مواد غذایی، اکسیداسیون، دینامیکی

0 Comments

سیلیکات در آب در pH برابر با 2 که توسط یک اسید قوی به عنوان کاتالیست ایجاد شده است و سپس فرایند هیدرولیز و پایدار کردن فرآورده تولیدی را می توان تولید نمود.
روش ترجیحی تولید PSA دیونیزاسیون77 محلول سدیم سیلیکات توسط رزین های تبادل یونی است . در این حالت به دلیل عدم حضور یون های مزاحم محصول پایدار با خلوص بالا تولید می گردد.

روش سل – ژل
این روش عمدتا جهت تولید سیلیکای تک اندازه که کاربردهای تولید کاتالیست دارد مورد استفاده قرار می گیرد. از زمان کشف سیستم های سیلیکای کلوئید توسط گراهام78 در سال 1860 مطالعات زیادی در زمینه فهم تشکیل سیلیکای کلوئیدی انجام شد[43]. در سال 1995 و در سال 1979 ایلر79 به طور مختصر اطلاعاتی در مورد شیمی سیلیکا را بیان نمود [34-21].
این اطلاعات شامل تشکیل، تهیه و واکنش های سیستم های سیلیکای کلوئیدی بود و در این زمینه مقدار زیادی به دانش بشر افزود. تشکیل هسته80، پلیمریزاسیون81 و رشد و تهیه سل های تک پراکنده82 امروزه یکی از موضوعات اصلی تحقیقات می باشد.
تحقیقات فراوانی در زمینه تشکیل هسته، پلیمریزاسیون، سنتز و کاربردهای سیلیکا صورت پذیرفته است و در حال انجام است. این تحقیقات شامل سینتیک، تشکیل ذرات، رشد، خصوصیات و کاربردهای سیلیکای کلوئیدی است. امروزه این تحقیقات در کشورهای هلند، امریکا، بریتانیا، استرالیا، چین، ژاپن و روسیه متمرکز شده است و مطالعات خیلی کاملی توسط برینکر 83و شرر84 انجام شده است[21]. زمینه های تحقیقات در زمینه سل – ژل متمرکز بر فرایندهای تشکیل هسته، پلیمریزاسیون، رشد و تهیه سل های تک پراکنده در انواع سیستم ها می باشد. دامنه تحقیقات متمرکز بر سیستم های ابی و غیر آبی، سیلیکات ها، آلکوکسیدها و سیستم های کاتالیز شونده توسط اسید و باز می باشد [36]. اولین بار سیلیکای تک پراکنده با ذراتی به قطر 2 تا 3 میلیمتر توسط استوبر 85از هیدرولیز سیلان در محیطی از الکل و آمونیاک و آب به دست آمد [38].

تئوری روش سل- ژل
این روش بر اساس طرح استوبر می باشد که در آن یک ترکیب آلکوکسی سیلان در حضور یک الکل آلی و آب توسط کاتالیزور آمونیاک هیدرولیز و کندانسه می گردد [38].
این روش دارای دو مرحله اساسی می باشد که عبارتند از :
هیدرولیز86:
عمل هیدرلیز توسط آب صورت می پذیرد. جهت این کار یک آلکوکسی سیلان مانند تترا اتوکسی سیلان ابتدا در یک الکل خطی مانند اتانول حل می شود و به آن آب اضافه می شود و سپس توسط آمونیاک تحت عمل کاتالیزوری قرار می گیرد.
Si(OC2H5)4 + 4 H2O → Si(OH)4 + 4 C2H5OH

پلی کندانس شدن87
سیلیکون تترا هیدروکسید تولید شده سپس متراکم می گردد و ذرات نانویی سیلیکون دی اکسید تولید می شود.
Si(OH)4 → nano-SiO2 (Sol) + 2 H2O

