ซิลิก้าเจล/ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) และประโยชน์ซิลิกาเจล

667

ซิลิก้าเจล หรือ ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) คือ ซิลิก้ารูปหนึ่งที่สังเคราะห์ขึ้นในรูปของซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในหลายด้าน อาทิ ใช้เป็นสารดูดซับความชื้น ใช้เป็นส่วนผสมของพลาสติกเพื่อเพิ่มความแข็งแรง ใช้ผสมในเครื่องสำอางเพื่อลดแรงตึงผิว และใช้เป็นสารตั้งต้นในการทำให้เกิดเมฆ เป็นต้น

advertisement

ซิลิก้าเจล ถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1864 โดย Thomas Graham ถูกนำมาใช้เป็นสารดูดซับก๊าซพิษในหน้ากาก ต่อมาในปี ค.ศ. 1919 Patrick จึงค้นพบวิธีการผลิตซิลิก้าเจลได้ ซึ่งเตรียมได้จากโซเดียมซิลิเกต จนนำมาสู่การผลิตในเชิงพาณิชย์ตั้งแต่นั้นมา [1]

ซิลิก้าเจล มีลักษณะเป็นคอลลอยด์ของซิลิก้าที่ต่อกันเป็นโครงร่างแห 3 มิติ ที่มีรูพรุนจำนวนมาก ซึ่งเกิดจากการโพลิเมอร์ไรซ์ของกรดซิลิซิก มีสูตรทั่วไปคือ xSiO2.yH2O โดยซิลิก้าเจลที่มีอนุภาคขนาดเล็กหรือมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคน้อย เรียกว่า ซิลิก้าพาวเดอร์ ซึ่งมีความแข็งน้อยกว่า ซิลิก้าเจล

ชนิดของซิลิก้าเจล (Silica Gel)
1. ชนิดเม็ดสีขาว(White Silica Gel)
ชนิดเม็ดสีขาว มีขนาดเม็ดประมาณ 2-5 มิลลิเมตร เนื้อเมล็ดมีสีขาวใส สามารถดูดซับความชื้นได้ประมาณ 35-40%

ซิลิก้าเจลสีขาว

2. ชนิดเม็ดสีน้ำเงิน (Blue Silica Gel)
ชนิดเม็ดสีน้ำเงิน มีขนาดเมล็ดเท่ากับชนิดเม็ดสีขาว แต่ต่างที่เมล็ดจะมีสีน้ำเงิน และมีการเติมสารโคบอลต์ผสมเข้าไปด้วยเพื่อให้สามารถตรวจวัดระดับความชื้นที่ถูกดูดวับไว้ได้ ทำให้ผู้ใช้ทราบว่าซิลิก้าดูซับความชื้นเต็มที่แล้วหรือยัง สมควรที่จะเปลี่ยนหรือไม่ โดยซิลิก้าเริ่มใช้จะเป็นสีน้ำเงิน หากมีการดูดซับความชื้นเต็มที่ก็จะเปลี่ยนเป็นสีชมพูหรือสีม่วงอ่อน ซึ่งต้องเปลี่ยนซิลิก้าใหม่หรือนำไปอบแห้งกลับมาใช้ใหม่

ซิลิก้าเจลสีน้ำเงิน

3. ชนิดเม็ดสีส้ม (Orange Silica Gel)
ชนิดเม็ดสีส้ม จะมีขนาดเท่ากับชนิดเม็ดสีขาว แต่มีคุณสมบัติพิเศษเหมือนกับชนิดเม็ดสีน้ำเงิน กล่าวคือ เมื่อเริ่มใช้ที่เม็ดซิลิก้ายังไม่ดูความชื้นจะมีสีส้ม แต่หากดูดความชื้นจนเต็มที่แล้วจะเปลี่ยนเป็นสีเขียวอ่อน ซิลิก้าชนิดนี้ ไม่นิยมในไทย เพราะมีราคาสูงมากเมื่อเทียบกับชนิดอื่นๆ

