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실리카 젤

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목차

1. 개요

실리카 젤은 1640년대부터 과학적 연구의 대상이 된 물질로, 제1차 세계 대전 중에는 흡착제로 사용되었다. 월터 A. 패트릭에 의해 합성법이 특허를 받았으며, A형, B형, C형, 실리카 알루미나겔, 안정화 실리카겔 등 다양한 종류가 존재한다. 실리카 젤은 높은 비표면적으로 인해 수분을 쉽게 흡착하는 특징을 가지며, 건조제, 크로마토그래피 고정상, 고양이 모래, 식품 첨가물, 정수기 필터 등 다양한 용도로 사용된다. 습도 지시약으로 염화 코발트(II)나 메틸 바이올렛을 첨가하기도 하며, 일반적으로 무독성으로 알려져 있지만, 실리카 젤 분진은 호흡기, 피부, 눈을 자극할 수 있고, 습도 지시제로 사용되는 염화 코발트는 독성 물질이므로 주의가 필요하다.

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실리카 젤 - [화학 물질]에 관한 문서
개요
실리카 겔 구슬
실리카 겔 구슬
식별
CAS 등록번호112926-00-8
1343-98-2 (규산)
UNIIY6O7T4G8P9
ChemSpider ID없음
속성
화학식SiO2
몰 질량60.08 g/mol
외관투명한 구슬
냄새무취

2. 역사

실리카 젤은 1640년대 초부터 과학적 호기심의 대상으로서 존재했다.[5] 제1차 세계 대전 당시에는 호흡 보호구의 흡착제로 사용되어 유독 가스를 제거하는 데 사용되었다. 실리카 젤의 합성법은 1918년 존스 홉킨스 대학교의 화학 교수였던 월터 A. 패트릭에 의해 특허를 받았다.

3. 종류

실리카 겔은 기공 크기, 형태, 화학적 조성 등에 따라 다양한 종류로 나뉜다.[5]

종류특징용도
A형투명한 펠릿, 기공 직경 약 2.5 nm, 건조 및 방습 특성촉매 담체, 흡착제, 분리기, 가변 압력 흡착제
B형반투명 흰색 펠릿, 기공 직경 4.5⁠–⁠7.0 nm액체 흡착제, 건조제, 향수 담체, 촉매 담체, 고양이 모래
C형반투명, 미세 기공 구조고양이 모래 제조 원료, 건조제, 흡착제, 촉매 담체 (거대 기공 실리카겔)
실리카 알루미나겔옅은 노란색, 화학적 안정성, 난연성, 알칼리 또는 불산 외 불용성, 표면 극성, 열 안정성, 미세 기공 실리카겔보다 우수한 성능
안정화 실리카겔비결정성 미세 다공성 고체 분말, 무독성, 난연성맥주 양조 시 맛, 투명도, 색상, 거품 개선 및 비미생물 불순물 제거


3. 1. 형태에 따른 분류

A형은 투명한 펠릿 형태이며, 대략 2.5 nm의 기공 직경을 가지고 있다. 건조 및 방습 특성이 있어 촉매 담체, 흡착제, 분리기 및 가변 압력 흡착제 등으로 사용된다.[5]

B형은 반투명 흰색 펠릿 형태이며, 기공 직경은 4.5⁠–⁠7.0 nm이다. 액체 흡착제, 건조제 및 향수 담체, 촉매 담체, 고양이 모래 등으로 사용된다.[5]

C형은 반투명하고 미세 기공 구조를 가지고 있다. 실리카겔 고양이 모래 제조용 원료로 사용되며, 추가적인 건조 및 선별 과정을 거쳐 건조제, 흡착제 및 촉매 담체로 사용되는 거대 기공 실리카겔을 형성한다.[5]

3. 2. 기타

실리카 알루미나겔은 옅은 노란색을 띠며, 화학적으로 안정적이고 난연성이며 알칼리나 불산을 제외하고는 녹지 않는다. 표면 극성, 열 안정성이 우수하고, 미세 기공 실리카겔보다 성능이 뛰어나다.[5]

안정화 실리카겔은 비결정성 미세 다공성 고체 분말이며, 무독성, 난연성을 가진다. 맥주 양조 과정에서 맛, 투명도, 색상, 거품을 개선하고 비미생물 불순물을 제거하는 데 사용된다.[5]

4. 특성

실리카 젤은 높은 비표면적(약 750~800m²/g)을 가지고 있어[6] 물을 쉽게 흡착하며, 이 특성으로 인해 건조제로 유용하게 사용된다. 실리카 젤은 젤 내부로 물을 흡수하는 것이 아니라, 수많은 기공 표면에 흡착하는 방식으로 수분을 제거한다.[6]

실리카 젤은 습도가 높은 환경에서 자체 무게의 최대 37%에 해당하는 수분을 흡착할 수 있다.[7] 흡착된 수분은 120°C에서 장시간 가열하면 방출되어, 효율 손실 없이 여러 번 재사용할 수 있다.

