Kieselgel – Wikipedia

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Chemische Verbindung

Kieselgel ist eine amorphe und poröse Form von Siliziumdioxid (Silica), bestehend aus einem unregelmäßigen dreidimensionalen Gerüst aus abwechselnden Silizium- und Sauerstoffatomen mit Hohlräumen und Poren im Nanometerbereich. Die Hohlräume können Wasser oder andere Flüssigkeiten enthalten oder können mit Gas oder Vakuum gefüllt sein. Im letzten Fall heißt das Material richtig Kieselsäure-Xerogel.

Kieselsäure-Xerogel mit einer durchschnittlichen Porengröße von 2,4 Nanometern hat eine starke Affinität zu Wassermolekülen und wird häufig als Trockenmittel verwendet. Es ist hart und durchscheinend, aber wesentlich weicher als massives Quarzglas oder Quarz; und bleibt hart, wenn sie mit Wasser gesättigt ist.

Kieselsäure-Xerogel wird normalerweise als grobes Granulat oder Kügelchen mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern vermarktet. Einige Körner können geringe Mengen einer Indikatorsubstanz enthalten, die ihre Farbe ändert, wenn sie etwas Wasser aufgenommen haben. Kleine Papierumschläge, die Silica-Xerogel-Pellets enthalten, normalerweise mit einem “Nicht essen”-Warnhinweis, werden oft in Trockenfutterverpackungen eingeschlossen, um jegliche Feuchtigkeit zu absorbieren, die zum Verderben der Lebensmittel führen könnte.

„Nass“ Kieselgel, wie es frisch aus Alkalisilikatlösungen hergestellt werden kann, kann in seiner Konsistenz von einem weichen transparenten Gel, ähnlich Gelatine oder Agar, bis zu einem harten Feststoff, nämlich einem wassergesättigten Xerogel, variieren. Es wird manchmal in Laborprozessen verwendet, beispielsweise um Konvektion in Flüssigkeiten zu unterdrücken oder das Absetzen von Schwebstoffen zu verhindern.[4]

Geschichte[edit]

Kieselgel gab es bereits in den 1640er Jahren als wissenschaftliche Kuriosität.[5] Es wurde im Ersten Weltkrieg zur Adsorption von Dämpfen und Gasen in Gasmaskenkanistern verwendet.[6] Der Syntheseweg zur Herstellung von Kieselgel wurde 1918 von Walter A. Patrick, einem Chemieprofessor an der Johns Hopkins University, patentiert.

Im Zweiten Weltkrieg war Kieselgel im Kriegseinsatz unverzichtbar, um Penicillin trocken zu halten, militärische Ausrüstung vor Feuchtigkeitsschäden zu schützen,[citation needed] als Fluid-Crack-Katalysator für die Herstellung von Benzin mit hoher Oktanzahl, zur Herstellung von Schwefelkohlenstoff und als Katalysatorträger für die Herstellung von Butadien aus Ethanol (Ausgangsmaterial für die Synthesekautschukherstellung).

  • Typ A – klare Pellets, ungefährer Porendurchmesser: 2,5 nm, trocknende und feuchtigkeitsbeständige Eigenschaften, kann als Katalysatorträger, Adsorptionsmittel, Separator und Adsorptionsmittel mit variablem Druck verwendet werden.
  • Typ B – durchscheinende weiße Pellets, Porendurchmesser: 4,5⁠–⁠7,0 nm, flüssige Adsorbentien, Trockner und Duftstoffträger, auch als Katalysatorträger, Katzenstreu verwendbar.
  • Typ C – durchscheinende, mikroporöse Struktur, Rohstoff zur Herstellung von Silikagel-Katzenstreu. Zusätzlich getrocknet und gesiebt bildet es makroporöses Kieselgel, das als Trockner, Adsorbens und Katalysatorträger verwendet wird.

Silica-Aluminiumoxid-Gel – hellgelb, chemisch stabil, flammwidrig, unlöslich außer in Alkali oder Flusssäure. Oberflächliche Polarität, thermische Stabilität, Leistung besser als feinporiges Kieselgel.

Stabilisierendes Kieselgel – nicht kristallines mikroporöses festes Pulver, ungiftig, flammwidrig, wird in der Bierbrauerei von Getreide verwendet, um Geschmack, Klarheit, Farbe und Schaum zu verbessern und um nicht-mikroorganische Verunreinigungen zu entfernen.