هسته زایی و رشد از مکانیزم استوالد88 پیروی می کند که در آن کریستال های کوچک تولید شده اولیه به جز تعدادی از آن ها به تدریج از بین می روند و اطراف کریستالهای باقیمانده ها تجمع می کنند. بعبارتی کریستال های کوچک به عنوان تغذیه کننده کریستال های بزرگ عمل می کنند و هم زمانی که رشد می کنند محیط اطراف آن ها از کریستال های ریز تخلیه می گردد. این فرایند خود به خودی است و علت آن این است که کریستال های بزرگ از دیدگاه انرژی ارجح هستند.
تشکیل کریستال ها ی ریز به صورت سینماتیکی رخ می دهد و در عین حالی که کریستال های بزرگ ترمودینامیکی تشکیل می گردند بنابراین از دیدگاه سینتیکی تشکیل تعداد زیادی کریستال ریز راحت می باشد [38-42].
کریستال های ریز مساحت بیشتری در واحد حجم نسبت به کریستال های درشت دارند واز همین روی ناپایدارترند. بعلاوه ملکول های سطحی از ملکول های درونی انرژی بیشتری دارند و از این روی کریستال های کوچک حل شده و به کریستال های بزرگ می پیوندند این فرایند جهت تولید کریستال های تک اندازه بسیار مناسب است و این به شرطی است که غلظت به گونه ای باشد که فوق اشباعیت نسبی بالا باشد و در طی فرایند ثابت بماند در غیر این صورت رشد در مرحله ای متوقف می گردد و می توان با تنظیم فوق اشباعیت نسبی کریستال های با اندازه دلخواه و در ابعاد نانویی تولید نمود [38].
مکانیزم آگلومره شدن از مکانیزم رسوب دوگانه سریع89 پیروی می کند. مراحل تشکیل ژل به این گونه است که ابتدا تترا اتوکسی سیلان در حضور آب هیدرولیز می گردد و Si(OH)4 ناشی از فرایند هیدرولیز تشکیل می گردد. این جسم سپس وارد فرایند پلیمریزاسیون تراکمی می گردد و ملکول های دیمر و نهایتا چند ملکولی تشکیل می دهد و منجر به تشکیل ذراتی در ابعاد یک نانومتر می گردد.
این فرایند ادامه پیدا می کند و طی آن کریستال های ریز حل می شوند و کریستال های بزرگتری تشکیل می گردد و هم زمان یک شبکه سه بعدی غول آسا تشکیل می گردد که کل فضای واکنش را در بر می گیرد. در این حالت ژل تشکیل می شود.
سل تشکیل شده در صورت حضور پیش ماده کافی می تواند به صورت تک پراکنده رشد کند و ذرات بزرگتر از نانو تشکیل دهد و در هر صورت می توان با کنترل غلظت ماده اولیه اندازه ذرات را کنترل نمود و ذراتی در ابعاد نانو تشکیل داد. این فرایند مطابق با مدل لامر و دینگار90 به شرح شکل (2-5) است [45-38].

شکل (2-5). مدل لامر و دینکار [38].

چنانچه از نمودار مشخص است ابتدا خوشه هایی از ماده اولیه تشکیل می گردد. پس از آن ذرات شروع به رشد می کنند و در صورت وجود اشباعیت نسبی و ماده اولیه کافی این رشد ادامه پیدا می کند تا ذرات درشت تری حاصل شود.
می توان با تنظیم غلظت ماده اولیه در
مرحله ای رشد را متوقف نمود و ذرات نانویی به دست آورد. تاثیر زمان در این فرایند طبق نمودار شکل (2-6) می باشد.

شکل (2-6). تاثیر زمان بر اندازه ذرات [38].

با افزایش دما در این فرایند به دلیل تغییر فوق اشباعیت نسبی و نیز افزایش سرعت واکنش تعداد هسته های اولیه بیشتر می شوند و از این رو ذرات ریزتری حاصل می گردند. نمودار تاثیر دما بر اندازه ذرات در شکل (2-7) نمایش داده شده است.

شکل (2-7). تاثیر دما بر اندازه ذرات [38].

سرعت افزودن ماده اولیه نیز نقش مهمی دارد و اگر افزودن با سرعت انجام گیرد تعداد زیادی هسته های اولیه تشکیل می گردد که این امر منجر به تولید ذرات ریز تری می گردد، در غیر این صورت هسته های کمتری تشکیل می گردند. در طول زمان افزایش ماده اولیه این هسته ها رشد می کنند و تشکیل ذرات درشت تری می دهند این امر در نمودار شکل (2-8) مشخص است.

شکل (2-8). تاثیر سرعت افزودن ماده اولیه بر اندازه ذرات [38].
پایداری سل سیلیکا
درجاگوین 91سه مدل پایداری برای سیلیکا تعریف نمود [41]:
پایداری فاز
پایداری ترکیب نسبی پراکنده که وابسته به تغییرات پراکندگی و در نتیجه اندازه ذرات است.
پایداری تجمعی که به مفهوم این است که یک کلوئید پایدار مجتمع نمی شود.
گرچه روش های مختلفی جهت تولید سل سیلیکا شامل دیالیز92 [44]، الکترودیالیز93 [45] کلوئیدی کردن94 [46]، خنثی سازی توسط اسید95 [47] و تبادل یونی96 [49، 48] وجود دارد سه روش آخر بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد و روش تبادل یونی سرآمد همه روش ها می باشد. در شکل های (2-9)، (2-10) و (2-11) فلوچارت روش کلوئیدسازی، خنثی سازی توسط اسید جهت تهیه سل سیلیکا و تبادل یونی برای تولید سل سیلیکا آورده شده است.