ซิลิก้าเจลสีส้ม

4. ชนิดเม็ดทราย (Silica Sand)
ชนิดเม็ดทราย มีขนาดเม็ดเล็ก และมีสีคล้ายกับทราย มีคุณสมบัติคล้ายกับชนิดเม็ดขาวทุกประการ แต่ขนาดจะเล็กกว่าที่ 1 มิลลิเมตร เท่านั้น [4]

คุณสมบัติของซิลิก้าเจล
ซิลิก้าเจล เป็นผลึกไม่มีสีหรือเป็นของแข็งสีขาว ไม่มีกลิ่น ไม่มีรส มีจุดหลอมเหลวที่ 1,710 ºC และมีความถ่วงจำเพาะประมาณ 20.-2.6 ไม่ละลายในน้ำหรือละลายได้น้อยมาก รวมถึงไม่ละลายในกรด ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) แต่สามารถละลายในด่างได้ดี และเมื่อละลายจะได้สารประกอบซิลิเกตของด่างนั้น เช่น โซเดียมซิลิเกต [7]

ซิลิก้าเจล เป็นของแข็งอสัณฐานหรือมีรูปร่างค่อนข้างกลมที่มีรูพรุน มีพื้นที่ผิว (specific surface area) ประมาณ 300-1000 ตารางเมตร/กรัม ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-100 นาโนเมตร มีตั้งแต่เป็นก้อนแข็งจนถึงเป็นผงละเอียด ภายในมีรูพรุน ขนาดตั้งแต่ 5 Aº – 3000 Aº ซึ่งอาจจัดแบ่งขนาดของรูพรุนจากกระบวนการผลิตได้ 2 ประเภท คือ
1. ซิลิก้าเจลที่มีรูพรุนขนาดเล็ก (narrow pore silica gels) มีขนาดของรูโดยเฉลี่ยประมาณ 20 Aº
2. ซิลิก้าเจล ที่มีรูพรุนกว้าง (wide pore silica gels) มีขนาดของรูเฉลี่ย 110 Aº หรือมากกว่า

ซิลิก้าเจล เป็นสารที่มีคุณสมบัติชอบน้ำ (hydrophilic) ทำให้ไม่บวมเมื่อสัมผัสกับสารละลาย และยังคงโครงสร้างเดิมไว้ได้ การเปลี่ยนซิลิก้า เจลที่ไม่มีน้ำ (anhydrous silica gel) ไปเป็นซิลิก้าเจลที่มีน้ำ (soft gel) ต้องใช้น้ำ 100 ส่วนต่อซิลิก้าเจล 1 ส่วน แต่ความคงตัวของซิลิก้าเจลยังต้องขึ้นกับปัจจัยของความเป็นกรดเป็นด่างของสารละลายด้วยเช่นกัน โดยซิลิก้าเจลสามารถละลายได้ที่ pH สูงกว่า 7 โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ pH สูงกว่า 7.5 และที่ pH ต่ำกว่า 2 ซึ่ง ซิลิก้าเจลจะละลายเพิ่มขึ้นได้อย่างรวดเร็ว การดูดซับบนซิลิก้าเจลโดยทั่วไปเป็นการดูดซับทางกายภาพเกิดจากปฏิกิริยาของแรงวัลเดอร์วาล์ว (Van der Waals interactions) และแรงจากการรวมตัวกันของน้ำ (capillary condensation) ที่ความชื้นสัมพัทธ์สูง [2]

องค์ประกอบทางเคมีของซิลิก้าเจล [3]
1. SiO2 ประมาณ 99.71% โดยน้ำหนัก
2. Al2O3 ประมาณ 0.10% โดยน้ำหนัก
3. TiO3 ประมาณ 0.09% โดยน้ำหนัก
4. Fe2O3 ประมาณ 0.03% โดยน้ำหนัก
5. Trace Oxides ประมาณ 0.07% โดยน้ำหนัก

องค์ประกอบทางกายภาพของซิลิก้าเจล
1. สารระเหยทั้งหมด ประมาณ 5-6.5% โดยน้ำหนัก
2. พื้นที่ผิว ประมาณ 750-800 ตารางเมตร/กรัม
3. ปริมาตรรูพรุน ประมาณ 0.43 ลบ.ซม./กรัม
4. เส้นผ่าศูนย์กลางรูพรุนเฉลี่ย 2.2 นาโนเมตร
5. ความหนาแน่น ประมาณ 0.72 กรัม/ลบ.ม.

