Echte Allrounder: ​Silicagele.

Was sind Silicagele?

Silicagel ist eines der am häufigsten eingesetzten Trockenmittel. Es besteht zu 99% aus Siliziumdioxid (SiO2). Hergestellt wird es durch die Dehydrierung eines Hydrogels, das aus einer Reaktion von Natriumsilikat und einer Säure entsteht. Silicagel besitzt eine amorphe, ungeordnete Microstruktur und somit eine breite Porenradienverteilung. Aufgrund seiner Polarität gehört Silicagel zu den hydrophilen Adsorbenzien – was sich durch Affinität zu Dipolmolekülen wie z.B. H2O ausdrückt. Der hydrophile Charakter entsteht insbesondere durch die SIOH Gruppen (Silanol) auf der Oberfläche der Nanopartikel. Silicagel ist chemisch neutral und gegen nahezu alle Säuren beständig.

Engporige & weitporige Silicagele.

Silicagel wird in engporige und weitporige Sorten unterschieden. Engporiges Silicagel hat eine höhere Wasseraufnahme bei niedrigem Partialdruck, während weitporiges Silicagel eine etwas kleinere innere Oberfläche aber zugleich größere Poren besitzt. Beide Silicagele nehmen Wassermoleküle bei hohen Dampfdrücken mehrschichtig durch Kapillarkondensation auf. Engporiges Silicagel wird in der Luftentfeuchtung häufiger eingesetzt. Dank der größeren spezifischen Oberfläche und der höheren Anzahl an Silanolgruppen ist es hydrophiler. Weitporiges Silicagel dient hingegen als „Puffergel“ zum Auffangen von Wassertröpfchen.

Porenverteilung & Innere Oberfläche.

Gleichgewichtsbeladung.

Die Beladung eines Adsorbens wird durch seine Isotherme bei einer festen Temperatur beschrieben. Die Kombination engporiges Silicagel-Wasser entspricht einem konvexen Isothermentyp. Die Isotherme weist einen steilen Anstieg auf. Die Monomolekularbelegung des Silicagels ist bei ca. 30% abgeschlossen, danach findet eine mehrschichtige Belegung der Adsorbensoberfläche sowie Kapillarkondensation statt. Bei einer Adsorptionskapazität von ca. 35% nimmt es ein Plateau ein und steigt nur noch leicht an. Mit zunehmender Temperatur sinkt die Gleichgewichtsbeladung merklich ab.

Adsorptionskinetik.

Entscheidend für die Verwendung von Silicagel als Trocknungsmittel ist die Bindungsenergie und die Beladungskapazität. Für die 1. Molekülschicht beträgt die Bindungsenergie 5.140 kJ/kmol. Mit zunehmender Beladung auf multimolekularer Ebene sinkt dieser Wert stark ab. Dies resultiert in einer Verlangsamung der Wasseraufnahme in einer Silicagelschüttung.

Die Sorptionsgeschwindigkeit wird durch den Diffusionskoeffizient ausgedrückt. Bei Erhöhung des effektiven Diffusionskoeffizienten richtet sich die Durchbruchskurve einer durchströmten Silicagelschüttung auf und die Massenübergangszone verkürzt sich, wodurch das Silicagel optimaler genutzt wird. Bei dem Stoffsystem Silicagel-Wasser beträgt der effektive Diffusionskoeffizient zwischen 0,5-1,5 x 10-10 m2/s.

Adsorption weiterer Stoffe.

Silicagele adsorbieren neben Wasser auch andere Stoffe. Dabei spielt der sterische Effekt (Siebwirkung) aufgrund der ungleichmäßigen und trichterförmigen Poren keine wichtige Rolle. Hingegen wirken sich der Gleichgewichts- und der kinetische Effekt beim Silicagel stärker aus. Für eine optimale Adsorbensauswahl sollten die Stoffe und deren Diffusionskoeffizienten gegenüber Silicagel bekannt sein. 

Adsorptionsgleichgewichte binärer Gase

Adsorptionsgleichgewichte tertiärer Gase

Farbindikatoren.

Zur optischen Anzeige der Beladung mit Wasserdampf wird Silicagel mit einem Indikator eingefärbt. Häufig werden pH-Indikatoren eingesetzt. Bei der Adsorption von Wasser an der Oberfläche des Silicagels, ändert sich der pH-Wert. Diese Änderung verursacht eine Farbveränderung des Indikators. Weiterhin kommen Eisensalze und das Schwermetall Kobalt(II)chlorid zum Einsatz. 

Regeneration.

In der Praxis wird als häufigste Regenerationsmethode die Temperaturerhöhung angewendet. Bei der Desorption von Wasserdampf aus Silicagel muss die Temperatur über 100°C liegen. Empfohlen wird eine Regenerationstemperatur zwischen 150°C bis 175°C. Besitzt das Silicagel einen Farbindikator würde er bei diesen Temperaturen beschädigt werden. Daher wird für Silicagel mit Farbindikator eine Regenerationstemperatur von 121°C bis maximal 140°C angegeben.

Alterung von Silicagel.

  Wird engporiges, farbloses Silicagel mit einer Temperatur von 150°C regeneriert, verringert sich die Gleichgewichtsbeladung nach 100 Zyklen um ca. 20% und der Halbwertdiffusionskoeffizient um 32%. Nach etwa 100 Zyklen erreichen die Gleichgewichtsbeladung und der Diffusionskoeffizient einen Grenzwert, der bis zu 500 Zyklen nicht mehr wesentlich unterschritten wird. Nach ca. 500 Adsorptions-Desorptions-Zyklen nimmt die spezifische Oberfläche von Silicagel von ca. 700 m²/g auf ca. 380 m²/g und somit um fast 45% ab. Die Verringerung der Gleichgewichtsbeladung kommt durch eine Verminderung des Porenvolumens und einer Abnahme der spezifischen Oberfläche zustande.

Entsorgung.

Unsere GIEBEL Silicagele können im Hausmüll entsorgt werden. Wir verwenden ausschließlich schwermetallfreie Farbindikatoren. So sind unsere Silicagele gemäß der Gesetzgebung der Europäischen Union (Verordnung EG Nr. 1272/2008) als nicht gefährliche Stoffe eingestuft bzw. nach den EG Richtlinien 67/548/EWG und 1999/45/EG nicht kennzeichungspflichtig.

Wichtig: Für Silicagele, die mit dem Farbindikator Cobalt(II)-Clorid versehen sind, gelten andere Entsorgungsrichtlinien! Der Farbindikator gilt als krebserregend und möglicherweise erbgutverändernd.