آنچه در مورد سیلیکاژل باید بدانید
تهيه سيليكاژل برای اولين بار به توماس گراهام در سال 1861 ميلادی نسبت داده میشود. رطوبت معمولاَ يكی از عوامل مزاحم در اكثر صنايع است كه میتواند اثرات سوء و مخربی در كليه مراحل، اعم از نگهداری مواد اوليه و محصول در انبارها و در زمان حمل و نقل داشته باشد. لذا سيليكاژل به عنوان يک ماده رطوبتگير، كاربرد عمدهای در صنايع و به خصوص در صنايع برق، دارويی و بستهبندی پيدا كرده و از كالا در برابر رطوبت و خوردگی حفاظت میكند. اين ماده امروزه يكی از عوامل موثر بر ارائه محصول مرغوب در بازارهای بينالمللی به حساب میآيد. سيليكاژل از لحاظ امكان بررسی ظاهری ميزان جذب رطوبت به دو صورت انديكاتوردار (آبیرنگ) و بدون انديكاتور (بیرنگ) موجود است كه نوع آبی آن پس از جذب رطوبت به صورتی تغيير رنگ میدهد، اما در نوع سفيد تشخيص ظاهری ميزان جذب به سختی امكانپذير میباشد. سيليكاژل عمدتاً در صنایع نفت، گاز و پتروشيمی، برق و نيروگاههای توليد برق، صنایع نظامی، دارويی، مخابرات، ساختمان و شيشههای دو جداره بستهبندی به عنوان جاذب رطوبت و كاتاليزور كاربرد دارد. برای آنچه در مورد سیلیکاژل باید بدانید در این مقاله به آن پرداخته شده است.
فهرست مطلب
مشخصات فیزیکی و شیمیایی انواع سيليكاژل
سه نوع سيليكاژل گرانولی (کروی)، پرک و پودر هیدراته به صورت عمده توليد میشوند. سيليكاژل كروی از پر مصرفترين نوع سيليكاژل در صنايع نفت است. سيليكاژل يک ماده شيميايی است كه نوع مرغوب آن به رنگ آبی آسمانی است. اين ماده وقتی كه رطوبت به خود میگيرد به رنگ صورتی تبدیل میشود. اما میتوان دوباره از آن استفاده كرد. برای اين منظور آن را در فِر گاز قرار میدهيم تا خشک شود و دوباره به رنگ آبی در آيد. به وسيله فرو بردن كاغذ تورنسل در سيليكاژل متوجه میشویم كه سيليكاژل رطوبت دارد يا خير به طوری که اگر مرطوب باشد رنگ كاغذ تورنسل تغيير میكند.
انواع بستهبندی سیلیکاژل
- قوطی پلی اتيلنی با وزن خالص 1، 5 و 10 كيلوگرم
- بستهبندی در لفاف منسوخ نبافته ضخيم 10 الي 150 گرم
- بستهبندی در لفاف منسوج نبافته نازک در ابعاد و اوزان مختلف 1، 2، 5 و 10 گرم
- بشكه مقوايی دوجداره غيرقابل نفوذ هوا و پلمپ شده با وزن خالص 10، 15 و 25 كيلوگرم
- بستهبندی با لفاف متقال (پارچه مخصوص) در ابعاد و اوزان مختلف از 150 گرم الی 1 كيلوگرم
موارد مصرف و كاربرد سیلیکاژل
سيليكاژل مورد استفاده در پتروشیمی میبايست كاملاً كلسينه شده باشد. در پتروشیمی از اين ماده به عنوان کاتالیزور برای رطوبتزدايی گازهايی كه از داخل راكتور میگذرد استفاده میگردد. از سيليكاژل کلسینه نشده نیز در پالايشگاهها و چاههای نفت و گاز بسيار استفاده میشود. در اين صنعت از سيليكاژل به عنوان كاتاليزور و رطوبتگير استفاده میشود. صنايع نظامی از ديگر مصرف كنندگان اين كالا میباشند. در صنايع دارويی از سيليكاژل در طيف وسيعی از مواد اوليه تا بستهبندی محصولات استفاده میشود. در صنعت برق و مخابرات نيز به منظور حفاظت از سيستمهای از اين محصول استفاده مینمايند.