5. 제조

규산나트륨 수용액을 산성화하여 젤라틴상 침전물을 생성한 다음, 세척하고 탈수하여 무색의 실리카 겔을 만든다.[6] 수분 함량을 눈으로 확인하기 위해 사염화코발트산 암모늄(II)(NH4)2[CoCl4] 또는 염화 코발트(II) CoCl2를 첨가하기도 한다.[6] 이렇게 하면 겔이 건조될 때는 파란색, 수분을 흡수하면 분홍색으로 변한다.[6] 그러나 염화 코발트는 암과의 연관성 때문에 유럽에서는 실리카 겔에 사용하는 것이 금지되었다.[9] 따라서 대체 지시약으로 메틸 바이올렛이 사용되는데, 건조 시에는 오렌지색을 띠고 수분을 흡수하면 녹색으로 변한다.

6. 용도

실리카 젤은 다공성이며 넓은 표면적을 가지고 있어 주변 물질을 흡착하는 능력이 뛰어나다. 이러한 특성으로 인해 수분 흡착제, 액체 크로마토그래피의 컬럼 내용물, 촉매 담체, 포장용 건조제 등으로 널리 사용된다.

미국 식품의약국(FDA)에서는 일반적으로 안전하다고 인정되는 물질(GRAS)로 지정하여 식품 첨가물로 사용하는 것을 허용하고 있다.[18] 미국에서는 최대 2%, 유럽 연합(EU)에서는 최대 5%까지 식품에 첨가할 수 있으며,[18] 2018년 유럽 식품 안전청(EFSA) 재평가에서도 독성 징후는 발견되지 않았다.[19] 식품 첨가물로서 실리카 젤은 고결 방지제, 소포제, 안정제, 흡착제 등으로 사용되며,[20] 제과류, 향신료 및 허브, 유제품, 코코아 제품 등 다양한 식품에서 발견된다.[19]

또한, 흡착 특성을 이용하여 가정용 정수기에도 사용된다.[21] 실리카 겔 표면 구조는 물에 용해된 일부 미네랄을 흡착할 수 있는데, 이를 "이온 교환"이라고 부른다.[22] 다만, 가정용 정수기 제품에 대한 규제는 미비하여 여과 효과에 대한 제조사 주장을 뒷받침하는 연구는 부족하다.

고양이 모래로도 사용되는데, 단독으로 또는 벤토나이트를 포함한 점토와 결합하여 사용된다.[17]

6. 1. 건조제

투과성 봉투에 포장된 구슬 형태의 실리카 젤은 널리 사용되는 제습제이다.


습기는 많은 품목에서 곰팡이와 부패를 유발할 수 있다.[10][11] 또한, 응결을 일으켜 전자 제품을 손상시키고 비타민과 같은 화학 물질의 수명을 단축시킬 수도 있다. 실리카 젤 봉투는 습기를 흡수하여 이러한 품목의 수명을 연장하는 데 도움이 된다.[12][13][14]

실리카 젤은 고주파 라디오 또는 위성 전송 시스템의 도파관 내부에서 상대 습도를 가능한 한 낮게 유지하는 데에도 사용될 수 있다(습도 완충 참조).[15] 도파관 내부에 과도한 습기가 쌓이면 도파관 자체 내에서 아크가 발생하여 이를 공급하는 전력 증폭기가 손상될 수 있다. 또한 도파관 내부에 형성되고 응축되는 물방울은 특성 임피던스와 주파수를 변화시켜 신호를 저하시킨다. 소형 가정용 수족관 펌프와 유사한 소형 압축 공기 시스템을 사용하여 실리카 젤 병 위로 도파관 내부의 공기를 순환시키는 것이 일반적이다.

