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Articulo de referencia

Gel de sílice

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Gel de sílice coloidal con opalescencia ligera

El gel de sílice es una forma amorfa y porosa de dióxido de silicio (sílice), que consiste en una estructura tridimensional irregular de átomos de silicio y oxígeno alternados, con poros y huecos a escala nanométrica . Estos huecos pueden contener agua u otros líquidos, o bien estar llenos de gas o vacío . En este último caso, el material se denomina propiamente xerogel de sílice .

El xerogel de sílice, con un tamaño de poro promedio de 2,4 nanómetros, tiene una fuerte afinidad por las moléculas de agua y se utiliza ampliamente como desecante . Es duro y translúcido , pero considerablemente más blando que el vidrio de sílice masivo o el cuarzo , y permanece duro cuando se satura con agua.

El xerogel de sílice se comercializa habitualmente en forma de gránulos o perlas gruesas, de unos pocos milímetros de diámetro. Algunos gránulos pueden contener pequeñas cantidades de una sustancia indicadora que cambia de color al absorber agua. A menudo, se incluyen pequeños sobres de papel con gránulos de xerogel de sílice, generalmente con la advertencia de "no ingerir", en los envases de alimentos secos para absorber la humedad que podría provocar su deterioro .

El gel de sílice "húmedo", que puede prepararse recientemente a partir de soluciones de silicato alcalino , puede variar en consistencia desde un gel blando y transparente , similar a la gelatina o el agar , hasta un sólido duro, es decir, un xerogel saturado de agua. A veces se utiliza en procesos de laboratorio, por ejemplo, para suprimir la convección en líquidos o evitar la sedimentación de partículas en suspensión. [ 4 ]

Historia

El gel de sílice existía ya en la década de 1640 como una curiosidad científica. [ 5 ] Se utilizó en la Primera Guerra Mundial para la adsorción de vapores y gases en los cartuchos de las máscaras antigás . La ruta sintética para producir gel de sílice fue patentada en 1918 por Walter A. Patrick, profesor de química en la Universidad Johns Hopkins .

Tipos

  • Tipo A: gránulos transparentes, diámetro aproximado de poro: 2,5  nm, propiedades de secado y resistencia a la humedad, pueden utilizarse como soportes de catalizadores, adsorbentes, separadores y adsorbentes de presión variable.
  • Tipo B: gránulos blancos translúcidos, diámetro de poro: 4,5–7,0  nm, adsorbentes líquidos, desecantes y portadores de perfumes, también pueden utilizarse como portadores de catalizadores y en la arena para gatos.
  • Tipo C: translúcido, con estructura microporosa, materia prima para la elaboración de arena para gatos de gel de sílice. Tras un secado y tamizado adicional, se obtiene un gel de sílice macroporoso que se utiliza como desecante, adsorbente y soporte de catalizador.

Gel de sílice-alúmina: amarillo claro, químicamente estable, ignífugo, insoluble excepto en álcalis o ácido fluorhídrico. Polaridad superficial, estabilidad térmica, rendimiento superior al del gel de sílice de poros finos.

Gel de sílice estabilizante: polvo sólido microporoso no cristalino, no tóxico, resistente al fuego, utilizado en la elaboración de cerveza a partir de granos para mejorar el sabor, la claridad, el color y la espuma, y ​​para la eliminación de impurezas no microbianas.

Propiedades

La elevada superficie específica del gel de sílice —alrededor de 750–800 m² / g (230 000–240 000 pies² /oz) [ 6 ] — le permite absorber agua fácilmente, lo que lo hace útil como desecante (agente secante). A menudo se describe al gel de sílice como un material que "absorbe" la humedad, lo cual puede ser apropiado si se ignora su estructura microscópica, como en el caso de los paquetes de gel de sílice u otros productos. Sin embargo, el gel de sílice elimina la humedad mediante adsorción en la superficie de sus numerosos poros, en lugar de absorberla en el interior del gel.   