1. صنايع دارويی، غذايی و كشاورزی
هر انسانی به غذا و دارو نياز دارد اما مهم است كه بتوان آنها را به صورت تميز و خشک نگهداری نمود. گاه اكسيژن و رطوبت عامل مزاحم و فاسد كننده برای مواد غذايی و دارو محسوب میشوند. با به كار بردن كپسول و يا بستههای سيليكاژل میتوان از اثرات مخرب آنها و گازهای مزاحم جلوگيری كرد.
2. صنايع بستهبندی، حمل ونقل و انبارداری
سيليكاژل در بستهبندی كالا در زمان حمل و نقل علی الخصوص دريایی و انبارداری نقش به سزایی دارد. بستههای خشک كن كه به صورت ويژه برای كاهش قطرات آب در حمل و نقل و كانتينرها ساخته شدهاند با كاهش قطرات آب در بستهبندیها، محمولهها را از آسيبديدگی توسط رطوبت در حين نقل و انتقال محافظت میکند. در اين حالت حمل كالا بدون مزاحمت قطرات آب مقدور میباشد و از شكلگيری قارچ و كپک و زنگهای فاسد كننده جلوگيری میكند. فوايد استفاده از بستههای سيليكاژل به شرح زير است:
- جذب رطوبت تا 40 درصد وزن دسيكانتها
- محافظت كالا تا 50 روز يا بيشتر در مقابل رطوبت
- جلوگيری از آسیب كيفيت در بستهبندی كالا
3. صنايع خودروسازی و نظامی
استفاده از قرصهای دسيكانت يک روش موثر جهت محافظت از محصولات خودرو در برابر رطوبت است در زمانی كه فضای بسيار كمی در دسترس باشد. اين قرصها كاربرد وسيعی در صنايع نظامی و قطعات دارد. قرصهای دسيكانت در اشكال و سايزهای متفاوت توانايی جذب بالايی نسبت به رطوبت دارند. اين قرصها به صورت فشرده با وزن بسيار كم به عنوان روشی با دوام در بستههايی كه فضای بسيار كمی دارند به كار میرود. قرصهای دسيكانت يک راهحل ايدهآل برای هر نوع كاربردی كه فضای بستهبندی در آن محدود است و حفاظت در مقابل رطوبت بيشترين اهميت را دارد به شمار میرود.
4. صنايع ساختمانی
انواع خاصی از شيشهها وجود دارند كه تمايل به از دستدادن شفافيت داشته و ابری يا رگهرگه میشوند (بيماری شيشه). در اين حالت لايههای نازک سدیم کربنات و پتاسيم کربنات به روی آن ايجاد میشود كه بسيار رطوبتگير بوده و نهايتاَ سبب كدر شدن و متلاشی شدن شيشه میشوند. با استفاده از سيليكاژل به عنوان ماده رطوبتگير میتوان آنها را همواره خشک نگه داشت. علاوه بر اين در صنايع ساختمانی از شيشههای دوجداره برای عايقبندی ساختمان استفاده میشود كه سيليكاژل در فضای بین اين شيشهها به عنوان رطوبتگير برای جلوگيری از تشكيل شبنم استفاده میشود.
5. آثار باستانی و صنايع دستی
دو عامل رطوبت و دمای محيط اثرات تعيينكنندهای بر پايداری و استحكام اشيای تاريخی يا آثار هنری دارند، كه با كنترل شرايط محيطی میتوان از تخريب اشيا جلوگيری نمود. بزرگترين خطرِ افزايش ميزان رطوبت نسبی؛ فراهم شدن شرايط محيطی لازم برای رشد و نمو كپکها بر روی كليه آثاری است كه مواد غذايی ضروری اين گروه از محصولات زنده را در خود دارند. با نگاه داشتن مقدار رطوبت نسبی هوا در سطح پايين توسط سيليكاژل میتوان از رشد اين محصولات ذرهبينی جلوگيری كرد.
