I. 2: “Cầu” mixen SiO2
Các nhóm silanol (SiOH) có khả năng gắn kết tạo các “cầu” siloxane (=Si-O-
Si=) vì thế bề mặt silicagen hình thành như một tập hợp bao gồm nước (hấp phụ
vật lý), và silic oxit gắn kết với các nhóm hydroxyl.
Hình I. 3: Bề mặt Silicagen
Hình I. 4: Quá trình mất
nước trên bề mặt Silicagen
Dưới tác dụng của nhiệt độ, các phân tử nước bị tách ra tạo cho Silicagen cấu
trúc rỗng đặc trưng. Chính nhờ cấu trúc này mà silicagen có khả năng hấp phụ
vật lý cao.
Cấu trúc rỗng của Silicagen được đặc trưng bởi mật độ và kích thước trung
bình của lỗ rỗng.. Tùy theo các phương pháp tổng hợp mà mất độ và kích thước
lỗ này khác nhau.
silicagel được điều chế bằng cách trung hòa silicat của kim loại kiềm thổ với acid
. Ví dụ
Na2O·3.3 SiO2+H2SO4→Na2SO4+3.3 SiO2↓+H2O
Việc hoàn thành tổng hợp silicagel được biểu diễn phác thảo như giản đồ 1 .
Ngoài ra, sol silica ổn định cũng có thể
được gel hóa .Một phương pháp khác liên quan đến việc
thủy phân alkoxides silicon với nước, xúc tác bởi axit hoặc bazo. Sự trung hòa
natri silicat là giai đoạn đầu sự trùng hợp của silicat tứ diện vô định hình một
cách ngẫu nhiên để tạo thành mixen . Dung dịch chứa mixen trong khi vẫn ở
trạng thái lỏng được biết đến nhu một hydrosol
1.Giản đồ phác thảo quá trình tổng hợp silicagel
Sự hình thành gel xảy ra khi tương tác các mixen riêng thông qua liên kết hydro
và cuối cùng là giữa các hạt ngưng tụ có kích thước lớn hơn . Tỷ lệ sự tạo gel
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ SiO2, pH, nhiệt độ, và sự khuấy trộn .
Trùng hợp và liên kết ngang tiếp tục sau khi hydrosol đã đông đặc vào một
hydrogel.
Cấu trúc ngẫu nhiên , cấu trúc vô định hình của silicagel 2.1-2-2 g/cm3 có khối
lượng riêng nhỏ hơn so với thạch anh ( 2.65g/cm3) . Mixen là trạng thái cuối
cùng của hạt , bao gồm bên trong của SiO2 và trên bề mặt của SiOH . Trạng thái
rắn Si NMR đã chứng tỏ trạng thái hình học tứ diện về nguyên tử silicon và
khẳng định sự có mặt của khối SiO2 và bề mặt SiOH .Kích thước của mixen xác
định cụ thể diện tích bề mặt của silica gel; một mixen điển hình kích thước của
ca 2.5nm đường kính tương ứng với ca 1000 m2 / g.
Qúa trình hình thành mạng lưới gel gôm nhiều bước :
Bước đầu : rửa sạch các muối hòa tan . Bởi vì silica gel có khả năng trao đổi ion
rất thấp đối với cation hoặc các anion ở pH trung bình nên loại bỏ muối là một