El gel de sílice puede absorber hasta un 37 % de su propio peso en humedad en ambientes de alta humedad. [ 7 ] Esta humedad se puede liberar al calentarlo a unos 120 °C (248 °F) [ 8 ] [ 7 ] durante 1-2 horas. [ 7 ] Esto permite su reutilización varias veces con muy poca o ninguna pérdida de eficiencia. [ 7 ]  

Preparación

Una solución acuosa de silicato de sodio se acidifica para producir un precipitado gelatinoso que se lava y luego se deshidrata para producir gel de sílice incoloro. [ 6 ] : 345 Cuando se requiere una indicación visible del contenido de humedad del gel de sílice, se agrega tetraclorocobaltato(II) de amonio (NH 4 ) 2 [CoCl 4 ] o cloruro de cobalto(II) CoCl 2. [ 6 ] : 345 Esto hará que el gel sea azul cuando esté seco y rosa cuando esté hidratado. [ 6 ] : 345 Debido a un vínculo entre el cloruro de cobalto y el cáncer, se ha prohibido en Europa su uso en gel de sílice. [ 9 ] Un indicador alternativo es el violeta de metilo , que es naranja cuando esté seco y verde cuando esté hidratado.

Usos

Desecante

El gel de sílice, en forma de perlas empaquetadas en una bolsa permeable, es un desecante de uso común.

Uso inicial

La humedad puede causar moho y deterioro en muchos artículos. [ 10 ] [ 11 ] También puede dañar los aparatos electrónicos al provocar condensación y acortar la vida útil de sustancias químicas, como las presentes en las vitaminas. Los paquetes de gel de sílice ayudan absorbiendo la humedad y prolongando la vida útil de estos artículos. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

El gel de sílice también puede utilizarse para mantener la humedad relativa dentro de una guía de ondas de un sistema de transmisión de radio o satélite de alta frecuencia lo más baja posible (véase también amortiguación de humedad ). [ 15 ] La acumulación excesiva de humedad dentro de una guía de ondas puede provocar arcos eléctricos en su interior, dañando el amplificador de potencia que la alimenta. Además, las gotas de agua que se forman y condensan dentro de la guía de ondas modifican la impedancia y la frecuencia características, degradando la señal. Es común emplear un pequeño sistema de aire comprimido (similar a una pequeña bomba de acuario doméstica) para hacer circular el aire dentro de la guía de ondas sobre un recipiente con gel de sílice.

El gel de sílice también se utiliza para secar el aire en sistemas industriales de aire comprimido. El aire de descarga del compresor fluye a través de un lecho de perlas de gel de sílice. El gel de sílice adsorbe la humedad del aire, evitando daños en el punto de uso del aire comprimido debido a la condensación o la humedad. El mismo sistema se utiliza para secar el aire comprimido en locomotoras, donde la condensación y el hielo en las tuberías de aire de los frenos pueden provocar fallos en los mismos.

Antes de la popularización del aire acondicionado, en Estados Unidos se comercializaban saleros con tapones que contenían perlas de gel de sílice para mantener la sal lo suficientemente seca y evitar que se apelmazara, sustituyendo así la práctica de incluir unos pocos granos de arroz en los saleros para conseguir el mismo secado.

El gel de sílice se utiliza a veces como herramienta de conservación para controlar la humedad relativa en exposiciones y almacenes de museos y bibliotecas.

Otras aplicaciones incluyen tiras reactivas de diagnóstico, dispositivos de inhalación, jeringas , kits de análisis de drogas y kits de desinfección hospitalaria.

El gel de sílice se suele describir como un método para eliminar la humedad de teléfonos y dispositivos electrónicos que se han mojado accidentalmente, pero no existen estudios controlados que comparen su eficacia real con la de la simple exposición al aire o a un ventilador. Además, es poco probable que la mayoría de la gente tenga a mano una cantidad suficiente de gel de sílice activado o regenerado listo para usar .