6. تجهيزات و قطعات الكترونيكی ـ صنايع مخابراتی
كپسول سيليكاژل Dricap يک روش مطمئن است كه توانايی جذب استثنايی رطوبت در فضای بسيار كوچک را دارد با تعدادی از اين دسيكانتها میتوان محصولات متفاوتی با بستهبندیهای مختلف را از تاثير رطوبت و قارچ و كپک حفظ کرد. Dricap با طراحی فشرده خود، دارای قابليت بسيار بالا و استثنايی است بهطوری كه هر بسته آن تعداد زيادی دسيكانت را در كمترين فضا جا داده كه توانای فوقالعادهای در جذب رطوبت دارد. Dricap میتواند با سيليكاژل آبی (كه بيشتر معمول است) و يا سيليكاژل سفيد پُر شود و در قطعات كوچک با فضای بسيار كم مثل قطعات الكترونيكی تابلوهای برق به كار میرود. علاوه بر Dricap میتوان از بستههای سيليكاژل آبی يا بیرنگ نيز استفاده نمود.
شرح فرآيند و تكنولوژیهای تولید سيليكاژل
عمدهترين روش توليد سيليكاژل (اعم از سیلیکاژل پرک، پودر هيدراته و يا گرانول)، اضافه كردن اسيد به سيليكات سديم يا سیلیکات پتاسيم و تشكيل ژل، عمل شستشو و بعد از آن خشک كردن است، كلسيناسيون مرحله نهايی توليد خواهد بود. روشهای متداول توليد سيليكاژل كروی روش drop oil است كه شيوهای برای كروی كردن سيليكاژل میباشد. در ابتدا اسيد ساليسيليک آزاد میشود اما اين اسيد آزاد به سرعت شروع به متراكم شدن مینمايد و با حذف آب برای تشكيل دیمرها، تریمرها و در نهايت اسيد ساليسيليک پليمری شرايط آماده میشود. با رشد پليمر در ابتدا مجموعههای پليمری تشكيل میگردد و متعاقباً كرههای پليمر كه به قطر چند انگسترم میباشد حاصل میشود. اندازه اين كرههای پليمری معمولاً به ذرات سيليكای اوليه بستگی دارد. اين ذرات اوليه به رشد خود ادامه میدهند تا در يک اندازه خاص بلورهای سيلانول سطحی آنها (بلورهای هيدروكسيد متصل به اتمهای سيليكون سطحی) روی ذرات پليمر اوليه مجاور با حذف آب متراكم شوند. اين تراكم موجب میشود كه ذرات اوليه به هم چسبيده و در اين مرحله محلول شروع به ژل شدن میكند. در طی اين فرآيند ذرات اوليه ژل سيليكايی كه تشكيل میشود در طيفی از قطرهای مختلف از چند انگستروم تا چندين هزار انگستروم (بسته به شرايط تشكيل) به وجود میآيند. استفاده از تركيبهای خالص سيليكون مانند اتیل سيليكات، سيليكون تتراكلرايد و ديگر تركيبهای سيليسيک استری در ساخت سيليكاژل، علیرغم اين كه خلوص و چگالی بالا را در فرآورده باعث میشوند، اما روشهای بسيار گران قيمت هستند. در ادامه به روشهای معمول در ساخت سيليكاژل اشاره میشود:
- روش كربناسيون سديم سيليكات
- روش استفاده از تبادل گرهای يونی
- روش استفاده از سديم سيليكات و نمک آمونيوم
- روش استفاده از سديم سيليكات و اسيدهای معدنی
- روش استفاده از آلومينيوم سولفات و آمونیوم هيدروكسيد در مجاورت سديم سيليكات و اسيد معدنی
فرآيند كلسينه شده سيليكاژل
بلورهای سيليكاژل معمولاً در راكتورهای رو بسته با سوخت گازی و يا مايع تهيه میشوند. سيليكات از واكنش سديم اكسيد، سيليسيم دی اكسيد و يک اسيد در دمای مناسب و ويسكوزيته مذاب قابل كنترل به دست میآيد. شدت واكنش كوارتز و فضاهای ايجاد شده در سيليكاژل برای جذب بهتر رطوبت میباشد. از نتايج حاصل از تجزيه و تحليلهای توموگراويمتريک میتوان به سينتيک ميان سيليكات سديم و اسيد پی برد. مواد توليد شده نسبت به رطوبت حساس بوده لذا در طراحی راكتور مراقبتهای لازم را میبايستی پيشبينی نمود. چنانچه انرژی الكتريكی در دسترس و هزينه تامين آن كم باشد، در آن صورت از راكتور الكتريكی به طور رضايت بخش میتوان استفاده كرد. سيليكات و اسيدهای مورد استفاده در محلول بايد از خلوص بالا برخوردار باشد به عنوان نمونه درجه سيليكات سديم مورد استفاده نبايستی از 43 درصد پایینتر باشد و مواد زاید مخلوط با آن نبايد از حد مجاز بيشتر باشد. هنگامی كه بلورها در راكتور توليد میشوند میتوان آن را به شكل ژل كلوخه، به انحلالدهندههای دوار هدايت نموده، يا به شكل ژل كلوخه به انحلالدهندههای فشاری حل کرد.
