Что такое силикагель?

Силикагель — это высокопористый аморфный материал из диоксида кремния (SiO₂). Его получают путем обработки силиката натрия кислотой с последующей сушкой и измельчением. Внешне он представляет собой гранулы или порошок белого цвета с размерами частиц от долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Силикагель обладает высокой удельной поверхностью (до 800 м²/г), что обеспечивает его исключительные адсорбционные свойства. Он термостоек, химически инертен и способен поглощать до 40% влаги от своей массы. Материал можно многократно регенерировать без потери основных свойств.

Технический силикагель, производимый по ГОСТ 3956-76, представляет собой высокоэффективный влагопоглотитель, состоящий из кремниевых кислот. Он выпускается в виде гранул силикагеля различного размера, обычно от 2 до 7 мм. Форма частиц может быть как неправильной, так и сферической, а внешне они выглядят как стекловидные прозрачные или матовые зерна. Силикагель фасованный часто используется в промышленности и быту. Некоторые виды силикагеля могут быть окрашены солями кобальта для индикации степени насыщения влагой, меняя цвет с синего на розовый.

Благодаря этим характеристикам, силикагель широко используется в энергетике для очистки трансформаторных масел, в электротехнике для защиты оборудования от влаги, а также в промышленности для осушки газов и жидкостей.

Когда находишься на ремонте трансформатора, этого силикагеля как грязи. 

Силикагель: виды и применение

КСМГ (крупный силикагель мелкопористый гранулированный)

Особенности:

• Мелкопористая структура
• Высокая адсорбционная способность при высокой влажности

Применение:

• Осушка воздуха и газов при высокой влажности (более 70%)
• Очистка продуктов нефтехимической промышленности
• Осушка различных жидкостей, особенно плохо растворяющих воду

КСКГ (крупный силикагель крупнопористый гранулированный)

Особенности:

• Крупнопористая структура
• Эффективен при низкой и средней влажности

Применение:

• Осушка промышленных газов и масел
• Использование в качестве катализатора в химических процессах
• Очистка горюче-смазочных материалов и гидравлических масел

Силикагель-индикатор

Особенности:

• Содержит хлорид кобальта
• Меняет цвет при поглощении влаги (с голубого на розовый)

Применение:

• Контроль относительной влажности воздуха в замкнутых объемах
• Производство оптического стекла
• Контроль влажности при транспортировке и хранении оборудования
• Использование в лабораторной практике и космической технике

Другие специальные виды

• Жидкий силикагель: Высокая чистота и текучесть. Применяется в производстве силиконовой резины, покрытий, смазок и герметиков.
• Силиконовая резина: Высокая термостойкость и химическая стойкость. Используется в производстве пресс-форм, уплотнителей, электронных компонентов.
• Волокно силикагеля: Композит наночастиц силикагеля и целлюлозных волокон. Применяется в текстильной промышленности для создания гигроскопичных материалов.

Все виды силикагеля обладают высокой удельной поверхностью (до 800 м²/г) и возможностью многократной регенерации. При работе с силикагелем необходимо соблюдать меры предосторожности, особенно с силикагелем-индикатором, содержащим соединения кобальта, которые являются токсичными и канцерогенными.

Силикагель технический

Силикагель технический изготавливается в соответствии с несколькими стандартами ГОСТ:

• ГОСТ 3956-76: Основной стандарт для технического силикагеля. Устанавливает технические требования, методы испытаний, правила приемки, упаковки, маркировки, транспортирования и хранения силикагеля.
• ГОСТ 8984-75: Дополнительный стандарт, регламентирующий некоторые аспекты производства и применения силикагеля.
• ГОСТ 9.014-78: Стандарт, касающийся временной противокоррозионной защиты изделий, где силикагель используется в качестве осушителя.

Согласно ГОСТ 3956-76, силикагель представляет собой высушенный гель кремниевой кислоты пористого строения с сильно развитой внутренней поверхностью. В стандарте определены различные марки силикагеля, такие как:

• КСМГ: Крупный силикагель мелкопористый гранулированный.
• КСКГ: Крупный силикагель крупнопористый гранулированный.

Стандарт также устанавливает физико-химические и физико-механические показатели для каждой марки силикагеля.

Основные характеристики силикагелей КСМГ и КСКГ

Силикагель: состав, структура и процесс получения

Силикагель — это высушенный гель диоксида кремния с химической формулой mSiO₂ - nH₂O. Он представляет собой аморфное твердое вещество, обычно в виде гранул белого или желтоватого цвета.

Химический состав и структура

Силикагель состоит из коллоидных сферических частиц диоксида кремния размером от 10 до 100 нм. Его структура построена из тетраэдров SiO₄, образующих трехмерные цепочечные агрегаты с силоксановыми связями Si-O-Si в точках контакта.