실리카 젤은 산업용 압축 공기 시스템에서 공기를 건조시키는 데 사용된다. 압축기 배출구에서 나온 공기는 실리카 젤 구슬 베드를 통과한다. 실리카 젤은 공기 중의 습기를 흡착하여 압축 공기의 사용 지점에서 응결 또는 습기로 인한 손상을 방지한다. 동일한 시스템은 제동 공기 파이프의 응결과 얼음으로 인해 브레이크 고장으로 이어질 수 있는 철도 기관차의 압축 공기를 건조하는 데 사용된다.

에어컨의 광범위한 사용 이전에, 미국에서는 소금의 덩어리짐을 방지하기 위해 실리카 젤 구슬이 들어 있는 뚜껑이 달린 소금통이 판매되었으며, 이는 소금통에 쌀알 몇 개를 넣어 동일한 건조 효과를 내는 관행을 대체했다.

실리카 젤은 때때로 박물관 및 도서관 전시 및 보관에서 상대 습도를 제어하기 위한 보존 도구로 사용된다.

다른 응용 분야로는 진단 테스트 스트립, 흡입 장치, 주사기, 약물 검사 키트 및 병원 위생 키트가 있다.

실리카 젤은 물을 흡착하기 쉬운 성질이 있어 건조제로 널리 사용된다. 원래 실리카 젤은 무색 반투명하지만, 건조제로 사용하는 실리카 젤에는 종종 수분 지시약으로 염화 코발트(II)를 첨가한 것을 사용한다. 염화 코발트를 첨가한 실리카 젤은 물 흡착량이 적고 물 흡착력이 충분할 때는 청색을 띠고, 물 흡착량이 늘어 물 흡착력이 낮아지면 옅은 분홍색을 띤다. 건조제로서의 실리카 젤은 전자레인지나 프라이팬 등으로 가열하여 세공 내부의 수분을 증발시킬 수 있으므로, 이 가열 처리를 통해 재사용이 가능하다. 염화 코발트가 첨가된 실리카 젤은 옅은 분홍색에서 청색으로 돌아온다. 또한, 염화 코발트는 유럽의 REACH 규제에 의해 SVHC로 후보 목록에 게재되어 있기 때문에, 지시약으로 유기 화합물을 사용한 것이 개발되고 있다.

흡습 특성에 따라 A형과 B형이 있다. A형은 저습도에서도 수분을 흡착하고 가열하면 수분을 방출하여 건조제로서 재생된다. B형은 고습도에서는 수분을 많이 흡착하지만, 저습도에서는 수분을 방출하는 규조토와 같은 성질이 있다.

6. 2. 크로마토그래피

화학에서 실리카 젤은 크로마토그래피에서 고정상으로 사용된다. 컬럼 크로마토그래피에서 고정상은 40–63 μm 크기의 실리카 젤 입자로 구성되는 경우가 많다.[1] 입자 크기는 표면적과 관련이 있으므로 컬럼 크로마토그래피의 종류에 따라 다른 입자 크기가 사용된다.[1] 입자 크기의 차이에 따라 실리카 젤을 플래시 크로마토그래피 또는 중력 크로마토그래피에 사용해야 하는지가 결정된다.[1] 실리카 젤의 극성으로 인해 이 응용 분야에서는 비극성 성분이 더 극성 성분보다 먼저 용리되는 경향이 있어 정상 크로마토그래피라고 한다.[1] 그러나 소수성 그룹(예: C18 그룹)이 실리카 젤에 부착되면 극성 성분이 먼저 용리되며 이 방법은 역상 크로마토그래피라고 한다.[1] 실리카 젤은 또한 알루미늄, 유리, 또는 플라스틱 시트에 박층 크로마토그래피용으로 도포된다.[1]

실리카 표면의 수산기(OH)는 특수한 고정상 매개변수를 나타내는 특수 실리카 젤을 얻기 위해 작용화될 수 있다.[1] 이러한 소위 작용화된 실리카 젤은 불용성 시약 및 청정제로 유기 합성과 정제에도 사용된다.[1]

킬레이트 그룹도 실리카 젤에 공유 결합되어 있다.[1] 이러한 물질은 수용액에서 금속 이온을 선택적으로 제거하는 능력이 있다.[1] 킬레이트 그룹은 실리카 젤 표면에 접목된 폴리아민에 공유 결합될 수 있어 기계적 무결성이 더 높은 물질을 생성한다.[1]

크로마토그래피 컬럼의 담체로도 사용된다. 이 경우 규산 말단이 Si=O가 아닌 Si(OH)₂가 되도록 처리된다. 소수성기로 화학 수식한 역상 담체나, 화학 수식 담체의 제품도 제조되고 있다.