فرآيند کلسينه نشده سيليكاژل
از تركيب مستقيم و در فشار و درجه حرارت لازم در اتوكلاو و در راكتور توليد میشود. محلولهای به دست آمده تا نسبت مولاريته 2/65 در اتوكلاوی با دمای 80 درجه سانتیگراد و سپس در راكتور قابل تهيه میباشد. نسبتهای بالاتر با استفاده از سيليكای آمورف (پرک) امكانپذير است. در اين روش اسيد پس از واكنش با سيليكات سديم در محلول تزريق میگردد و پس از مراحل شستشو به اتوكلاو منتقل میگردد. روش معمول در تهيه سيليكاژل، واكنش سديم سيليكات با يک اسيد معدنی است كه در مرحله اول سيليكاسل تهيه و سپس به هيدروژل و در نهايت به سيليكاژل تبديل میشود. سيليكاژل توليد شده با داشتن عاملهای شيميايی سيلانول توانايی جذب تركيبهای قطبی به ويژه آب را دارا است. اين پديده متاثر از عاملهايی مانند دما، pH، غلظت مواد اوليه در تهيه هيدروسل و شرايط محيطی تشكيل هيدروژل و مراحل شستشو و پخت آن است. لذا بسته به نوع كاربرد مورد نظر میتوان شرايط ساخت و شرايط محيطی را تنظيم نمود. به طور كلی براي شكلدهی، روشهای متفاوتی بر اساس ماهيت مواد اوليه وجود دارد كه میتوان به روشهای قرصسازی، اكسترود كردن، گرانولسازی دراژهای، انعقاد قطرهای، خشک كن پاشنده و … اشاره كرد. روشهای قالبگيری و انعقاد قطرهای به عنوان مهمترين و متداولترين روشها در تهيه هيدروژل كروی مطرح هستند. در روش قالبگيری، ابتدا سيليكاسل با مقدار اسيدی بودن مناسب به داخل قالبهای نيم كرهای شكل هدايت میشود و سپس با اعمال دمای مناسب در درون قالبها، هيدروسل به هيدروژل تبديل شده و با جدا شدن دو نيمه قالب هيدروژل كروی شكل به دست میآید.
در روش انعقاد قطرهای، با استفاده از خاصيت عدم امتزاج پذيری هيدروسل (سيليكاسل مايع) با سيالهايی مانند روغنها يا حلالهای آلی، ابتدا سيليكاسل تهيه و به وسيله تكنيکهايی (نازل، صفحه شياردار و …) به شكل قطرههايی با ابعاد مورد نظر وارد مايع غير قابل امتزاج با آن میشوند و با تنظيم دمای روغن، هيدروسل با مقدار اسيدی بودن مشخص به هيدروژل تبديل شده و پديده شكل گرفتن اتفاق میافتد. كشش سطحی و نیروهای جانبی اعمال شده روی قطرهها در حین عبور در داخل سیال آلی منجر به تشکیل پایدارترین شكل هندسی (کروی) میشود. در این فرآيند دمای سیال آلی، ناروانی آن، مدت زمان تماس قطره هیدروسل با آن، سرعت تبدیل هیدروسل به هیدروژل، ترکیب، غلظت و هیدروسل از عاملهایی هستند که در تعیین مشخصات نهایی سیلیکاژل گرانول حاصل موثر میباشند. این روش در اصطلاح به روش قطره – روغن معروف است و دستگاههايی که با این روش کار میکنند به دو دسته تقسیم میشوند: در يک دسته، از سیال آلی با چگالی بالاتر از چگالی هیدروسل استفاده میشود که در آنها قطره سل از پایین ستون حاوی سیال وارد میشود و به آرامی به بالا حركت میکند در و طول حركت به شكل کروی در آمده و به هیدروژل تبدیل میشود.