ลักษณะพื้นผิวของซิลิก้าเจล
1. พื้นผิวไฮดรอกซิเลต (hydroxylated surface) ซึ่งมีหมู่ไซลานอล (Si-OH) ที่สามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนกับน้ำได้ทันที และการทำให้ซิลิก้าเจลแห้งต้องได้รับความร้อนอย่างน้อย 1500 °C โดยหมู่ไซลานอลแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่
– Free silanol คือ หมู่ไฮดรอกซิลที่แยกตัวอยู่เดี่ยวๆ บนพื้นผิวของซิลิก้าเจล
– Geminal silanol คือ หมู่ไฮดรอกซิลสองหมู่ที่ต่ออยู่บนซิลิกอนอะตอมเดียวกัน
– Vicinal silanol คือ หมู่ไฮดรอกซิลสองหมู่ที่ต่ออยู่บนซิลิกอนที่เชื่อมต่อกัน

2. พื้นผิวไซลอกเซน (siloxane surface) มีหมู่ไซลอกเซน (Si-O-Si) ที่เกิดจากการสูญเสียน้ำออกจากหมู่ไซลานอล เมื่อได้รับอุณหภูมิ 1000 ºC

3. พื้นผิวออร์แกนิค (organic surface) เกิดเมื่อมีแรงยึดเหนี่ยวทางเคมี หรือฟิสิกส์ของพื้นผิวซิลิก้ากับโมเลกุล หรืออนุมูลต่างๆ โดยคุณสมบัติของพื้นผิวชนิดนี้อาจเป็น
– ไฮโดรโฟบิก (hydrophobic) เมื่อพื้นผิวซิลิก้าเกิดพันธะกับสารไฮโดรคาร์บอน
– ไฮโดรฟิลิก (hydrophilic) เมื่อพื้นผิวซิลิก้าเกิดพันธะกับอะตอมที่มีสภาพขั้วสูง
– ไฮโดรโฟบิก และไฮโดรฟิลิก เมื่อพื้นผิวซิลิก้าเกิดพันธะกับฟลูออโรคาร์บอน

การผลิตซิลิก้าเจล
สารตั้งต้นสำคัญที่ใช้ในการผลิตซิลิก้าเจล ได้แก่ ซิลิเกต และเกลือที่ละลายน้ำได้ อาทิ โซเดียมซิลิเกตแคลเซียมซิลิเกต และหินเหลือ เป็นต้น ดังสมการด้านล่าง รวมถึงซิลิก้าคอลอยด์ที่ประกอบด้วยอนุภาคของซิลิก้าเข้มข้น เช่น ซิลิกอนคลอไรด์ และเอทิลซิลิเกต เป็นต้น นอกจากนั้น ยังสามารถผลิตซิลิก้าเจลได้จากวัตถุดิบอื่น อาทิ ทรายขาวกับกรดกำมะถัน และสกัดได้จากแกลบ เป็นต้น [3], [4]

Na2O. 3.3SiO2 + H2SO4 = Na2SO4 + 3.3SiO2 + H2O [6]

ตัวอย่างการผลิตซิลิก้าเจลจากแกลบ เริ่มจากนำแกลบมาเผาไฟเพื่อกำจัดสารคาร์บอนออกก่อน จากนั้น นำแกลบมาสกัดซิลิก้าด้วยเบส และนำไปตกตะกอนด้วยกรด ก่อนจะนำมาอบแห้งที่อุณหภูมิ 80 ºC นาน 12 ชั่วโมง [5] อ้างถึงในเอกสารหลายฉบับ