Поверхность силикагеля может быть:

• Полностью гидроксилирована (покрыта силанольными группами SiOH).
• Силоксановая (состоящая из атомов кислорода с небольшим количеством изолированных групп SiOH).

Процесс получения силикагеля

Основной способ производства силикагеля включает следующие этапы:

1. Взаимодействие раствора силиката натрия с кислотой (обычно серной или соляной).
2. Образование золя.
3. Застудневание и созревание геля.
4. Промывка.
5. Сушка.
6. Измельчение и прокаливание.

Наиболее твердые и прочные силикагели получают из разбавленных растворов при низких значениях pH и температурах ниже комнатной.

Классификация силикагелей

Согласно ГОСТ 3956-76, различают следующие виды силикагелей:

• Кусковые и гранулированные.
• Мелко- и крупнозернистые.
• Мелко- и крупнопористые.

Основной товарной формой являются шаровидные гранулы.

Уникальные свойства силикагеля

Силикагель обладает уникальными свойствами, которые делают его ценным материалом для широкого спектра применений.

Физические характеристики

Силикагель представляет собой твердое аморфное вещество в виде гранул белого или желтоватого цвета. Основные физические характеристики:

• Большая удельная поверхность: 750-800 м²/г.
• Высокая пористость.
• Хорошая термостойкость.
• Хрупкость в высушенном состоянии.
• Низкая растворимость в воде и органических растворителях.

Химические свойства

Химическая формула: mSiO₂ · nH₂O. Основные химические свойства:

• Структура из тетраэдров SiO₄, образующих трехмерные агрегаты.
• Поверхность может быть гидроксилирована (группы SiOH) или силоксановая (связи Si-O-Si).
• Незначительная собственная каталитическая активность.
• Безвредность для биологических объектов.

Адсорбционные способности

Силикагель обладает выдающимися адсорбционными свойствами:

• Высокая способность к поглощению влаги и других веществ.
• Активные центры на поверхности - группы SiOH, расположенные на расстоянии 0,5 нм друг от друга.
• Активация при нагревании до 150-200°C.
• Снижение адсорбционной активности при нагреве выше 200°C из-за образования связей Si-O-Si.
• Динамическая адсорбционная способность зависит от размера зерен, скорости потока и содержания влаги в газе.
• Способность к адсорбции сероводорода и диоксида углерода с возможностью их вытеснения парами воды.

Эти свойства делают силикагель эффективным осушителем газов и жидкостей, а также позволяют использовать его в качестве сорбента в хроматографии, носителя катализаторов и компонента различных материалов.

Применение силикагеля в энергетике

Силикагель широко применяется в энергетике благодаря своим уникальным адсорбционным свойствам.

Использование в трансформаторах

Силикагель играет ключевую роль в обеспечении надежной работы трансформаторов:

• Адсорбция влаги из трансформаторного масла: Силикагель марки КСКГ применяется в термосифонных фильтрах для удаления влаги и продуктов окисления.
• Осушение воздуха: Воздухоосушительные патроны с силикагелем КСКГ и силикагелем-индикатором обеспечивают подачу сухого воздуха в трансформатор.
• Снижение кислотного числа: При ремонте трансформатора силикагель КСКГ снижает кислотность масла, продлевая срок его службы.

Повышение эффективности работы трансформаторов

Применение силикагеля в трансформаторах способствует:

• Увеличению срока службы оборудования.
• Снижению риска пробоя изоляции.
• Уменьшению затрат на обслуживание и ремонт.

• Средний срок службы силикагеля в воздухоочистительных фильтрах трансформаторов составляет 1-2 года, в зависимости от объема масла.
• Замену силикагеля производят при изменении цвета индикаторного силикагеля с голубого на розовый, что свидетельствует о его увлажнении.
• Замена масла в масляных затворах трансформаторов производится через 2-3 года.
• При использовании реле контроля пленочной защиты трансформатора периодичность визуального осмотра может быть увеличена до 6 лет.
• Анализ трансформаторного масла на общее газосодержание рекомендуется выполнять не реже одного раза в год.
• В некоторых случаях замена силикагеля может производиться без вывода оборудования в ремонт, что позволяет сократить время и затраты на обслуживание.

Роль в производстве и хранении топлив

Силикагель используется для осушки газов и жидкостей в нефтехимической промышленности, что имеет ключевое значение для производства и хранения различных видов топлива, например трансформаторного масла.

Применение в газовых турбинах и системах очистки воздуха

Силикагель эффективно используется для:

• Осушки воздуха, подаваемого в газовые турбины.
• Очистки воздуха от влаги и пыли в системах вентиляции энергетических объектов.

