کاربرد سیلیسیم دی اکسید چیست؟
سیلیسیم دی اکسید که با نام سیلیس نیز شناخته می شود از فراوان ترین ترکیبات اکسیدی موجود در پوسته زمین است. از خواص سیلیسیم دی اکسید مقاومت بالای آن است، به طوری که این ماده از مقاوم ترین ترکیبات موجود در طبیعت محسوب می شود. بنابراین از کاربرد سیلیسیم دی اکسید در صنایع مختلفی همچون ساختمان و شیشه سازی استفاده می شود. شکل ظاهری این ترکیب به صورت جامدی پودری و سفید رنگ است که با فرمول شیمیایی SiO۲ شناخته می شود. ساختار سیلیسیم دی اکسید چهار ضلعی بوده و شکل مولکولی تتراهدرال دارد. انواع سیلیسیم دی اکسید توسط شرکت های مختلف تولید کننده در بازار عرضه می شوند. در ادامه این مطلب به بررسی برخی از خواص و ویژگی ها و کاربرد سیلیس می پردازیم. با ما همراه باشید.
سیلیسیم دی اکسید چیست
با احاطه شدن سیلیکون با اکسیژن نوعی کانی بدست می آید که بسیار معروف و پرکاربرد است. این کانی سیلیسیم دی اکسید نام داشته و ۵۹ درصد از پوسته زمین را به خود اختصاص داده است. این کانی در طبیعت موجود بوده و انواع آن از نظر شکل ظاهری با هم تفاوت هایی دارند. البته علاوه بر تفاوت در شکل ظاهری از نظر ویژگی و خواص دیگر نیز متفاوت هستند. کوارتز و فلدسپات از خانواده این کانی ها هستند. این ذرات در آب نامحلول بوده و اغلب به صورت پودری سفید رنگ در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند.
ساختار سیلیسیم دی اکسید
ساختار سیلیسیم دی اکسید بر اساس مدل لوویس از مدل های پرکاربرد در تحقیقات است. این مدل توسط نماد شیمیایی و الکترون های ظرفیت نمایش داده می شود. ساختار سیلیسیوم دی اکسید چهار وجهی بوده و دارای ۴ الکترون آزاد است. دی اکسید سیلیسیم یک ترکیب واکنش ناپذیر با قطبیت مولکولی صفر است. در این ماده سیلیس دو پیوند دوگانه با اکسیژن ایجاد کرده و بنابراین مولکولی بسیار پایدار خواهد بود. قدرت دی الکتریک این ماده به قدری بالاست که از آن به عنوان عایق و نیمه رسانا استفاده می شود.
خواص سیلیسیم دی اکسید
- شکل ظاهری: پودر سفید
- نقطه ذوب: ۱۷۱۰ درجه سانتی گراد
- نقطه جوش: ۲۲۳۰ درجه سانتی گراد
- دانسیته: ۲.۶۵ گرم بر سانتی متر مکعب
- جرم مولی: ۶۰.۰۸ گرم بر مول
- حلالیت در آب: ۰.۰۱۲ گرم در هر ۱۰۰ میلی لیتر
- شکل مولکولی: تترا هدرال
انواع سیلیسیم دی اکسید
این ماده در طبیعت به دو صورت آزاد یا ترکیب با سایر اکسیدها یافته می شود. سیلیس آزاد را می توان در انواع زیر یافت:
- بلورین
- بلور مخفی
- بلور آبدار
انواع این ماده را می تون بر اساس درجه خصلوص نیز در ۴ گروه طبقه بندی نمود. این انواع از لحاظ کاربرد با هم متفاوت هستند. در ادامه به این انواع سیلیسیوم دی اکسید اشاره شده است.
- نوع ممتاز که دارای درجه خلوصی بالاتر از ۹۹ درصد است.
- درجه یک که دارای درجه خلوص ۹۸ درصد است.
- درجه دو که کیفیت کمتری نسبت به دو مورد قبل داشته و در صنعت تولید آجر و ماسه آهکی کاربرد دارد.
- سیلیس آمورف که از مهم ترین ویژگی های آن ترد و نرم بودن بلورهایش است. ساختار این انواع در دمای بالا خیلی زود شکسته می شود.
منابع سیلیسیوم دی اکسید
کوارتز
نوع کوارتز بیشترین سیلیس آزاد در طبیعت را داراست. سختی بالای آن موجب شده است تا در فشار و درجه حرارت معمولی پایدار و مقاوم باشد. کوارتز درواقع از پلی مورف های سیلیس بشمار می آید.