Regeneración

Una vez saturado con agua, el gel puede regenerarse calentándolo a unos 120 °C (248 °F) [ 7 ] [ 8 ] durante 1-2 horas. [ 7 ] Algunos tipos de gel de sílice se "estallan" al exponerse a suficiente agua. Esto se debe a la rotura de las esferas de sílice al entrar en contacto con el agua. [ 16 ]  

La regeneración del gel de sílice es importante tanto por razones económicas como ambientales. [ 17 ] Puede regenerarse térmica o químicamente. Los métodos químicos implican el uso de agentes desecantes o disolventes para desorber el agua del gel de sílice, aunque estos suelen ser menos prácticos para la regeneración rutinaria. La regeneración térmica también puede aplicarse a lechos de gel de sílice compactos sin abrirlos, y puede realizarse mediante calentamiento convencional en un horno a una temperatura cercana a 200 °C.120  °C . [ 8 ] Otra opción para la regeneración térmica es usar microondas para aplicar calor de manera más uniforme y reducir el tiempo de regeneración en comparación con los hornos convencionales, pero este proceso debe controlarse estrictamente para evitar el sobrecalentamiento. [ 18 ] Otra opción para aplicar calor es usar un calentador solar con un concentrador parabólico compuesto. [ 19 ] También hay estudios sobre el uso de ondas ultrasónicas para eliminar moléculas de agua del gel de sílice a45–90  °C que son temperaturas más bajas que las del calentamiento convencional. [ 20 ] [ 21 ]

Química

Columna de cromatografía

En química, el gel de sílice se utiliza en cromatografía como fase estacionaria . En cromatografía de columna , la fase estacionaria suele estar compuesta por partículas de gel de sílice de 40–63 μm. Se utilizan diferentes tamaños de partícula para distintos tipos de cromatografía de columna, ya que el tamaño de partícula está relacionado con el área superficial. Las diferencias en el tamaño de partícula determinan si el gel de sílice debe utilizarse para cromatografía flash o por gravedad. En esta aplicación, debido a la polaridad del gel de sílice, los componentes no polares tienden a eluir antes que los más polares, de ahí el nombre de cromatografía de fase normal . Sin embargo, cuando se unen grupos hidrofóbicos (como los grupos C 18 ) al gel de sílice, los componentes polares eluyen primero y el método se denomina cromatografía de fase inversa . El gel de sílice también se aplica a láminas de aluminio, vidrio o plástico para cromatografía de capa fina .

Los grupos hidroxilo (OH) en la superficie de la sílice pueden funcionalizarse para obtener geles de sílice especiales que presentan parámetros de fase estacionaria únicos. Estos geles de sílice funcionalizados también se utilizan en síntesis y purificación orgánica como reactivos insolubles y agentes depuradores .

También se han unido covalentemente grupos quelantes al gel de sílice. Estos materiales tienen la capacidad de eliminar selectivamente iones metálicos de soluciones acuosas. Los grupos quelantes pueden unirse covalentemente a poliaminas injertadas en la superficie del gel de sílice, lo que produce un material con mayor integridad mecánica. El gel de sílice también se combina con metales alcalinos para formar un agente reductor M-SG . (Véase la química del SiGNa ).

No se espera que el gel de sílice se biodegrade ni en agua ni en suelo. [ 22 ]

Arena para gatos

El gel de sílice también se utiliza como arena para gatos , [ 23 ] solo o en combinación con materiales más tradicionales, como arcillas, incluida la bentonita . No deja residuos y es prácticamente inodoro.

aditivo alimentario

El gel de sílice, también conocido como dióxido de silicio o sílice amorfa sintética (SAS), está catalogado por la FDA en Estados Unidos como generalmente reconocido como seguro (GRAS), lo que significa que puede añadirse a los alimentos sin necesidad de aprobación. En EE. UU., se permite añadir sílice a los alimentos hasta un 2 %, según lo estipulado en 21 CFR 172.480. [ 24 ] En la UE, se permite en concentraciones de hasta un 5 %. En 2018, una reevaluación realizada por el Panel de la EFSA sobre Aditivos Alimentarios y Fuentes de Nutrientes Añadidos a los Alimentos no encontró indicios de toxicidad, incluso en los niveles de exposición más altos. [ 25 ]

Entre sus usos se incluyen: agente antiaglomerante , agente antiespumante, estabilizador, adsorbente, portador, agente acondicionador, agente anticongelante, auxiliar de filtración, agente emulsionante, agente de control de viscosidad y agente antisedimentación. [ 26 ] La sílice se encuentra comúnmente en alimentos como productos horneados, especias y hierbas, productos lácteos, productos de cacao y más. [ 25 ]

