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Simultaneous determination of the spectroscopic and adsorption isotherms of water on silica

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Abstract

The changes in the near infrared spectra of the porous 96% silica glass-water system were determined, simultaneously with the vapour pressure and the adsorbate concentration, during a complete adsorption cycle. The heating effect of the analyzing undispersed infrared beam was eliminated. From the absorbance vs concentration plots it is inferred that the “free” silanol groups are the main adsorption centres and the ratio of H2O to OH is 1:1 in the monolayer. The results indicate that the Corning 7,930 porous silica has micropores and a portion of the adsorbed water exists in an unperturbed state over the entire concentration region.

Résumé

On a étudié le mécanisme de l'adsorption de l'eau sur la silice au moyen d'une méthode qui consiste à déterminer simultanément la concentration superficielle, la pression de vapeur et le spectre infrarouge. On est passé d'une concentration d'eau nulle à la pleine saturation en plus de 60 étapes. L'appareil à haut vide utilisé comprend un tube de silice dans lequel l'adsorbant poreux à 96% de silice est suspendu à une hélice de silice et placé dans la trajectoire d'un rayon de lumière du spectrophotomètre. On a observé que le rayon non dispersé du spectrophotomètre infrarouge ordinaire augmente de 24 °C la température de l'échantillon. Cette chaleur, qui modifie considérablement la concentration superficielle, a pu être éliminée dans la présente expérience, et la quantité d'eau adsorbée a été déterminée par gravimétrie en même temps que se faisaient les mesures spectroscopiques.

L'adsorption apparente des bandes 7,330 et 4,540 cm−1 diminue de façon logarithmique, et celle des bandes 5,270 et 7,150 cm−1 augmente de façon linéaire, à mesure qu'augmente la concentration d'eau. Puisque les premières bandes sont dues aux groupes libres de silanol en surface, les résultats appuient fortement l'hypothèse que c'est bien sur ceux-ci, et non sur d'autres groupes, que se produit l'adsorption de l'eau. Le taux de l'augmentation d'intensité des bandes 5,270 et 7,150 cm−1, qui sont associées avec l'eau adsorbée, change à une concentration de 2 mmoles/g, région dans laquelle l'intensité des bandes dues aux groupes libres de silanol atteint une valeur très faible. Par là on pourrait montrer que le rapport H2O/Si-OH dans la monocouche est de 1: 1. Les résultats suggèrent également que ce genre de verre poreux (Corning 7,930) contient des micropores qui commencent à s'emplir bien avant le début de la boucle d'hystérésis de l'isotherme d'adsorption. Cela concorde avec d'autres études sur l'adsorption, dans lesquelles on a décelé une boucle secondaire d'hystérésis. On a observé qu'une partie de l'eau adsorbée existe à l'état non perturbé, du point de vue spectroscopique, sur toute la région de concentration.

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Authors and Affiliations

  1. Division of Building Research, National Research Council of Canada, Ottawa, Canada

    G. G. Litvan Ph. D. & R. S. Yamasaki

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  1. G. G. Litvan Ph. D.
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  2. R. S. Yamasaki
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Litvan, G.G., Yamasaki, R.S. Simultaneous determination of the spectroscopic and adsorption isotherms of water on silica. Mat. Constr. 5, 199–207 (1972). https://doi.org/10.1007/BF02474069

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