شکل (2-9). فلوچارت روش کلوئیدسازی [41].

شکل (2-10). فلوچارت روش خنثی سازی توسط اسید جهت تهیه سل سیلیکا [41].

شکل (2-11). فلوچارت روش تبادل یونی برای تولید سل سیلیکا [41].
روش های تولید سیلیکای تک پراکنده97 مبتنی بر هیدرولیز و تراکم تتراتیل سیلان یا سایر ترکیبات آلی سیلیسیوم دار در مخلوطی از آب، آمونیاک و الکل های ساده می باشد. این ذرات تولید شده کروی شکل توسط ترکیب 3-aminopropyltriethoxysilane در محیط واکنش محافظت می گردند [50].
الکل هایی مانند متانول98، اتانول99، 1-پروپانول100 و ترکیبات سیلیسیوم داری نظیر تترا اتوکسی سیلان101 و آمینو پروپیل تری اتوکسی سیلان102 که هر کدام قبل از سنتز یک مرتبه تقطیر می گردند جهت واکنش به همراه با آمونیاک و آب در دمای 280 درجه سانتیگراد مطابق با روش استوبر با یکدیگر واکنش می دهند [38]. توضیحات مفصل این روش توسط وان هلدن103 بیان شده است [51]. در شکل (2-12) تصاویر میکروسکوپ الکترونی سل سیلیکای تولید شده به روش سل – ژل نشان داده شده است.

شکل (2-12). تصاویر میکروسکوپ الکترونی سل سیلیکای تولید شده به روش سل – ژل [51].

کاربردهای سیلیکا سل
امروزه تولید سل سیلیکا صنعتی شده است و کاربردهای خاصی در زمینه صنعت دارد که به برخی از مهم ترین آن ها اشاره می گردد.
ایجاد پیوند و چسبندگی در دمای بالا:
این کاربری در صنایعی مانند ریخته گری دقیق104، اتصال الیاف به یکدیگر مانند فیبرهای نوری، چسباندن کاشی های سپر حرارتی شاتل های فضایی و پوشش دادن به سرامیک ها کاربرد دارد.
اصلاح سطوح:
این کاربری برای مواردی مانند بالا بردن اصطکاک سطوح، افزایش کیفیت فیلم های پلاستیکی، ضد انسداد کردن و لفاف های بسته بندی مواد غذایی کاربرد دارد.
عامل منعقد کننده:
از این جسم در صنایع کاغذ، تولید آب میوه، تصفیه آب به عنوان فلوکولانت استفاده می گردد.
پالیش کردن ویفر های سیلیکونی:
برای فرایندهای میکرو پولیشینگ در صنایع الکترونیک از این جسم استفاده می گردد.
متفرقه:
استفاده های دیگری نظیر کروماتوگرافی، تشدیدکننده بخار، کاتالیست، ساپورت کاتالیست و عکاسی از کاربردهای این جسم است [52].

معایب روش مرطوب
گرچه این روش در جایگاه خود از ارزش و اعتبار جهت تولید سل سیلیکا برخوردار است اما جهت بسیاری از کاربردهای صنعتی استفاده از روش های تف زاد دارای مزیت می باشد.