Filtración de agua

Dadas las propiedades de adsorción de agua del gel de sílice, este se utiliza en filtros de agua domésticos. [ 27 ] La estructura superficial del gel de sílice permite la adsorción de algunos minerales disueltos en el agua, [ 28 ] o "intercambio iónico", como se comercializa. Debido a la falta de regulaciones para los productos de filtración de agua domésticos, no existen estudios que validen las afirmaciones del fabricante sobre la eficacia del sistema de filtración.

Indicador de humedad (gel de sílice que cambia de color)

Gel de sílice indicador

El gel de sílice puede ser dopado con un indicador de humedad que cambia gradualmente de color al pasar del estado anhidro (seco) al estado hidratado (húmedo). Los indicadores comunes son el cloruro de cobalto(II) y el violeta de metilo . El cloruro de cobalto(II) es azul oscuro cuando está seco y rosa cuando está húmedo, pero es tóxico y carcinógeno, y fue reclasificado por la Unión Europea en julio de 2000 como material tóxico. [ 29 ] El violeta de metilo puede formularse para cambiar de naranja a verde, o de naranja a incoloro. También es tóxico y potencialmente carcinógeno, [ 30 ] pero es lo suficientemente seguro como para tener usos medicinales. Las sales férricas y ferrosas , a veces combinadas con pequeñas cantidades de hidróxido de sodio , proporcionan una mejor alternativa. En particular, el sulfato férrico y las sales dobles como el sulfato de hierro(III) amónico (alumbre de hierro), el sulfato de hierro(II) amónico y el sulfato de hierro(III) potásico dan como resultado un cambio de color de ámbar/amarillo cuando está seco a incoloro/blanco cuando está saturado. [ 31 ] [ 32 ]

Peligros

El gel de sílice no es tóxico, ni reactivo, y es estable con el uso normal. Reaccionará con fluoruro de hidrógeno , flúor , difluoruro de oxígeno , trifluoruro de cloro , ácidos fuertes, bases fuertes y oxidantes. [ 22 ] El gel de sílice es irritante para el tracto respiratorio y puede causar irritación del tracto digestivo. El polvo de las perlas puede causar irritación de la piel y los ojos, por lo que se deben tomar precauciones. [ 33 ] El polvo de sílice cristalina puede causar silicosis , pero el gel de sílice amorfo sintético es indurado , por lo que no causa silicosis. Pueden ocurrir riesgos adicionales cuando se le añade un indicador de humedad .

Referencias

  1. ↑ "Gel de sílice" . jtbaker.com . 31 de mayo de 2017. Archivado del original el 31 de mayo de 2017.
  2. ↑ "Gel de sílice" . chemcas.org . 9 de junio de 2017. Archivado del original el 9 de junio de 2017.
  3. ↑ "Dióxido de silicio" . echa.europa.eu . 15 de marzo de 2018. Archivado del original el 15 de marzo de 2018.
  4. ↑ Henisch H (1988). Cristales en geles y anillos de Liesegang . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0521345030.
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  7. 1 2 3 4 5 6 Chandradhas S (27 de agosto de 2016). "Cómo recargar cristales de gel de sílice" . Consejos de fotografía . Archivado del original el 2 de noviembre de 2022. Recuperado el 2 de noviembre de 2022 .
  8. 1 2 3 Daghooghi-Mobarakeh H, Miner M, Wang L, et al. (2022). "Aplicación de ultrasonido en la regeneración de gel de sílice para procesos de secado de gas industrial". Drying Technology . 40 (11): 2251– 2259. doi : 10.1080/07373937.2021.1929296 . La preparación de la muestra de gel de sílice seco se logró calentándola en un horno a 120 °C (para asegurar el secado completo) y controlando la masa hasta que no se observó ningún cambio en la masa. 
  9. ↑ "Sílice azul y conclusiones: Información de seguridad sobre el gel de sílice azul" . Archivado del original el 5 de enero de 2016.
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