Eigenschaften[edit]

Die hohe spezifische Oberfläche von Kieselgel (ca. 750–800 m2/g)[7] lässt es vorbei adsorbieren Wasser leicht, was es als Trockenmittel (Trocknungsmittel) nützlich macht. Kieselgel wird oft als “Feuchtigkeitsaufnahme” beschrieben, was angebracht sein kann, wenn die mikroskopische Struktur des Gels ignoriert wird, wie in Kieselgelpackungen oder anderen Produkten. Material Silicagel entfernt jedoch Feuchtigkeit durch Adsorption auf die Oberfläche seiner zahlreichen Poren anstatt durch Absorption in die Masse des Gels.

Regeneration[edit]

Nach der Sättigung mit Wasser kann das Gel durch 1–2 Stunden langes Erhitzen auf 120 °C (250 °F) regeneriert werden.[additional citation(s) needed] Einige Arten von Silikagel “platzen”, wenn sie genügend Wasser ausgesetzt sind. Dies wird durch das Brechen der Silica-Kugeln beim Kontakt mit Wasser verursacht.[8]

Vorbereitung[edit]

Eine wässrige Lösung von Natriumsilikat wird angesäuert, um einen gelatinösen Niederschlag zu erzeugen, der gewaschen und dann entwässert wird, um farbloses Silicagel herzustellen.[7] Wenn eine sichtbare Anzeige des Feuchtigkeitsgehalts des Kieselgels erforderlich ist, kann Ammoniumtetrachlorocobaltat(II) (NH4)2[CoCl4] oder Kobalt(II)-chlorid CoCl2 hinzugefügt.[7] Dadurch wird das Gel blau, wenn es trocken ist, und rosa, wenn es hydratisiert ist.[7] Aufgrund des Zusammenhangs zwischen Krebs und Kobaltchlorid ist die Verwendung in Silicagel in Europa verboten.[9] Ein alternativer Indikator ist Methylviolett, das im trockenen Zustand orange und im hydratisierten Zustand grün ist.

Trockenmittel[edit]

Kieselgel ist ein häufig verwendetes Trockenmittel als Kügelchen, die in einem durchlässigen Beutel verpackt sind

Bei vielen Artikeln fördert Feuchtigkeit das Wachstum von Schimmel und Verderb. Kondensation kann auch andere Gegenstände wie Elektronik beschädigen und die Zersetzung von Chemikalien beschleunigen, beispielsweise in Vitamintabletten. Durch die Einbindung von Silikagelpäckchen können diese Artikel länger haltbar gemacht werden. Es kann die Austrocknung elektronischer Geräte bei Versuchen unterstützen, Gegenstände zu restaurieren, die versehentlich Feuchtigkeit ausgesetzt waren.

Silicagel kann auch verwendet werden, um die relative Luftfeuchtigkeit in einem Hochfrequenz-Funk- oder Satellitenübertragungssystem-Wellenleiter so niedrig wie möglich zu halten (siehe auch Feuchtigkeitspufferung). Übermäßige Feuchtigkeitsbildung innerhalb eines Wellenleiters kann eine Lichtbogenbildung im Inneren des Wellenleiters selbst verursachen, wodurch der ihn speisende Leistungsverstärker beschädigt wird. Außerdem ändern die Wasserperlen, die sich im Wellenleiter bilden und kondensieren, die charakteristische Impedanz und Frequenz, wodurch das Signal verschlechtert wird. Es ist üblich, dass ein kleines Druckluftsystem (ähnlich einer kleinen Heimaquariumpumpe) verwendet wird, um die Luft im Inneren des Wellenleiters über einem Glas Silicagel zu zirkulieren.

Kieselgel wird auch zum Trocknen der Luft in industriellen Druckluftsystemen verwendet. Luft aus dem Kompressorauslass strömt durch ein Bett aus Silikagelkügelchen. Das Silicagel adsorbiert Feuchtigkeit aus der Luft und verhindert so Schäden an der Verwendungsstelle der Druckluft durch Kondensation oder Feuchtigkeit. Das gleiche System wird zum Trocknen der Druckluft bei Eisenbahnlokomotiven verwendet, wo Kondenswasser und Eis in den Bremsluftleitungen zum Ausfall der Bremse führen können.

Vor der weit verbreiteten Verwendung von Klimaanlagen wurden in den USA Salzstreuer mit Kappen, die Kieselgelperlen enthielten, um das Salz trocken genug zu halten, um ein Verklumpen zu verhindern, vermarktet und ersetzten die Praxis, ein paar Reiskörner in Salzstreuer zu geben, um die gleiche Trocknung zu bewirken .

Kieselgel wird manchmal als Konservierungsmittel verwendet, um die relative Luftfeuchtigkeit in Museums- und Bibliotheksausstellungen und bei der Lagerung zu kontrollieren.

Andere Anwendungen umfassen diagnostische Teststreifen, Inhalationsgeräte, Spritzen, Drogentestkits und Krankenhaushygienekits.