A형 (건조용)B형 (조습용)중저압 크로마토그래피용HPLC용
pH4~8 (JIS 규격 값)
통상적으로 약산성		4~8 (JIS 규격 값)
통상적으로 약산성		처리에 따름처리에 따름
입자 크기수백 μm - 수 mm수백 μm - 수 mm40 - 200 μm수 μm
세공 크기
(포어 사이즈)		약 24 Å (2.4nm)약 60 Å (6nm)40 - 100 Å (4nm~10nm)40 - 300 Å (4nm~30nm)
세공 용적0.46ml/g0.75ml/g0.6ml/g - 1.2ml/g
수식・처리없음없음없음 (순상용)
중성 등		없음 (순상용)
ODS (역상용) 등


6. 3. 기타 용도

실리카 젤은 미국 식품의약국(FDA)에서 일반적으로 안전하다고 인정되는 물질(GRAS)로 등재되어 있어 식품 첨가물로 사용 가능하다.[18] 미국에서는 최대 2%까지, 유럽 연합(EU)에서는 최대 5%까지 식품에 첨가할 수 있다.[18] 2018년 유럽 식품 안전청(EFSA)의 재평가에서도 독성 징후가 발견되지 않았다.[19]

식품 첨가물로서 실리카 젤은 고결 방지제, 소포제, 안정제, 흡착제 등 다양한 용도로 사용된다.[20] 제과류, 향신료 및 허브, 유제품, 코코아 제품 등 다양한 식품에서 발견될 수 있다.[19]

또한 실리카 겔은 흡착 특성을 이용하여 가정용 정수기에도 사용된다.[21] 실리카 겔 표면 구조는 물에 용해된 일부 미네랄을 흡착할 수 있으며, 이는 "이온 교환"이라고 불린다.[22] 다만, 가정용 정수기 제품에 대한 규제는 미비하여 여과 효과에 대한 제조사 주장을 뒷받침하는 연구는 부족하다.

고양이 모래로도 사용되는데, 단독으로 또는 벤토나이트를 포함한 점토와 결합하여 사용된다.[17]

7. 습도 지시약 (색상 변화 실리카 겔)

실리카 젤에는 무수(건조) 상태에서 수화(습윤) 상태로 전환될 때 색상이 점차 변하는 습도 지시약을 첨가할 수 있다. 일반적인 지시약으로는 염화 코발트(II)와 메틸 바이올렛이 있다. 염화 코발트(II)는 건조 시에는 짙은 파란색, 습윤 시에는 분홍색을 띠지만, 독성이 있고 발암성이 있어 2000년 7월 유럽 연합에서 독성 물질로 재분류되었다.[23] 메틸 바이올렛은 주황색에서 녹색으로, 또는 주황색에서 무색으로 변하도록 제조될 수 있으며, 독성이 있고 잠재적인 발암성이 있지만,[24] 의약품으로 사용할 만큼 안전하다.

철(III) 및 철(II) 염은 때때로 소량의 수산화 나트륨과 결합하여 더 나은 대안을 제공한다. 특히, 황산철(III)과 같은 복염인 황산암모늄철(III) (철 명반), 황산암모늄철(II), 황산칼륨철(III)은 모두 건조 시 호박색/노란색에서 포화 시 무색/흰색으로 색상 변화를 나타낸다.[25][26]

습도 지시 실리카 젤


건조제로 사용되는 실리카 겔에는 종종 수분 지시약으로 염화 코발트(II)를 첨가한 것을 사용한다. 염화 코발트를 첨가한 실리카 겔은 물 흡착량이 적고 물 흡착력이 충분할 때는 청색을 띠고, 물 흡착량이 늘어 물 흡착력이 낮아지면 옅은 분홍색을 띤다. 염화 코발트는 유럽의 REACH 규제에 의해 SVHC로 후보 목록에 게재되어 있기 때문에, 지시약으로 유기 화합물을 사용한 것이 개발되고 있다.