Применение силикагеля в электротехнике и электронике

Силикагель широко применяется в электротехнике и электронике благодаря своим уникальным влагопоглощающим свойствам.

Осушение электрооборудования

• В воздухоосушительных фильтрах трансформаторов применяется силикагель марки КСКГ с добавлением силикагеля-индикатора.
• Индикаторный силикагель меняет цвет с голубого на розовый, позволяя визуально контролировать степень насыщения влагой.

Использование в силовых кабелях

• Ингибированный силикагель SIL-PROTECT защищает оборудование от влаги и конденсата при транспортировке.
• Содержит летучие ингибиторы коррозии, создающие защитный антикоррозийный слой на металлических поверхностях.

Применение в литий-ионных аккумуляторах

• Используется в составе гель-полимерных электролитов на основе полиакрилатов с винилацетатом.
• Обеспечивает высокие удельные электрохимические характеристики и стойкость к многократному циклированию при плотности тока до 2С.

Применение в системах вентиляции и кондиционирования

• Применяется для осушения воздуха в системах вентиляции и кондиционирования.
• Тонкоизмельченные силикагели типа А работают при влажности до 60%, широкопористые типа B эффективны при высокой влажности.

Применение силикагеля в различных отраслях промышленности

Силикагель играет важную роль в различных отраслях промышленности благодаря своим уникальным адсорбционным свойствам.

Системы осушения воздуха и газа

• Осушение воздуха в помещениях с повышенной влажностью и перед подачей в компрессоры.
• Осушка широкого спектра промышленных газов, включая CO2, H2, O2, N2, Cl2 и другие.
• Обезвоживание фреона в холодильной технике.

Адсорбция химических веществ в производственных процессах

• Очистка промышленных масел и нефтепродуктов.
• Сбор и репроизводство паров эфиров и бензолов.
• Использование в качестве носителя при связывании молекул силикагеля с другими веществами.

Использование в упаковке и хранении продукции

• Предотвращение коррозии и защита при длительном хранении различных продуктов, включая пищевые товары, кожаные изделия, оптические устройства и элементы техники.
• Применение в упаковке для защиты товаров, оборудования и материалов от повышенной влажности.

Металлургия

• Осушка воздуха и газов в металлургических процессах.
• Защита металлических изделий от коррозии при хранении и транспортировке.

Фармацевтика

• Концентрирование и выделение антибиотиков из культуральных жидкостей.
• Повышение концентрации действующих веществ в лекарственных препаратах.

Пищевая промышленность

• Защита пищевых продуктов от влаги при хранении и транспортировке.
• Устранение неприятных запахов в закрытых камерах, например, в холодильных установках.

Прочее применение

• В авиации для предотвращения запотевания стекол.
• В стеклопакетах для предотвращения запотевания окон.
• В медицине для минимизации последствий радиоактивного отравления.
• При производстве некоторых видов резины и изделий из нее.

Широкое применение силикагеля обусловлено его преимуществами, такими как химическая инертность, биологическая безвредность, стойкость к истиранию и надавливанию, а также возможность многократной регенерации.

Преимущества и недостатки силикагеля

Несмотря на некоторые ограничения, силикагель остаётся высокоэффективным и широко применяемым адсорбентом благодаря своим уникальным свойствам и возможности многократного использования.

Для безопасной работы с силикагелем следует соблюдать несколько важных правил:

Правила безопасности при обращении с силикагелем

• Не допускать попадания силикагеля на слизистые оболочки и внутрь организма.
• Обеспечить максимальную герметизацию технологического оборудования, чтобы избежать пыли.
• Хранить силикагель в сухом закрытом помещении, защищенном от атмосферных воздействий.
• Упаковка должна быть без механических повреждений и правильно маркирована.
• При складировании мешков не превышать высоту штабеля более 10 рядов.
• Использовать респираторы типа Лепесток.
• Применять защитные очки.
• Носить защитные перчатки, устойчивые к химическому воздействию.
• Использовать защитную одежду для предотвращения загрязнения кожи и личной одежды.
• Помещения должны быть оборудованы общей приточно-вытяжной механической вентиляцией.
• В местах наибольшего выделения пыли устанавливать укрытия с местной вытяжной вентиляцией.
• Предельно допустимая концентрация силикагеля-индикатора в воздухе рабочей зоны не должна превышать 2 мг/м³.
• При попадании силикагеля в глаза — осторожно промывать водой в течение нескольких минут.
• В случае проглатывания — прополоскать рот и обратиться к врачу.

