silica gel

Sinteza și caracterizarea la nivel nano a silica-gel-ului format în

condiții controlateRon Stevens et al., Powder Tehnology, 2010, 203, 462-468

Îndrumător : Lector Dr. Ing. Luiza Găină Student :

Sînziana Butaciu

UNIVERSITATEA “BABEŞ-BOLYAI” CLUJ-NAPOCAFACULTATEA DE CHIMIE ŞI INGINERIE CHIMICĂ

Chimie Alimentară și Tehnologii Biochimice

IntroducereIntroducere

Pudra amorfă a SiO2 este o bază de materii prime folosite pe scară largă, una dintre ele fiind producerea silica-gel-ului.

Silica-gel-ul se poate obţine prin 2 metode: din compuşi naturali: cenuşa tărîţelor de orez şi din compuşi artificiali: tetraetilortosilicat (TEOS).

Metoda 1: ieftină, sănătoasă.

Metoda 2: mai scumpă, TEOS-compus chimic periculos.

Prepararea silica-gel-uluiPrepararea silica-gel-ului

Cenuşa tărâţelor de orez şi cu o soluţie de NaOH au fost calcinate, refluxate, spălate şi amestecul final a fost filtrat.

Pentru eliminarea impurităţilor, filtratul, o soluţie de silicat de sodiu, a fost titrat cu o soluţie de H2SO4, pH-ul soluţiei finale fiind 7.

După formarea suspensiei, aceasta a fost centrifugată, spălată şi pe urmă întinsă pe vase de sticlă şi apoi uscată.

După uscare, silica-gel-ul a fost măcinat şi pus în forme.

Metode folositeMetode folosite

- Analiza termogravimetrică (TGA)- Analiza termică diferenţială (DTA)- Difracţia de raze X (XRD)- Spectrometria de infraroşu (FTIR)- Microscopia electronică de baleiaj (SEM)- Microscopia electronică de transmisie

(TEM)

Rezultate şi discuţiiRezultate şi discuţii

Profilul TGA are loc în 4 etape de scădere a greutăţii: eliminarea umidităţii, masa rămâne constantă, amestecarea compuşilor organici şi desompunerea lor.

Profilul DTA are 2 vârfuri exotermice care arată descompunerea compuşilor organici.

Fig.1. Profilele TGA şi DTA ale tărâţelor de orez.

În profilul tărâţelor de orez apar vârfuri caracteristice SiO2, care dispare după calcinare.

Temperatura de calcinare este recomandat să fie ţinută sub 7000C pentru a nu se trece din faza amorfă în cea cristalină.

Din spectru silica-gel-ului reiese faptul că putem sintetiza silica-gel-ul pur în urma acestei metode.

Fig.2. Modelul XRD a tărâţelor de orez, a cenuşii tărâţelor de orez şi a silica-gel-ului.

Compoziţia chimicăCompoziţia chimicăTărâţele de orez: SiO2, K2O, CaO, SO3, MgO,

P2O5;

- urme: MnO2, Na2O, Al2O3, Fe2O3.

Cenuşa tărâţelor de orez: SiO2, K2O, CaO, SO3, MgO, P2O5, MnO2;

- urme: Na2O, Al2O3, Fe2O3

Silica-gel-ul: SiO2, K2O, Na2O;

- urme: CaO, SO3, MgO, P2O5, MnO2, Al2O3, Fe2O3.

Prin această metodă se obține silica-gel de puritate mare (98,79%).

Grupările funcționaleGrupările funcționale

Fig.3. Spectrul FTIR a vaporilor de SiO2 și silica-gel preparat la diferiți timpi de reflux și număr diferit de spălări: a) vapori de SiO2; b) silica-gel (5 ore de reflux și 4 spălări); c) silica-gel (5 ore de reflux și 6 spălări); d) silica-gel (5 ore de reflux și 8 spălări); e) silica-gel (9 ore de reflux și 8 spălări) și f) silica-gel (3 ore de reflux și 8 spălări).

Timpul de refluxTimpul de reflux

Silica-gel-ul produs în timpul orelor de reflux nu arată nici o diferenţă în urmele lor XRD.

Silica-gel-ul refluxat 3 ore are raza şi aria suprafeţei mai mare ca cel refluxat 9 ore.

Un timp mai scurt este insuficient pentru terminarea reacţiei.

Un timp prea lung poate rezulta o aglomerare a particulelor, fapt care ar reduce aria suprafeţei.

Mărimea porilor pentru tot silica-gel-ul este între 7 şi 20 nm.

Timpul de spălareTimpul de spălare

Pentru îndepărtarea impurităţilor silica-gel-ul obţinut trebuie spălat (după refluxare se adaugă apa, se titrează cu H2SO4 şi pe urmă se spală).

Probele au fost spălate de 2, 4, 6 şi 8 ori, descoperindu-se că este necesar ca silica-gel-ul să fie spălat de cel puţin 4 ori.

O dată cu creşterea numărului spălărilor, descreşte mărimea particulelor şi creşte aria suprafeţei.

Adăugarea apeiAdăugarea apei

Adăugarea apei înainte de titrarea cu H2SO4 nu a avut efect asupra nivelului de impurităţi din silica-gel.

Deşi adăugarea apei nu are efect asupra impurităţilor aceasta modifică puţin mărime particulelor şi a ariei suprafeţei: cu cât adăugăm mai multă apă cu atât dimensiunea particulelor scade şi creşte aria suprafeţei.

Investigarea microstructuriiInvestigarea microstructurii

1. Microscopia electronică de baleiaj (SEM)- arată schimbările aspectului silica-gel-ului;- imaginile SEM dezvăluie suspensia ca fiind

împărţită în regiuni cu diametru variind de la câțiva sub-microni până la 20 µm;

- aglomeratele sunt preparate din particule fine şi pot fi înlăturate doar folosind Microscopia electronică de transmisie (TEM).

2. Microscopia electronică de transmisie (TEM)- arată microstructura SiO2 expandat şi a silica-

gel-ului obţinut din cenuşa tărâţelor de orez preparat la diverşi timpi de reflux şi diverse condiţii de spălare;

- rezultatele TEM informează că dimensiunea particulelor nu este uniformă, indicând o distribuţie biformală a dimensiunii particulelor;

- aceasta susţine explicaţiile date pentru anomaliile cu privire la dimensiunea particulelor şi a ariei suprafeţei.

Fig.4. Exemplu de imagine TEM de înaltă rezoluţie făcută silica-gel-ului (5 ore de reflux şi 4 spălări) arătând structura amorfă în particulele suspensiei.

ConcluziiConcluzii

- s-a determinat mărimea optimă a particulelor, aria suprafeţei şi mărimea porilor;

- 3 parametri importanţi ai metodei: adăugarea apei, timpul de reflux şi timpul de spălare;

- metoda are costuri relativ scăzute datorită absenţei pre-tratamentului tărâţelor de orez înainte de calcinare;

- datorită purităţii mari a silica-gel-ului obţinut, acesta se poate folosi în diverse domenii cum ar fi medicina şi farmacia.