8. 위험성

일반적으로 실리카 젤은 무독성이며 불에 잘 타지 않아 안전한 물질로 알려져 있다. 하지만 공업용 실리카 젤[29]에서 발생하는 규산 먼지는 눈, 피부, 호흡기에 염증을 일으키고 심할 경우 규폐증을 유발할 수 있으므로 다룰 때 주의해야 한다.[30]

실리카 젤은 무독성, 비반응성이며 일반적인 상황에서는 안정적이다. 그러나 플루오린화 수소, 플루오린, 산소 디플루오라이드, 삼플루오린화 염소, 강산, 강염기, 산화제와는 반응한다.[16] 실리카 젤은 호흡기와 소화 기관을 자극할 수 있다. 알갱이에서 발생하는 먼지는 피부와 눈을 자극할 수 있으므로 예방 조치를 해야 한다.[27] 결정질 실리카 먼지는 규폐증을 유발할 수 있지만, 합성 무정형 실리카 젤은 경화되어 규폐증을 유발하지 않는다.

습도 지시제로 사용되는 파란색 또는 붉은색 실리카 젤에 염색된 염화 코발트는 독성이 있고 발암 물질로 알려져 있다. 실리카 젤을 재사용하기 위해 가열하면 염색된 염화 코발트가 기화하여 독성 염화 코발트 기체를 형성할 수 있으므로 주의해야 한다.

실리카 젤을 입으로 섭취해도 흡수되지 않기 때문에 전신 독성은 없는 것으로 여겨진다.[28]

참조

[1] 웹사이트 Silica gel http://hazard.com/ms[...]
[2] 웹사이트 Silica gel http://www.chemcas.o[...]
[3] 웹사이트 Silicon dioxide https://echa.europa.[...]
[4] 서적 Crystals in Gels and Liesegang Rings https://books.google[...] Cambridge University Press
[5] 간행물 Research Universities and Local Economic Development: Lessons from the History of the Johns Hopkins University http://www.rotman.ut[...] 2003-03
[6] 문서 REDIRECT
[7] 웹사이트 How To Recharge Silica Gel Crystals https://www.beyondph[...] 2022-11-02
[8] 웹사이트 Preparation of High-Silica Zeolite Beads From Silica Gel http://m.wpi.edu/Pub[...] 2011-09-26
[9] 웹사이트 Blue Silicagel & Conclusions: Safety information on blue silicagel http://www.descase-e[...]
[10] 웹사이트 Prevent bacteria from feasting on your fresh produce, causing spoilage https://www.canr.msu[...] 2024-03-08
[11] 서적 Mess Management Specialist 3 & 2 https://books.google[...] Department of Defense, Navy Department, Office of the Chief of Naval Operations], Naval Education and Training Command 1978
[12] 서적 Machinery and Production Engineering https://books.google[...] Machinery Publishing Company 1951
[13] 서적 Floral Design and Marketing https://books.google[...] Ohio Agricultural Education Curriculum Materials Service, the Ohio State University 1988
[14] 서적 IFLA Principles for the Care and Handling of Library Material https://books.google[...] International Federation of Library Associations and Institutions, Core Programme on Preservation and Conservation 1998
[15] 서적 Aerogel: Want to Colonize Mars? Aerogel could help us farm and survive on Mars "in our lifetimes" https://books.google[...] One Billion Knowledgeable 2022-01-16
[16] 웹사이트 Silica Gel http://hazard.com/ms[...] 2008-01-12
[17] 웹사이트 Non-Tech High Tech Litters the Landscape https://www.usatoday[...] USA Today 2008-03-02
[18] 웹사이트 Notification of the GRAS Determination of Silicon Dioxide When Added Directly or Indirectly to Human Food http://www.accessdat[...]
[19] 간행물 Scientific Opinion on the re-evaluation of silicon dioxide (E 551) as a food additive
[20] 웹사이트 GRAS Notice (GRN) No. 298 http://www.accessdat[...]
[21] 웹사이트 ZeroWater http://zerowater.com[...]
[22] 간행물 The surface structure of silica gel
[23] 웹사이트 Classifications - CL Inventory http://echa.europa.e[...]
[24] 웹사이트 Methyl Violet Safety Data Sheet http://www.labchem.c[...]
[25] 특허 Humidity indicators https://patents.goog[...]
[26] 웹사이트 SORBSIL CHAMELEON Safety Data Sheet https://www.oker-che[...]
[27] 웹사이트 Material Safety Data Sheet: Silica Gel Dessiccant https://www2.atmos.u[...] 2008-01-12
[28] 웹사이트 시리카겔 https://web.archive.[...] 財団法人日本中毒情報センター 2010-07-15
[29] 문서 일반적으로 사용하는 식품용 실리카 젤은 공업용 실리카 젤과 제법이 다르므로 안전하다.
[30] 웹인용 "Silica Gel Dessicant" http://www.atmos.umd[...] 1997-02-09


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