Chemie[edit]

In der Chemie wird Kieselgel in der Chromatographie als stationäre Phase verwendet. In der Säulenchromatographie besteht die stationäre Phase am häufigsten aus Kieselgelpartikeln von 40–63 μm. Für verschiedene Arten der Säulenchromatographie werden unterschiedliche Partikelgrößen verwendet, da die Partikelgröße von der Oberfläche abhängt. Die Unterschiede in der Partikelgröße bestimmen, ob das Silicagel für die Flash- oder Schwerkraftchromatographie verwendet werden sollte. In dieser Anwendung neigen unpolare Komponenten aufgrund der Polarität von Silicagel dazu, vor polareren zu eluieren, daher der Name Normalphasenchromatographie. Wenn jedoch hydrophobe Gruppen (wie C18 Gruppen) an das Kieselgel gebunden werden, dann eluieren zuerst polare Komponenten und das Verfahren wird als Umkehrphasenchromatographie bezeichnet. Kieselgel wird auch für die Dünnschichtchromatographie auf Aluminium-, Glas- oder Kunststoffplatten aufgetragen.

Die Hydroxy(OH)-Gruppen auf der Oberfläche von Silica können funktionalisiert werden, um spezielle Silicagele zu liefern, die einzigartige Parameter der stationären Phase aufweisen. Diese sogenannten funktionalisierten Kieselgele werden auch in der organischen Synthese und Reinigung als unlösliche Reagenzien und Scavenger verwendet.

Chelatbildende Gruppen wurden auch kovalent an Kieselgel gebunden. Diese Materialien haben die Fähigkeit, Metallionen selektiv aus wässrigen Lösungen zu entfernen. Chelatbildende Gruppen können kovalent an Polyamine gebunden werden, die auf eine Silicageloberfläche aufgepfropft wurden, wodurch ein Material mit größerer mechanischer Integrität entsteht. Kieselgel wird auch mit Alkalimetallen kombiniert, um ein M-SG-Reduktionsmittel zu bilden. (Siehe SiGNa-Chemie)

Es ist nicht zu erwarten, dass Silicagel in Wasser oder Boden biologisch abgebaut wird.[10]

Katzenstreu[edit]

Kieselgel wird auch als Katzenstreu verwendet,[11] allein oder in Kombination mit traditionelleren Materialien, wie Ton einschließlich Bentonit. Es ist spurlos und praktisch geruchlos.

Lebensmittelzusatzstoff[edit]

Kieselgel, auch als Siliziumdioxid oder synthetisches amorphes Siliziumdioxid (SAS) bezeichnet, wird von der FDA in den Vereinigten Staaten als allgemein anerkannt als sicher (GRAS) eingestuft, was bedeutet, dass es Lebensmitteln ohne Genehmigung zugesetzt werden kann. In den USA darf Kieselsäure bis zu 2% gemäß 21 CFR 172.480 zugesetzt werden. In der EU kann es in Konzentrationen von bis zu 5 % vorliegen.[12] Im Jahr 2018 ergab eine erneute Bewertung durch das EFSA-Gremium für Lebensmittelzusatzstoffe und Nährstoffquellen, die Lebensmitteln zugesetzt werden, selbst bei den höchsten Expositionsschätzungen keine Hinweise auf Toxizität. [13]

Zu den aufgeführten Verwendungen gehören: Antibackmittel, Entschäumungsmittel, Stabilisator, Adsorptionsmittel, Träger, Konditioniermittel, Kälteschutzmittel, Filterhilfsmittel, Emulgator, Viskositätskontrollmittel und Antiabsetzmittel.[14] Kieselsäure findet sich häufig in Lebensmitteln wie Backwaren, Gewürzen und Kräutern, Milchprodukten, Kakaoprodukten und mehr. [15]

Wasserfiltration[edit]

Aufgrund der Wasseradsorptionseigenschaften von Silikagel wird es in Haushaltswasserfiltern verwendet.[16] Die Oberflächenstruktur von Kieselgel ermöglicht die Adsorption einiger Mineralien, die im Wasser gelöst sind,[17] oder “Ionenaustausch”, wie es vermarktet wird. Aufgrund fehlender Vorschriften für Haushaltswasserfilterprodukte validieren keine Studien die Herstellerangaben zur Wirksamkeit des Filtersystems.

