硅胶的制备及应用现状_赵希鹏

Abstract： Silica gel was insoluble in water and any solvent，non － toxic and odorless，chemical stability，except strong alkali and hydrofluoric acid，and it can’t react with any material． According to its aperture size’s，it was divided into big pore silica gel，thick pore silica gel，the type B silica gel and the fine pore silica gel． Because the pore structure was different，so they had different features of adsorption performance． Silica gel was a highly active adsorption materials， usually prepared by the sodium silicate and sulfuric acid as raw material． Various silica gel production technology was introduced，and the present situation of the application of the silica gel was discussed．
块状硅胶的生产工艺是： 将二氧化硅含量为 20% 左右的稀
作者简介： 赵希鹏（ 1984 － ） ，女，助理工程师，青岛科技大学研究生，从事废弃物重新利用。
2011 年 39 卷第 24 期
广州化工
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硅酸钠和浓度为 30% 稀硫酸，通过一定压力于 20 ～ 30 ℃ 时由喷 头喷出，经混合反应生成多硅酸和硫酸钠，其反应：
图 1 硅胶的生产工艺流程 Fig． 1 Silica gel production process
1． 1 块状硅胶的制备
粗孔块状硅胶呈 白 色 或 半 透 明 的 不 规 则 颗 粒 ，堆 积 密 度 大 于 400 g / L、孔容大于 0． 76 mL / g，细孔块状硅胶呈透明的不规则 颗粒，二者均具 有 高 的 热 稳 定 性 和 多 为 孔 结 构。 生 产 过 程 中 所 用的原料为模数 3． 3 ± 0． 1、可溶性固体总碱量大于 90% 的硅酸 钠； 硫酸和氨水。
Key words： silica gel； preparation； application
硅胶是一种典型 的 高 活 性 多 孔 吸 附 材 料，具 有 丰 富 的 孔 道 结构和大的比表面积，属 于 非 晶 态 物 质，其 分 子 式 为 mSiO2 · nH2 O，其中的基本结构质点为 Si － O 四面体，系由 Si － O 四面体 相互堆积形成硅 胶 的 骨 架。堆 积 时，指 点 之 间 的 空 间 即 为 硅 胶 的孔隙。硅胶中 H2 O 为结构水，它以羟基（ OH） 的形式和硅原子 相连而覆盖于硅胶的表面。
1． 3 微球形细孔硅胶的制备
先将硅酸钠溶液与硫酸在一定的 pH 值下反应生成凝胶并 在热油中成型制得球形硅凝胶，经老化、酸泡、水洗、氨泡、干燥、 活化、筛选即得成品。将 Na2 O 含量为 5． 12% ～ 5． 25% 的硅酸 钠稀溶液和浓度为 20% 的稀硫酸溶液用一定的压力分别打到反 应喷头处，使其 高 速 化 合 成 硅 溶 胶。硅 溶 胶 由 伞 形 分 配 盘 分 散 进入成型柱的油 浴 内，借 本 身 的 表 面 张 力 而 收 缩 成 球 形。 由 于 硅溶胶在酸性介质（ pH 值 = 6． 6 ～ 7． 0） 和在受热的情况下是极 不稳定 的，因 而 在 5 ～ 7 s 内 迅 速 凝 成 硅 凝 胶，然 后 用 2% ～ 2． 5% 的硫酸浸泡 6 h 后，进行水洗，再用 0． 15% ～ 0． 2% 的氨 水（ 也可用硫酸钠） 浸泡以扩大孔径。氨水浸泡后的物料，在滚 筒干燥器内烘干，干 燥 后 的 硅 胶 为 微 黄 或 棕 黑 色 颗 粒。 干 燥 后 把物料置于活化炉内，在 500 ～ 550 ℃ 高温活化 20 min，使颗粒从 黑棕色转变成白色。活化后筛选即得不同规格的产品［9］。