در دسته دیگر، از سیال با چگالی پایینتر از چگالی هیدروسل استفاده میشود و در آن قطرههای سل از بالا وارد ستون حاوی سیال میشود و به آرامی سقوط میکند و به شکل هیدروژل کروی در آمده و از انتهای ستون خارج میشوند. هیدروژلهای کروی به دست آمده با دو هدف اصلی زیر مورد شستشو قرار میگیرند:
1-جداسازی نمکهای جانبی تشکیل شده(سدیم سولفات) از ساختار هیدروژل
2-بهبود خواص فيزيكی مكانيكی حاصل مانند استحكام و اندازه خلل فرجها که با رعايت pH محلولهای شستشو امكانپذير است.
عوامل موثر در فرآورده سلیکاژل
نکته مهم ديگر به مرحله گرمادهی و پخت نهايی اختصاص دارد كه سرعت گرمادهی و سيكل گرمای اعمال شده روی خواص شيميایی و فيزيكی فرآورده نهایی سيليكاژل تاثير به سزايی دارد. همچنين ويژگیهای شيميایی و فيزيكی فرآورده سيليكاژل متاثر از عاملهای بسياری است كه در طی فرآيند تولید لازم است رعايت شود. از جمله اين عوامل زمان انعقاد ژل و pH مخلوط واكنش در زمان تشكيل ژل میباشد. در pHهای پايين، زمان لازم برای انعقاد ژل بالا است بهطوری كه در pH=2.5 حداكثر زمان انعقاد ژل مشاهده میشود. در مقابل در محدوده pH 4 تا 8، سيليكاسل از پايداری مناسبی برخودار نمیباشد و در pH بالاتر از 8 نيز با تغيير روش ساخت (افزايش اسيد به سديم سيليكات به جای افزايش سديم سيليكات به اسيد) دوباره زمان انعقاد ژل افزايش میيابد. همچنين سطح ويژه سيليكاژل حاصل در pH 1 تا 4 به نسبت بالا و در حدود 800 مترمربع بر گرم است. در صورتی که در pH بین 4 تا 8 سطح ويژه سيليكاژل حاصل به 200 مترمربع بر گرم كاهش میيابد.
تغييرهای به نسبت تند سطح ويژه با pH همراه با تغييرهای جدی در نتیجهها است و اين نشان میدهد كه چگونه تغييرهای هر چند كوچک در شرايط پليمريزه شدن سيليكاسل (سيليسيک اسيد) میتواند روی ويژگیهای شيميایی و فيزيكی فرآورده نهايی سيليكاژل توليد شده موثر باشد. حجم حفرهها در سيليكاژل حاصل نيز رابطه پيچيدهای را با pH مخلوط واكنش نسبت به آنچه كه در رابطه با زمان انعقاد ژل و سطح ويژه ديده شده، از خود نشان میدهد. همچنين ويژگیهای كلی سيليكاژل تحت تاثير پليمريزه شده واحدهای سيليكا میباشد. اتصالات سه بعدی اين ذرههای ریز با پليمريزه شدن تراكمی در كه طی مراحل شستشو و خشک شدن نيز ادامه میيابند منجر به تشكيل ساختار متخلخل با اندازه حفرهها و سطح ويژه پيشبينی شده میشود. برای تهيه سيليكاژل، روشهای متفاوتی بيان شده است در كه اصل در ساخت آن، يک محلول سيليكاتی با استفاده از يک اسيد يا نمک يك اسيد و یا گازهايی که در آب توليد اسيد میكنند به هيدروسل تبديل میشود.
نتیجهگیری
همانطور که میدانید سیلیکاژل کاربردهای فراوانی در زندگی روزمرهی ما دارد. ما در این مقاله سعی کردیم راجع به نحوهی تولید و واکنشهای مربوط به آن مانند کلسینه شدن و کلسینه نشدن، و همچنین عواملی که روی این واکنش ها موثر هستند توضیح دهیم. امیدواریم این مقاله شمارو به جواب تمامی سوالاتتان در این زمینه رسانده باشد.