Feuchtigkeitsindikator (farbwechselndes Kieselgel)[edit]

Silicagel kann mit einem Feuchtigkeitsindikator dotiert werden, der seine Farbe allmählich ändert, wenn es vom wasserfreien (trockenen) Zustand in den hydratisierten (nassen) Zustand übergeht. Übliche Indikatoren sind Kobalt(II)-chlorid und Methylviolett. Kobalt(II)-chlorid ist im trockenen Zustand tiefblau und im nassen Zustand rosa, aber es ist giftig und krebserregend und wurde im Juli 2000 von der Europäischen Union als giftiges Material neu eingestuft.[18]Methylviolett kann so formuliert werden, dass es von Orange zu Grün oder Orange zu Farblos wechselt. Es ist auch giftig und potenziell krebserregend,[19] aber ist sicher genug, um medizinische Anwendungen zu haben. Eine umweltfreundlichere Indikatorlösung ist Eisen(III)-ammoniumsulfat, das bei Trockenheit zu einem Farbumschlag von tief orange/bernsteinfarben zu farblos/weiß bei Sättigung führt.[20]

Gefahren[edit]

Kieselgel ist ungiftig, nicht brennbar und nicht reaktiv und bei normalem Gebrauch stabil. Es reagiert mit Fluorwasserstoff, Fluor, Sauerstoffdifluorid, Chlortrifluorid, starken Säuren, starken Basen und Oxidationsmitteln.[10] Kieselgel reizt die Atemwege und kann den Verdauungstrakt reizen. Staub von den Perlen kann Haut- und Augenreizungen verursachen, daher sollten Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.[21] Kristalliner Quarzstaub kann Silikose verursachen, aber synthetisches amorphes Silikagel ist verhärtet und verursacht keine Silikose. Bei Dotierung mit einem Feuchtigkeitsindikator können zusätzliche Gefahren auftreten.

Verweise[edit]

  1. ^ Kieselgel, Website www.jtbaker.com
  2. ^ Kieselgel, Website www.chemcas.org
  3. ^ Siliciumdioxid, Website echa.europa.eu
  4. ^ HK Henisch (1988): Kristalle in Gelen und Liesegang-Ringen. Cambridge University Press. ISBN 0521345030
  5. ^ Maryann Feldman und Pierre Desrochers (März 2003). “Forschungsuniversitäten und lokale Wirtschaftsentwicklung: Lehren aus der Geschichte der Johns Hopkins University” (PDF). Industrie und Innovation. 10 (1): 5–24. mach:10.1080/1366271032000068078. S2CID 154423229. Archiviert von das Original (PDF) am 12.11.2005.
  6. ^ http://hengyeusa.com/community/desiccants-at-war
  7. ^ ein B C D Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie der Elemente (2. Aufl.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
  8. ^ Spence Konde, “Herstellung von Zeolith-Kügelchen mit hohem Silica-Gehalt aus Silicagel”, abgerufen 2011-09-26
  9. ^ “Blaues Silicagel & Schlussfolgerungen: Sicherheitsinformationen zu blauem Silicagel”. Archiviert von das Original am 05.01.2016.
  10. ^ ein B Umwelt, Gesundheit und Sicherheit (2007-09-10). “Silikagel”. Abgerufen 2008-01-12.
  11. ^ Andrew Kantor (2004-12-10). “Nicht-Tech-Hightech verunreinigt die Landschaft”. USA heute. Abgerufen 2008-03-02.
  12. ^ “Meldung der GRAS-Bestimmung von Siliziumdioxid bei direkter oder indirekter Zugabe zu menschlichen Lebensmitteln” (PDF). Archiviert von das Original (PDF) am 18.04.2013.
  13. ^ [M. Younes, P. Aggett, F. Aguilar (2018). “Scientific Opinion on the re-evaluation of silicon dioxide (E 551) as a food additive”. EFSA Journal. 16 (1): 5088, 70pp. doi:10.2903/j.efsa.2018.5088.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  14. ^ “GRAS Notice (GRN) No. 298” (PDF). Archived from the original (PDF) on April 9, 2011.
  15. ^ [M. Younes, P. Aggett, F. Aguilar (2018). “Scientific Opinion on the re-evaluation of silicon dioxide (E 551) as a food additive”. EFSA Journal. 16 (1): 5088, 70pp. doi:10.2903/j.efsa.2018.5088.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  16. ^ ZeroWater
  17. ^ J. B. Peri , A. L. Hensley Jr. (1968). “The surface structure of silica gel”. The Journal of Physical Chemistry. 72 (8): 2926–2933. doi:10.1021/j100854a041.
  18. ^ “Classifications – CL Inventory”.
  19. ^ “Methyl Violet Safety Data Sheet” (PDF). labchem.
  20. ^ “SORBSIL CHAMELEON Safety Data Sheet” (PDF). OkerChemie.
  21. ^ Fisher Scientific (1997-02-09). ““Silica Gel Dessiccant”[sic]”. Abgerufen 2008-01-12.

Externe Links[edit]

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