Na2 SiO3 + H2 SO4 + H2 O→H4 SiO4 + Na2 SO4 多硅酸钠在酸性条件下不稳定，立即缩聚成硅凝胶：
nH4 SiO4 →nSiO2 ·mH2 O + （ n － m） H2 O 硅凝胶在老化槽中老化 35 h 以上，然后放掉老化槽中的老 化水，用非铁质的器具将凝胶割成小于 5 cm 的胶块，进入水洗 槽，如果是细孔硅胶应用 3% 左右的稀硫酸置换 4 h 以上，而粗 孔硅胶直接进入水洗过程，洗至胶块 pH 值大于 5，洗完后若为粗 孔硅胶则用 0． 13% ～ 0． 18% 稀氨，在 20 ～ 30 ℃ 温度下浸泡 16 h， 细孔硅胶直接进入隧道烘干。
2 硅胶的应用
硅胶是一种高活性吸附材料，对水分子具有良好的亲和力，是 一种良好的干燥剂。硅胶最适合的吸湿环境为室温（ 20 ～ 32 ℃） 、高 湿（ 60% ～ 90% ） ，它能使环境的相对湿度降低至 40% 左右，因此 硅胶干燥剂应用 范 围 非 常 广 泛。同 时，硅 胶 的 化 学 组 分 和 物 理 结构，决定了它具有其它同类材料难以取代的特点： 吸附性能 高，热稳定性好，化 学 性 质 稳 定，有 较 高 的 机 械 强 度 等。 硅 胶 干 燥剂是把硅胶封 在 不 同 包 材 内 制 成 不 同 克 数 的 小 包 装 ，重 量 从 0． 5 g 到 1 000 g 不等，主要用于干燥剂、除味剂、防潮珠等，广泛 用于仪器、仪表、器械、皮 革、鞋 类、食 品、药 品、工 艺 美 术 品 等 的 贮存和运输中控制环境的相对湿度，防止物品受潮、腐蚀。
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广州化工
2011 年 39 卷第 24 期
硅胶的制备及应用现状
赵希鹏
（ 青岛科技大学，山东 青岛 266042）
摘 要： 硅胶不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。根据其孔径的大小分
为： 大孔硅胶、粗孔硅胶、B 型硅胶、细孔硅胶。由于孔隙结构的不同，因此它们的吸附性能各有特点。硅胶是一种高活性的吸附材 料，通常以硅酸钠和硫酸为原料制备，文中介绍了各种硅胶的生产工艺，论述了硅胶的应用现状。
造成污染。而化学沉淀法以硅酸钠和无机酸为原料，工艺简单， 原料来源广泛，成本低，能耗小，易于工业化生产。
综上所述，在工业化的生产中，为了节约成本，降低能耗，在 日益激烈的竞争 中 立 于 不 败 之 地，硅 胶 的 生 产 通 常 是 以 硅 酸 钠 和硫酸反应，经过 老 化、酸 泡、水 洗 等 一 些 列 后 处 理 过 程 而 制 得 的。工艺流程图如图 1。
球形硅胶的生产工艺是： 将二氧化硅含量为 16% 左右的稀 硅酸钠和浓度为 20% 稀硫酸，经一定压力混合后，在一定的 pH 值下利用空气造粒反应形成凝胶颗粒，进入凝胶颗粒接受器中， 接受器中的循环水为中性，老化十分钟左右，通过传送带送入水 洗罐，利用含酸量为 2． 5% 左右的稀硫酸交换 5 h 以上水洗，洗至 胶块 pH 值大于 5，洗完后若为粗孔硅胶则用 0． 13% ～ 0． 18% 稀 氨，在 20 ～ 30 ℃ 温度下浸泡 16 h，细孔硅胶直接进入隧道烘干。
2． 1 硅胶在工业领域的应用
在石油化工方面，硅胶类的产品主要用于变压吸附、催化剂 及催化剂载体等。用于变压吸附的细孔硅胶利用其特殊的孔结 构（ 即孔分布范围小） ，堆密度在较高压力下选择性吸附 CO2 在 较低压力或真空时解吸的原理，经过周期性的压力变化，达到分 离、净化、回收的目的［10］。例如格雷斯公司的 G41 是一种用于 各类气体循环干 燥 操 作 的 高 效 干 燥 剂，通 过 对 该 产 品 的 粒 度 和 粒度分布的控制，可 以 使 其 压 降 和 快 速 吸 附 率 两 参 数 做 到 最 佳 配合，特别用于 烃 加 工 工 业 中 短 周 期 分 离 操 作 工 艺 。 用 作 催 化 剂的硅胶，对其颗 粒 的 大 小、形 状、孔 结 构 及 在 反 应 器 中 的 堆 积 方式都有一定的 要 求，因 为 它 直 接 影 响 一 个 反 应 系 统 的 物 理 过 程。