ماسه و ماسه سنگ
درواقع کوارتزهای رسوبی که به طور طبیعی خرد شده اند را ماسه سیلیسی و ماسه سنگ می نامند. ماسه سنگ ها اغلب ترکیبی از ذرات آهک، اکسید آهن و رس هستند.
فلینت
این ماده زمانی به وجود می آید که بلورهای بسیار ریز کوارتز با آب، مواد آلی و کربنات کلسیم ترکیب شود. فلینت رنگی قهوه ای روشن، سیاه و خاکستری دارد که با حرارت و سوختن مواد آلی به رنگ سفید در خواهد آمد. تشکیل فلینت از حل و ته نشین شدن اسکلت سیلیسی جانوران اسفنجی دریاها صورت می پذیرد.
تریدیمیت، کریستوبالیت، کوارتزیت و دیاتومیت از دیگر انواع این ماده هستند.
کاربرد سیلیسیم دی اکسید در صنایع
بیشتر سیلیسیم دی اکسید از معادن شن و ماسه و تصفیه کوارتز به دست می آید. درواقع خواص فیزیکی فوق العاده این ماده مانند مقاومت و سختی بالا موجب استفاده از آن در صنایع مختلف شده است. تنوع در انواع این ماده و همین طور خواص متفاوت آن ها موجب استفاده های صنعتی گسترده گردیده است. نکته مهم در استفاده از سیلیس که در صنایع نیز بسیار پراهمیت است، درصد سیلیس و ویژگی های سنگ اولیه است. در ادامه به برخی از صنایع اشاره شده است که در آن ها از کاربرد سیلیسیم دی اکسید استفاده می شود.
- صنایع شیشه سازی
- صنعت چینی و آرکوپال سازی
- صنایع کاشی و سرامیک
- تولید آلیاژ های سیلیسی
- صنعت ساختمان و تولید آجر ماسه ای
- تولید چسب
- سندبلاست
- صنایع تولیدات نسوز
- تولید الیاف و عایق هایی همچون پشم شیشه
- تولید پاک کننده های صنعتی
کاربرد سیلیسیم دی اکسید در فولاد
از دیگر مصارف سیلیسیم دی اکسید می توان به استفاده گسترده آن در صنایع ریخته گری و تولید فروسیلیس اشاره نمود. در فولاد سازی در تولید فولاد های آلیاژی از فروسیلیس به عنوان یک عامل اکسیژن زا استفاده می شود.
تولید سیلیسیم دی اکسید
عمده سیلیسیم دی اکسید توسط استخراج معادن صورت می پذیرد. این ماده اغلب از استخراج شن و ماسه و تصفیه کوارتز در دسترس قرار می گیرد.
سیلیس آمورف را همچنین می توان از طریق اسیدی نمودن محلول های سیلیکات سدیم توسط اسید سولفوریک تولید نمود.
از حرارت دادن، اکسید کردن و یا فرآیند سل-ژل کاتالیزشده نیز در آزمایشگاه، تترا اتیل ارتوسیلیکات هیدرولیز شده و به سیلیس تبدیل خواهد شد.
کاربرد پودر سیلیس
وقتی سنگ های بزرگ با دستگاه های مخصوص به دانه ای بسیار کوچک و شبیه به پودر تبدیل می شوند، درواقع پودر سیلیس ایجاد می گردد. مقاومت بسیار زیاد در برابر حرارت و نقطه ذوب بالا موجب شده است تا از کاربرد این پودرها در ریخته گری استفاده های فراوانی شود.
کاربرد سیلیس در تصفیه آب
به دلیل ممانعت از عبور ذرات ریز و معلق از این ماده در تصفیه آب استفاده می شود. البته استفاده از سیلیسیم دی اکسید می تواند بر کیفیت خروجی تجهیزات تصفیه تاثیر نامطلوبی بگذارد. امکان واکنش ذرات این ماده با آب وجود ندارد و از این ماده می توان بدون تولید مواد جانبی برای حذف مواد معلق استفاده نمود.
براساس اندازه ذرات و دانه ها از آن ها جهت تصفیه آب های آشامیدنی و استخرها استفاده می شود. نوع آلاینده و مقدار آن نیز بر انتخاب اندازه سیلیس برای تصفیه موثر است. سیلیس هایی که اغلب برای تصفیه آب به کار می روند به شرح زیرند:
- اندازه های ۵ تا ۸ میلی متری
- ۳ تا ۵ میلی متری
- ۲ تا ۳ میلی متری
- ۱ تا ۲ میلی متری
معایب سیلیسیم دی اکسید در تصفیه آب
علاوه بر مزایا این ماده در پاکسازی و تصفیه آب، می تواند در صورت استفاده بیش از حد تاثیراتی منفی داشته باشد. ورود ذرات سیلیکون دی اکسید به دیگ های بخار می تواند ضرر زیادی را به همراه داشته باشد. ورود این ذرات به بویلر موجب ایجاد کف زیادی شده و این مسئله در روند فعالیت دستگاه اختلالاتی را به وجود خواهد آورد. بنابراین با در نظر گرفتن فاکتورهایی همچون پی اچ محیط، دما و… با روش هایی همچون ترکیبات منیزیم و رزین های تبادل یونی باید اقدام به حذف سیلیس نمود. با حذف به موقع این ماده می توان از زیان های احتمالی پیشگیری نمود.