ประโยชน์ซิลิก้าเจล
ซิลิก้าเจล หรือ ซิลิก้าอสัณฐาน (amorphous silica) ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ มากมาย เนื่องจากมีลักษณะเด่นทางโครงสร้างและคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิว โดยเฉพาะพื้นผิวของซิลิก้าที่มีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ซึ่งลักษณะของการนำไปใช้ประโยชน์นั้นขึ้นอยู่กับรูปแบบและความบริสุทธิ์ที่ผลิตได้ ประโยชน์ของซิลิก้าเจล มีดังนี้
1. เป็นสารเพิ่มความแข็งแรง และความหนาแน่นแก่สารอื่น เช่น ยางพลาสติก และสารโพลีเมอร์ เป็นต้น
2. เป็นสารลดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างผิวของของแข็ง เช่น เป็นตัวกันการเกาะกันเป็นก้อน (anticracking) ในเครื่องสำอาง และทางเภสัชกรรม
3. เป็นสารเพิ่มแรงยึดโดยเฉพาะในกาว และเพิ่มความหนืดในของเหลว เช่น จาระบี สี หมึก ยา และเครื่องสำอาง เป็นต้น
4. เป็นสารเพิ่มความเงา (optical effects)
5. เป็นสารลดแรงตึงผิว เช่น สารป้องกันการเกิดโฟม
6. เป็นสารเพิ่มช่วยกันน้ำ (hydrophobing, water-repellent)
7. เป็นสารดูดซับ (adsorbent)
8. เป็นตัวคะตะลิสท์ และตัวพาคะตะลิสท์ (catalyst carrier)
9. เป็นสารตั้งต้นในการทำให้เกิดเมฆ (cloud seeding)
10. ใช้เป็นสารในการดูดซับโมเลกุลของโลหะหนักหรือสารประกอบโลหะหนักในระบบบำบัดน้ำเสีย
11. ใช้บรรจุคอลัมน์เพื่อการวิเคราะห์ทางโครมาโตกราฟฟี่ สำหรับซิลิก้าเจลที่ใช้ในงานวิทยาศาสตร์นั้นส่วนมากจะใช้เป็นตัวพาคะตะลิสท์ (catalyst carrier) และใช้เพื่อการวิเคราะห์ทางโครมาโตกราฟฟี่ เป็นหลัก

ขอบคุณภาพจาก hidri.co.th/, spe-shop.com/

เอกสารอ้างอิง
[1] เดือนเพ็ญ ปานศรี, 2545, การเตรียมซิลิกาเจลจากแกลบข้าวเหนียว-
ในจังหวัดนครสวรรค์, มหาวิทยาลัยราชภัฎนครสวรรค์.
[2] เบญจวรรณ วงศ์ศิริ, 2547, การกำจัดตะกั่วและทองแดงจากน้ำเสีย-
โดยซิลิกาเจลที่ใช้แล้วเคลือบด้วยเหล็กออกไซด์, จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.
[3] สุรวุฒิ พวงมาลี, 2556, การสังเคราะห์ซิลิกาเจลจากเถ้าแกลบ-
สำหรับการทำบริสุทธิ์ไบโอดีเซล, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ.
[4] สุชานนท์ ติรพัฒน์กบิล, 2554, การดูดซับน้ำที่ปนในเอทานอลเข้มข้น-
ด้วยผงซิลิกาเจลจากแกลบ, จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.
[5] ชัยวัฒน์ คงมั่นกลาง, 2547, การกำจัดสังกะสีด้วยซิลิกาเจลที่ผลิตจากเปลือกข้าว-
และซิลิกาเจลที่ตรึงด้วยหมู่อะมิโนไธออล, มหาวิทยาลัยขอนแก่น.
[6] ริศรา จิวะชาติ, 2548, การปรับปรุงคุณภาพน้ำมันปาล์มที่ผ่านการทอด-
ไก่ชุบแป้งโดยใช้สารดูดซับซิลิกาเจล, สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง.
[7] เดือนเพ็ญ ปานศรี และคณะ, 2545, การเตรียมซิลิกาเจลจากแกลบข้าวเหนียว-
ในจังหวัดนครสวรรค์, มหาวิทยาลัยราชภัฎนครสวรรค์.

advertisement