Силикагель относится к веществам 3-го класса опасности по степени воздействия на организм. При соблюдении всех мер предосторожности он считается относительно безопасным материалом для работы.

Сравнение силикагеля с другими сорбентами:

Силикагель vs Цеолиты

Цеолиты природного происхождения являются экологически чистыми, в отличие от синтетического силикагеля. Активированный цеолит превосходит силикагель КСМГ по абсорбционным свойствам. Это также дешевле, чем силикагель КСМГ. В США и Европе чаще используют активированный цеолит, в то время как в России предпочтительнее силикагель КСМГ.

Силикагель vs Активированный уголь

Активированный уголь эффективнее при высоких концентрациях паров органических веществ, тогда как силикагель и оксид алюминия лучше поглощают влагу, но теряют эффективность при высокой влажности.

Новые разработки силикагелеевых материалов

Одной из новаций является модификация поверхности силикагеля функциональными группами для расширения возможностей сорбции. Также разрабатываются специализированные сорбенты на основе силикагеля для конкретных применений, например, Bond Elut C18 для неполярных соединений.

Экологические аспекты утилизации и регенерации

Отработанный силикагель относится к отходам 3 класса опасности. Существуют методы утилизации силикагеля при получении искусственных цеолитов. Также предложен способ совместной утилизации нефтешлама и отработанного силикагеля с получением менее опасного продукта. Регенерация силикагеля возможна, но при высокотемпературной обработке могут образовываться сложные органические соединения.

Перспективы развития

Ожидается создание более экологичных методов утилизации и регенерации силикагеля, а также разработка новых модифицированных форм с улучшенными сорбционными свойствами для специфических применений.

Часто задаваемые вопросы

Для чего используют силикагель?

Силикагель используют для осушки газов, воздуха, защиты оборудования от влаги, в качестве катализатора в органическом синтезе, для разделения веществ в фармацевтике, в стеклопакетах, холодильном оборудовании и нефтепереработке.

Сколько влаги поглощает силикагель?

Силикагель способен поглощать до 40% воды от своего веса.

Что такое кремниевый гель?

Кремниевый гель (гель с органическим кремнием) - это косметическое средство на основе монометилсилантриола, стимулирующее выработку коллагена в коже.

Где можно применить силикагель?

Силикагель можно применять для осушки электроники, устранения запаха в спортивных сумках, защиты серебра от потемнения, хранения семян, сушки обуви, предотвращения конденсата в автомобиле.

Для чего можно использовать силикагель в быту?

Силикагель можно использовать как наполнитель для кошачьих туалетов, осушитель для электроники, средство от запотевания фотоаппарата, для хранения фотографий и как основу для освежителя воздуха.

Как правильно использовать силикагель?

Силикагель следует хранить в герметичной таре до использования. Для осушки помещают в газопроницаемую или перфорированную оболочку.

Можно ли трогать силикагель?

Силикагель безопасен при контакте с кожей, но не рекомендуется его проглатывать или вдыхать пыль. При правильном использовании его можно трогать.

Что делать, если проглотил силикагель?

Если вы проглотили силикагель, выпейте как можно больше воды или молока, чтобы шарики силикагеля опустились в желудок. Прополощите рот для удаления остатков силикагеля. Наблюдайте за своим состоянием в течение суток; если появится тошнота, рвота или боли в животе, обратитесь к врачу. В случае проглатывания большого количества силикагеля (например, целого пакетика) рекомендуется посетить врача, даже если нет симптомов. Если силикагель попал в глаза, промойте их теплой водой. В большинстве случаев проглатывание небольшого количества силикагеля не представляет серьезной опасности, но всегда лучше соблюдать меры предосторожности.

Литература

• Кольцов С.И., Алесковский В.Б. Силикагель, его строение и химические свойства. - Л., 1963.
• Беркман С., Морелл Д., Эглофф Г. Катализ в неорганической и органической химии, книга вторая. - М.: Гостоптехиздат, 1949.
• Газпром нефтехим Салават: энциклопедия / гл. ред. Д. Р. Ягтман. - Уфа: Башкирская энциклопедия, 2012.
• Журнал физической химии. - Статьи по синтезу и исследованию свойств сорбентов на основе силикагеля.
• Успехи химии. - Обзорные статьи по применению силикагеля в различных областях.
• Химическая промышленность. - Публикации о промышленном производстве и применении силикагеля.
• Journal of Chromatography A. - Статьи по применению силикагеля в хроматографии.
• Адсорбция и адсорбенты. - Сборник научных трудов по теории и практике адсорбционных процессов.
• Неорганические материалы. - Научные работы по синтезу и модификации силикагелей.
• Коллоидный журнал. - Исследования коллоидно-химических свойств силикагелей.