کاربرد سیلیس در صنعت شیشه سازی
این ماده در صنعت شیشه به عنوان ماده اولیه به شمار رفته و بنابراین کاربرد گسترده ای دارد. درواقع بیشترین مصرف سیلیسیم دی اکسید در تولید شیشه بوده و اصلی ترین ماده در صنعت تولید شیشه است. شیشه از ماسه ذوب شده تولید گشته و برای تولید آن سیلیس اصلی ترین مواد مورد استفاده است. با ذوب این ماده انواعی از شیشه به نام شیشه های سیلیسی تولید می گردد. این شیشه ها توانایی تحمل دمایی تا ۸۰۰ درجه سانتی گراد را نیز دارند و ذوب نمی شوند. از این شیشه ها در محیط های آزمایشگاهی استفاده های زیادی می شود. در تولید این شیشه ها از حدود ۹۹.۸ درصد سیلیس استفاده می شود. مابقی شامل ترکیباتی همچون اکسید کلسیم، رنگ و… هستند. انواع مختلفی از شیشه های سیلیسی وجود دارند که از ماسه های ذوب شده با درجه خلوص بالا تولید می شوند.
کاربرد سیلیسیوم دی اکسید در تولید شیشه های بوروسیلیکات یا پیرکس نیز کاربرد زیادی دارد. اما درصد خلوص و نحوه تولید آن ها با شیشه های معمولی تفاوت هایی دارد. نوع بوروسیلیکات به نسبت شیشه های سیلیسی مقاومت کمتری در برابر حرارت و انبساط و انقباض دارد.
تولید شیشه های مات
علاوه بر اینکه از این ماده به عنوان ماده اولیه تولید شیشه استفاده می شود، برای مات کردن سطوح شیشه نیز به کار می روند. پس از اینکه شیشه تولید و خنک شد، دانه های بسیار ریز سیلیس را با فشار زیاد توسط پمپ های هوا روی سطح شیشه می پاشند. با پاشیده شدن ذرات بر روی سطح شیشه روی آن خراش های کوچکی ایجاد شده و چندین لایه از آن بریده می شود. بنابراین سطح شیشه مات شده و از این شیشه های مات در تولید در و شیشه و دکوراسیون استفاده می گردد.
شیشه های نوری و چشمی از بهترین انواع شیشه های سیلیسی هستند که می توان به آن ها اشاره نمود. این شیشه ها در تولید عینک های آفتابی نیز حتی کاربرد دارند. مقاومت بالای آن ها در برابر نفوذ اشعه ماورابنفش و آنتی رفلکس بودن از دلایل کاربرد آن هاست. برای تولید شیشه های تزیینی، ظروف بلوری و کریستالی، وسایل آزمایشگاهی، الیاف شیشه و شیشه های تخت از این کانی ها استفاده می شود.
خطرات و مضرات سیلیس
سیلیکا در صورت بلع غیر سمی است. حتی آزمایشاتی نشان داده است که میزان بالای سیلیس در آب موجب کاهش احتمال زوال عقل می گردد. درواقع افزایش میزان سیلیکا در آب آشامیدنی به ۱۰ میلی گرم در روز، می تواند میزان ابتلا به زوال عقل را کاهش دهد.
اما استنشاق گرد و غبار سیلیکای کریستالی ریز ممکن است به ریه ها آسیب زده و منجر به بیماری هایی همچون سرطان ریه، برونشیت یا سیلیکوز گردد.
اگر ذرات ریز سیلیس به مقدار زیادی استنشاق شوند، ممکن است خطرات لوپوس و آرتریت روماتوئید افزایش یابد. بنابراین همانند سایر ترکیبات شیمیایی در حین استفاده از این ماده نیز جوانب احتیاط و ایمنی را رعایت نمایید.
در این مطلب به بررسی خواص و کاربرد و مزایا سیلیسیم دی اکسید پرداختیم. این ماده در صنایع شیشه سازی بیشترین کاربرد را دارد. این ماده انواع مختلفی داشته و قیمت آن به خلوصش وابسته است.