Silicagel

Silicagel is een amorfe vorm van silicium dioxide (SiO2). Het product wordt synthetisch vervaardigd in de vorm van een hard onregelmatig granulaat (in kristallijnen vorm) of in de vorm van harde gelijkvormige bolletjes. Door de poreuze structuur, die bestaat uit met elkaar verbonden holtes, heeft silicagel een erg groot oppervlak (tot wel 800 m² per gram).

Silicagel wordt industrieel vervaardigd en is makkelijk te hanteren. Het adsorbeert een breed spectrum aan substanties, hoewel het voornamelijk gebruikt wordt om waterdamp te adsorberen. Dat wil zeggen: silicagel is in staat om (water) moleculen te binden aan zijn interne oppervlak. Men noemt het daardoor ook wel een 'droogmiddel'.

Het poriënvolume van silicagel is doorgaans groter dan 0.2 ml/g en het intern oppervlak groter dan 400m²/g. De wijdte van de poriën varieert van 1nm tot een paar honderd nm (nm= nanometer, 1nm = 10-9 cm).

Structuur van silicagel

Silicagel is een hoog-poreuze vorm van siliciumdioxide of een mengsel van aluminiumoxide en siliciumdioxide. Ondanks de naam betreft het een vaste stof. Het silicaat heeft poriën in verschillende grootten. De poriën worden geclassificeerd op basis van hun diameter:

- Microporiën met een straal van minder dan 1 nm (= 10 ångström).
- Mesoporiën met een straal van 1-25 nm.
- Macroporiën met een straal van meer dan 25 nm.

In overeenstemming met de verschillende gemiddelde poriëndiameters van de silicagel, wordt silicagel gecategoriseerd als: silicagel met fijne poriën (het zogenoemde A-type silicagel), en silicagel met grove poriën (het zogenoemde B-type silicagel).

Productie

Silicagel wordt geproduceerd uit natriumsilicaat en zwavelzuur. Afhankelijk van het eindproduct, kan er ook aluminiumoxide worden toegevoegd om het materiaal waterbestendig te maken. Gedurende het productieproces worden micro-kristallijnen openingen gemaakt die een groot aantal willekeurig verspreide poriën van verschillende grootten bevatten.

Silicagel is het resultaat van de klassieke reactie van een alkali silicaat met een anorganisch zuur. Meestal gebruikt men hiervoor zwavelzuur, hoewel andere anorganische zuren zoals zoutzuur, salpeterzuur en fosforzuur ook gebruikt kunnen worden.

Als alkalisilicaat kan zowel natrium- als kaliumsilicaat worden gebruikt. Natriumsilicaat heeft hierbij echter de voorkeur. Het zuur wordt toegevoegd aan de oplossing van alkalisilicaat tot een pH van ongeveer 3 tot 5 is bereikt. Het product dat overblijft is een vast siliciumdioxide dat de vloeibare fase in zich bevat. Dit wil zeggen dat het siliciumdioxide het water volledig in zijn poriën bevat. Om de reden dat de vaste fase de vloeibare fase bevat, wordt deze silica ook wel silica hydrogel genoemd, waarbij het gedroogde silica bekend staat als silicagel. De wijze van drogen zal uiteindelijk de grootte van de poriën en de grootte van het eindproduct bepalen.

Definitie van adsorptie

Adsorptie wordt doorgaans gedefinieerd als de verrijking van substanties op het grensvlak van fasen. De adsorptie naar de vaste fase kan zich voordoen vanuit de omringende gasfase of de omringende vloeibare fase. Desorptie is het tegenovergestelde van adsorptie.

Adsorptie kan men onderscheiden in fysisorptie en chemisorptie. De fysische adsorptie wordt voornamelijk veroorzaakt door van-der-waalskrachten. De chemische eigenschappen van de geadsorbeerde substantie worden hierbij niet gewijzigd. Fysisorptie is omkeerbaar. Dit wil zeggen dat de geadsorbeerde substanties losgemaakt kunnen worden van het oppervlak en -onder bepaalde voorwaarden- in hun oorspronkelijk staat kunnen worden hersteld.

Geadsorbeerde substanties

Organische en non-polaire substanties kunnen doorgaans geadsorbeerd worden door silicagel. Deze substanties worden eveneens geadsorbeerd door actieve kool. De kinetische reactie bij actieve kool doet zich echter sneller voor dan bij silicagel. Toch is silicagel een meer geschikt en efficiënt adsorptiemiddel bij polaire watermoleculen, in verhouding tot andere adsorptiemiddelen zoals actieve kool. Silicagel wordt dan ook voornamelijk beschouwd als een droogmiddel; een product dat water verwijdert uit lucht en andere gassen. Bij het adsorptieproces spelen geen chemische reacties, en tevens zijn er geen bijproducten of neveneffecten. Silicagel ziet eruit als een droog product, zelfs wanneer het verzadigd is met waterdamp. De vorm blijft onveranderd. Silicagel is een van de oudste en meest populaire droogmiddelen en adsorptiemiddelen die gebruikt worden voor een groot aantal industriële toepassingen en toepassingen ten behoeve van de consument.

Weergave van adsorptie

In het geval van een adsorptie-isotherm wordt de graad van adsorptie gerepresenteerd als een functie van de concentratie van de substantie, die geadsorbeerd dient te worden. De adsorptie-isotherm beschrijft het evenwicht tussen:

- substantie in de lucht, die geadsorbeerd dient te worden (rest concentratie)
- geadsorbeerde substantie op het silicagel oppervlak (maximale belasting bij dezelfde rest concentratie)

In het algemeen kan gesteld worden dat de maximale belasting toeneemt met een hogere concentratie. Wanneer een evenwicht van gelijke druk is bereikt, zal er geen adsorptie meer optreden. Hoe hoger dus de vochtigheid van de omringende lucht, hoe groter de hoeveelheid water die geadsorbeerd zal worden vóór het evenwicht bereikt is.