硅胶颗粒大小 不 同 所 提 供 的 催 化 活 性 外 表 面 不 同 ，而 孔 结 构决定了内部孔 壁 所 提 供 的 催 化 活 性 内 表 面 ，高 孔 隙 率 的 硅 胶 可提供大量的内表面，同时，孔隙大小还影响反应物分子进出难 易（ 多选用孔径较大的硅胶） 。硅胶颗粒的大小、形状和堆积方 式还决定催化床 层 中 空 隙 大 小 及 分 布，后 者 将 影 响 流 体 流 动 时 所受的阻力。硅胶作为催化剂载体具备了载体所有的活性组分 的分散剂、粘合剂及支承物应有的特性，是一种良好的催化剂载 体。
硅胶不溶于水和 任 何 溶 剂，无 毒 无 味，化 学 性 质 稳 定，除 强 碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。根据其孔径的大小分为： 大孔硅胶、粗孔硅胶、B 型硅胶、细孔硅胶。由于孔隙结构的不 同，因此它们的 吸 附 性 能 各 有 特 点。粗 孔 硅 胶 在 相 对 湿 度 高 的 情况下有较高的 吸 附 量，细 孔 硅 胶 则 在 相 对 湿 度 较 低 的 情 况 下 吸附量高于粗孔硅胶，而 B 型硅胶由于孔结构介于粗、细孔硅胶 之间，其吸附量也介于粗、细孔之间。
关键词： 硅胶； 制备； 应用
Preparation and Application Situation of Silica Gel
ZHAO Xi － peng （ Qingdao University of Science ＆ Technology，Shandong Qingdao 266042，China）
在食品方面，硅胶可用于提高啤酒的保质期。1961 年，德国 斯丹比克公司的 Karl 博士首先发现硅胶可以在啤酒中使用，用 来提高啤酒保质 期。在 啤 酒 的 生 产 过 程 中，硅 胶 是 首 选 的 蛋 白 质吸附剂，其选择 性 取 决 于 孔 径、颗 粒 大 小 及 表 面 特 性，比 表 面 积越大，吸附能 力 越 强。硅 胶 的 吸 附 能 力 主 要 取 决 于 比 表 面 积 和孔的大小，吸附速率取决于颗粒大小和接触的有效面积。硅 胶是很纯的物质，其中 99． 5% 为无定形二氧化硅，无定形和非 结晶是硅胶的重要特征［11］。硅胶用作啤酒稳定剂，在选择性滤 除啤酒蛋白方面 优 于 传 统 的 稳 定 剂 酶 和 鞣 酸 ，在 保 证 不 损 失 啤 酒泡沫和口感的情况下，质量稳定期达到 6 个月以上，用于处理 啤酒冷混浊也十 分 有 效。硅 胶 作 为 啤 酒 稳 定 剂，已 经 占 其 各 类 稳定剂用量的 1 /3 以上。我国啤酒硅胶年产量约 1 100 t，已经 用于全国各主要啤酒生产厂，部分替代进口。
1． 2 球形硅胶的制备
粗孔球形硅胶呈 白 色 或 半 透 明 的 球 形 颗 粒 ，细 孔 球 形 硅 胶 则呈透明的 球 形 颗 粒，它 们 表 面 光 滑 并 呈 球 形，因 而 机 械 强 度 高，不易破碎，阻力也较小。主要用作干燥剂、防潮剂、防锈剂和 石油化工催化剂 的 载 体 或 吸 附 剂，特 别 适 用 于 变 压 器 油 的 除 酸 再生。
近年来硅胶的生 产 呈 现 出 快 速 发 展 态 势，专 业 化 分 工 趋 于
细化，技术进步促使应用领域不断拓展。目前，硅胶的应用技术 已经渗透到各行各业，在石油化工、医药、食品、生物化学、环保、 涂料、轻纺、造纸、油墨、塑料等工业领域应用最为广泛，农业、第 三产业和信息Biblioteka Baidu业的应用近年来发展也非常迅速。
1 硅胶的制备方法
目前，硅胶的主要 制 备 方 法 有 以 硅 烷 卤 化 物 为 原 料 的 气 相 法［1］； 以硅酸钠和无机酸为原料的化学沉淀法［2］； 以及以硅酸酯 等为原料的溶胶 － 凝胶法［3 － 5］和微乳液法［6 － 8］。
气相法制备硅胶 都 是 以 昂 贵 的 硅 烷 氯 化 物 为 原 料 ，采 用 危 险复杂的高温、高压、超临界流体干燥技术，不仅设备要求高，流 程长，成本高，而且 危 险 性 大，从 而 大 大 阻 碍 了 硅 胶 材 料 大 规 模 的生产。以硅酸酯为原料的溶胶 － 凝胶法，原料昂贵，制备时间 长，生产成本高； 而微乳液法成本高、有机物难以去除易对环境