روش های تف زاد 105
روش های تف زاد مبتنی بر فرایندهای احتراق و اکسیداسیون می باشند. قدیمی ترین فرایند تولید دوده سیلیکا به عنوان محصول فرعی در فرایند تولید سیلیسیوم می باشد. در کوره های ذوب سیلیسیوم مقادیری از سیلیسیوم با اکسیژن هوا ترکیب شده و تولید سیلیکا می نماید. این دوده را امروزه جمع آوری می کننده و به عنوان دوده سیلیکا به بازار عرضه می نمایند.
سیلیکای سنتزی آمورف (SAS) عمدتا در نیمه دوم قرن بیستم مد نظر قرار گرفت. ایده اولیه آن از شمال امریکا و آلمان با طبقه بندی انواع سیلیکا نشات گرفت. اولین بار سیلیکای قوس الکتریکی106 در سال 1887 معرفی و تشریح گردید [53]. سپس جزییات آن توسط پاتر107 در سال 1907 بیان شد [54]. استفاده صنعتی از این روش مستلزم صرف انرژی الکتریکی زیادی است. روش تولید آن پس از اصلاحات زیاد توسط کمپانی بی اف گودریچ108 مورد استفاده قرار گرفت [56، 55] و تولید آن توسط شرکت دگوسا از سال 1972 تا 1995 انجام شد [58، 57]. دوده سیلیکا یا سیلیکای تف زاد اولین بار با فرایند هیدرولیز شعله ای109 در سال 1942 انجام شد [59]. جزییات این فرایند در سال 1959 منتشر گردید [61، 60].
در سال 1955 فلمرت 110با موفقیت SiCl4 را با SiF4 در پروسه ائروزیل جایگزین نمود [62].
دوده سیلیکا مطابق با معادله واکنش زیر از واکنش هیدرژن، اکسیژن (هوا) و سیلیکون
تترا کلرید به عنوان مواد اولیه بدست می آید.
SiCl4 + 2H2+ O2 → SiO2 + 4HCl
محصول فرعی این فرایند HCl می باشد که جمع آوری شده و جهت واکنش با فلز سیلیسیوم برای تولید سیلیکون تترا کاراید و گاز هیدرژن مورد استفاده قرار می گیرد.
Si + 4HCl → SiCl4 + 2H2
به عنوان یک ماده اولیه جایگزین می توان از تری کلروسیلان و متیل تری کلروسیلان نیز استفاده نمود [63]. علاوه بر این ترکیبات سیلیسیوم دار عاری از کلر مانند هگزا متیل دی سیلوکسان111 را نیز می توان استفاده کرد. شماتیک این فرایند در شکل (2-13) نمایش داده شده است.
هیدروژن، هوا و SiCl4 وارد مشعل می گردند و تشکیل شعله ای می دهند که منجر به تولید کلرید هیدرژن و سیلیکا می گردد. فرآورده های واکنش در یک مبدل حرارتی خنک می گردد و سپس توسط سیکلون و فیلتر کیسه ای سیلیکا از سایر فرآورده های احتراق جدا می گردد.
مقداری از کلرید هیدروژن روی سیلیکا جذب می گردد که در فرایندی مجزا در یک کوره چرخان یا در یک راکتور با بستر سیال این کلرید هیدرژن جذب شده جدا می گردد. دوده سیلیکای جدا شده در سیلو ذخیره می گردد و پس از بسته بندی به بازار حمل می گردد. خواص سیلیکای تولیدی با تنظیم میزان خوراک ورودی و نسبت سیلیکون تتراکلراید به هوا و هیدروژن تغییر می کند و سطح فعال سیلیکا توسط دمای شعله تنظیم می شود.

شکل (2-13). شماتیک تولید صنعتی سیلیکا به روش تف زاد [63].

خواص منحصر به فرد سیلیکا
سیلیکون دی اکسید به خاطر میل پایین شرکت در واکنش های شیمیایی، مساحت سطحی زیاد، قدرت جذب بالا، سختی بالا ، تاثیر فراوانی در محصولات تولید شده نهایی که سیلیکا در آن استفاده گردیده است می گذارد.
سیلیسیوم دومین عنصر از نظر فراوانی پس از اکسیژن در پوسته زمین می باشد. این عنصر را می توان در هر مکانی از کره زمین یافت و از این رو یک منبع ارزان و تمام نشدنی است. سهولت ساخت سیلیکا باعث شده است روز به روز مصرف آن در صنایع مختلف فزونی یابد به گونه ای که تولید آن از سال 1990 میلادی تا اکنون که سال 2012 میلادی است بیش از 4 برابر شده است.
SASبه دلیل خواص منحصر به فرد امروزه کاربردهای فراوانی در صنعت پیدا کرده است که برخی از آن ها به شرح زیر است:

کاربردهای سیلیکا
شکل (2-14) به طور شماتیک کاربردهای سیلیکا را نشان می دهد.

شکل (2-14). کاربردهای SAS در حوزه های گوناگون [64].

بهبود خواص مکانیکی
مهم ترین و قدیمی ترین کاربرد SAS کنترل خواص مکانیکی لاستیک ها می باشد و افزودنی مهمی در لاستیک طبیعی و استیرن بوتادین می باشد و باعث افزایش مقاومت کششی112 لاستیک ها می باشد. بعلاوه در سایر فرآورده های پلیمری مانند ترموپلاستیک ها، چسب ها و نیز در فرآورده هایی مانند رنگ های تزیینی، خمیر دندان و پودرهای چسبنده استفاده می گردد [66- 65]. شکل (2-15) افزایش مقاومت کششی در دمای اطاق برای فیلرهای مختلف در لاستیک سیلیکون نشان می دهد.

شکل (2-15). افزایش مقاومت کششی در دمای اطاق برای فیلرهای مختلف در لاستیک سیلیکون [65].

افزودنی جهت جریان پذیری113
این جسم در بسیاری از سیستم های مایع، خمیری شکل، چسبنده، ترموپلاستیک ها و نیز جامدات به میزان 1 تا 2

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *