Sito molekularne to materiał o porach (bardzo małych otworach) o jednakowej wielkości. Średnice tych porów są zbliżone rozmiarem do średnic małych cząsteczek, a zatem duże cząsteczki nie mogą wnikać ani być adsorbowane, podczas gdy mniejsze cząsteczki tak. Gdy mieszanina cząsteczek migruje przez stacjonarne złoże porowatej, półstałej substancji zwanej sitem (lub matrycą), składniki o najwyższej masie cząsteczkowej (które nie są w stanie wniknąć do porów molekularnych) opuszczają złoże jako pierwsze, a następnie kolejne mniejsze cząsteczki. Niektóre sita molekularne są wykorzystywane w chromatografii wykluczania molekularnego, technice separacyjnej, która sortuje cząsteczki na podstawie ich wielkości. Inne sita molekularne są wykorzystywane jako środki osuszające (niektóre przykłady obejmują węgiel aktywny i żel krzemionkowy).
Średnicę porów sita molekularnego mierzy się w angstremach (Å) lub nanometrach (nm). Zgodnie z notacją IUPAC, materiały mikroporowate mają średnicę porów mniejszą niż 2 nm (20 Å), a materiały makroporowate mają średnicę porów większą niż 50 nm (500 Å); kategoria mezoporowatych znajduje się zatem pośrodku, ze średnicą porów między 2 a 50 nm (20–500 Å).
Przybory
Sita molekularne mogą być wykonane z materiału mikroporowatego, mezoporowatego lub makroporowatego.
Materiał mikroporowaty (
●Zeolity (minerały glinokrzemianowe, nie należy ich mylić z krzemianem glinu)
●Zeolit LTA: 3–4 Å
●Szkło porowate: 10 Å (1 nm) i więcej
●Węgiel aktywny: 0–20 Å (0–2 nm) i więcej
●Gliny
●Mieszaniny montmorylonitu
●Halloysyt (endelit): Występują dwie powszechne formy. Po uwodnieniu ił charakteryzuje się odstępem między warstwami wynoszącym 1 nm, a po odwodnieniu (meta-haloysyt) odstęp wynosi 0,7 nm. Halloysyt naturalnie występuje w postaci małych cylindrów o średniej średnicy 30 nm i długości od 0,5 do 10 mikrometrów.
Materiał mezoporowaty (2–50 nm)
Dwutlenek krzemu (stosowany do produkcji żelu krzemionkowego): 24 Å (2,4 nm)
Materiał makroporowaty (>50 nm)
Krzemionka makroporowata, 200–1000 Å (20–100 nm)
Aplikacje[edytuj]
Sita molekularne są często wykorzystywane w przemyśle naftowym, zwłaszcza do osuszania strumieni gazu. Na przykład w przemyśle skroplonego gazu ziemnego (LNG) zawartość wody w gazie musi zostać zmniejszona do wartości poniżej 1 ppmv, aby zapobiec zatorom spowodowanym lodem lub klatratem metanu.
W laboratorium sita molekularne służą do suszenia rozpuszczalników. „Sita” okazały się skuteczniejsze niż tradycyjne techniki suszenia, które często wykorzystują agresywne środki osuszające.
Pod nazwą zeolity sita molekularne znajdują szerokie zastosowanie w katalizie. Katalizują one izomeryzację, alkilację i epoksydację, a także są wykorzystywane w procesach przemysłowych na dużą skalę, w tym w hydrokrakingu i fluidalnym krakingu katalitycznym.
Są one również wykorzystywane do filtracji powietrza do aparatów oddechowych, na przykład używanych przez nurków i strażaków. W takich zastosowaniach powietrze jest dostarczane przez sprężarkę i przepuszczane przez filtr kasetowy, który w zależności od zastosowania jest wypełniony sitem molekularnym i/lub węglem aktywnym, a następnie wykorzystywany do napełniania zbiorników powietrza do oddychania. Taka filtracja może usuwać cząstki stałe i produkty spalania sprężarki z powietrza do oddychania.
Zatwierdzenie FDA.
Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła 1 kwietnia 2012 r. glinokrzemian sodu do bezpośredniego kontaktu z artykułami konsumpcyjnymi zgodnie z 21 CFR 182.2727. Przed tą decyzją Unia Europejska stosowała sita molekularne w produktach farmaceutycznych, a niezależne testy sugerowały, że sita molekularne spełniają wszystkie wymogi rządowe. Branża nie była jednak skłonna do finansowania kosztownych testów wymaganych do zatwierdzenia przez rząd.
Regeneracja
Metody regeneracji sit molekularnych obejmują zmianę ciśnienia (jak w koncentratorach tlenu), ogrzewanie i przedmuchiwanie gazem nośnym (jak w przypadku odwadniania etanolu) lub ogrzewanie w wysokiej próżni. Temperatury regeneracji wahają się od 175°C (350°F) do 315°C (600°F), w zależności od rodzaju sita molekularnego. Natomiast żel krzemionkowy można zregenerować, podgrzewając go w zwykłym piecu do temperatury 120°C (250°F) przez dwie godziny. Jednak niektóre rodzaje żelu krzemionkowego „pękają” po wystawieniu na działanie wystarczającej ilości wody. Jest to spowodowane pękaniem kulek krzemionkowych w kontakcie z wodą.
| Model | Średnica porów (Ångström) | Gęstość nasypowa (g/ml) | Zaadsorbowana woda (% w/w) | Ścieranie lub otarcie, W(% w/w) | Stosowanie |
| 3Å | 3 | 0,60–0,68 | 19–20 | 0,3–0,6 | Osuszaniezkraking ropy naftowejgaz i alkeny, selektywna adsorpcja H2O wszkło zespolone (IG)i poliuretanu, suszeniepaliwo etanolowedo mieszania z benzyną. |
| 4Å | 4 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,6 | Adsorpcja wody wglinokrzemian soduktóry jest zatwierdzony przez FDA (zobaczponiżej) stosowany jako sito molekularne w pojemnikach medycznych, aby utrzymać zawartość w suchości i jakododatek do żywnościmającyNumer EE-554 (środek przeciwzbrylający); Preferowany do statycznego odwadniania w zamkniętych układach cieczowych lub gazowych, np. w opakowaniach leków, podzespołów elektrycznych i łatwo psujących się chemikaliów; do usuwania wody w systemach drukarskich i przetwórstwa tworzyw sztucznych oraz do suszenia strumieni nasyconych węglowodorów. Adsorbowane substancje obejmują SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 i C3H6. Ogólnie uważany za uniwersalny środek osuszający w mediach polarnych i niepolarnych;[12]separacjagaz ziemnyIalkeny, adsorpcja wody w materiałach niewrażliwych na azotpoliuretan |
| 5Å-DW | 5 | 0,45–0,50 | 21–22 | 0,3–0,6 | Odtłuszczanie i obniżanie temperatury płynięcialotnictwo nafta oczyszczonaIdieseli separacja alkenów |
| 5Å mały wzbogacony tlenem | 5 | 0,4–0,8 | ≥23 | Specjalnie zaprojektowany do medycznych lub prozdrowotnych generatorów tlenu.potrzebne źródło] | |
| 5Å | 5 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,5 | Osuszanie i oczyszczanie powietrza;odwodnienieIodsiarczaniegazu ziemnego igaz płynny;tlenIwodórprodukcja przezadsorpcja zmiennociśnieniowaproces |
| 10X | 8 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,6 | Wysokoefektywna sorpcja, stosowana w osuszaniu, dekarbonizacji, odsiarczaniu gazów i cieczy oraz separacjiwęglowodór aromatyczny |
| 13X | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Osuszanie, odsiarczanie i oczyszczanie gazu ziemnego i ropy naftowej |
| 13X-AS | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Odwęglaniei osuszanie w przemyśle separacji powietrza, oddzielanie azotu od tlenu w koncentratorach tlenu |
| Cu-13X | 10 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,5 | Słodzenie(usunięcietiole) zpaliwo lotniczei odpowiadająceciekłe węglowodory |
Możliwości adsorpcji
3Å
Przybliżony wzór chemiczny: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O
Stosunek krzemionki do tlenku glinu: SiO2/ Al2O3≈2
Produkcja
Sita molekularne 3A powstają w wyniku wymiany kationówpotasDosódw sitach molekularnych 4A (patrz poniżej)
Stosowanie
Sita molekularne 3Å nie adsorbują cząsteczek o średnicy większej niż 3 Å. Cechami charakterystycznymi tych sit molekularnych są: duża prędkość adsorpcji, zdolność do częstej regeneracji, dobra odporność na zgniatanie iodporność na zanieczyszczeniaCechy te mogą poprawić zarówno wydajność, jak i żywotność sita. Sita molekularne 3Å są niezbędnym środkiem osuszającym w przemyśle naftowym i chemicznym do rafinacji ropy naftowej, polimeryzacji i chemicznego suszenia na głębokość gazu i cieczy.
Sita molekularne 3Å są stosowane do suszenia różnych materiałów, takich jak:etanol, powietrze,czynniki chłodnicze,gaz ziemnyIwęglowodory nienasyconeDo tych ostatnich zalicza się gaz krakingowy,acetylen,etylen,propylenIbutadien.
Sito molekularne 3Å służy do usuwania wody z etanolu, który może być później bezpośrednio wykorzystany jako biopaliwo lub pośrednio do produkcji różnych produktów, takich jak chemikalia, żywność, leki i inne. Ponieważ zwykła destylacja nie jest w stanie usunąć całej wody (niepożądanego produktu ubocznego produkcji etanolu) ze strumieni procesowych etanolu ze względu na tworzenie sięazeotropPrzy stężeniu wagowym około 95,6%, sita molekularne służą do rozdzielania etanolu i wody na poziomie molekularnym poprzez adsorpcję wody w sitach i umożliwienie swobodnego przepływu etanolu. Po napełnieniu sit można regulować temperaturę lub ciśnienie, co pozwala na uwolnienie wody z sit molekularnych.[15]
Sita molekularne 3Å przechowuje się w temperaturze pokojowej, przy wilgotności względnej nieprzekraczającej 90%. Są one zamykane pod obniżonym ciśnieniem, z dala od wody, kwasów i zasad.
4Å
Wzór chemiczny: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O
Stosunek krzemu do glinu: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)
Produkcja
Produkcja sita 4Å jest stosunkowo prosta, ponieważ nie wymaga ani wysokich ciśnień, ani szczególnie wysokich temperatur. Zazwyczaj stosuje się roztwory wodnekrzemian soduIglinian sodusą łączone w temperaturze 80°C. Produkt impregnowany rozpuszczalnikiem jest „aktywowany” poprzez „wypiekanie” w temperaturze 400°C. Sita 4A służą jako prekursor sit 3A i 5A przezwymiana kationowazsódDopotas(dla 3A) lubwapń(dla 5A)
Stosowanie
Rozpuszczalniki suszące
Sita molekularne 4Å są szeroko stosowane do osuszania rozpuszczalników laboratoryjnych. Mogą absorbować wodę i inne cząsteczki o średnicy krytycznej mniejszej niż 4 Å, takie jak NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 i C2H4. Są szeroko stosowane w osuszaniu, rafinacji i oczyszczaniu cieczy i gazów (np. do wytwarzania argonu).
Dodatki do środków poliestrowych[redagować]
Te sita molekularne są stosowane jako wspomagacze detergentów, ponieważ mogą wytwarzać zdemineralizowaną wodę poprzezwapńWymiana jonowa, usuwa i zapobiega osadzaniu się brudu. Są szeroko stosowane do wymianyfosforSito molekularne 4Å odgrywa ważną rolę w zastępowaniu tripolifosforanu sodu jako środka pomocniczego detergentu, aby zmniejszyć wpływ detergentu na środowisko. Może być również stosowane jakomydłośrodek formujący i wpasta do zębów.
Przetwarzanie odpadów szkodliwych
Sita molekularne 4Å mogą oczyszczać ścieki z substancji kationowych, takich jak:amonjony Pb2+, Cu2+, Zn2+ i Cd2+. Ze względu na wysoką selektywność względem NH4+ zostały one z powodzeniem zastosowane w terenie do zwalczaniaeutrofizacjai inne skutki w drogach wodnych spowodowane nadmierną ilością jonów amonowych. Sita molekularne 4Å są również stosowane do usuwania jonów metali ciężkich obecnych w wodzie na skutek działalności przemysłowej.
Inne cele
Tenprzemysł metalurgiczny: środek separujący, separacja, ekstrakcja potasu z solanki,rubid,cezitp.
Przemysł petrochemiczny,katalizator,środek pochłaniający wilgoć, adsorbent
Rolnictwo:środek poprawiający właściwości gleby
Medycyna: załaduj srebrozeolitśrodek antybakteryjny.
5Å
Wzór chemiczny: 0,7CaO • 0,30Na2O • Al2O3 • 2,0SiO2 • 4,5H2O
Stosunek krzemionki do tlenku glinu: SiO2/ Al2O3≈2
Produkcja
Sita molekularne 5A powstają w wyniku wymiany kationówwapńDosódw sitach molekularnych 4A (patrz wyżej)
Stosowanie
Pięć-angströmSita molekularne (5Å) są często wykorzystywane wropa naftowaw przemyśle, szczególnie do oczyszczania strumieni gazowych i w laboratorium chemicznym do oddzielaniazwiązkii materiały wyjściowe do reakcji suszenia. Zawierają one drobne pory o precyzyjnym i jednolitym rozmiarze i są stosowane głównie jako adsorbent gazów i cieczy.
Do suszenia stosuje się sita molekularne o średnicy pięciu ångströmówgaz ziemny, wraz z wykonywaniemodsiarczanieIdekarbonizacjagazu. Mogą być również stosowane do oddzielania mieszanin tlenu, azotu i wodoru oraz n-węglowodorów olejowo-woskowych od węglowodorów rozgałęzionych i wielopierścieniowych.
Pięcio-angströmowe sita molekularne są przechowywane w temperaturze pokojowej,wilgotność względnamniej niż 90% w beczkach tekturowych lub opakowaniach kartonowych. Sita molekularne nie powinny być narażone na bezpośrednie działanie powietrza i wody, należy unikać kwasów i zasad.
Morfologia sit molekularnych
Sita molekularne są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach. Kulki kulkowe mają jednak przewagę nad innymi kształtami, ponieważ oferują niższy spadek ciśnienia, są odporne na ścieranie (pozbawione ostrych krawędzi) oraz charakteryzują się dobrą wytrzymałością, tj. wymagają większej siły zgniatania na jednostkę powierzchni. Niektóre kulkowe sita molekularne charakteryzują się niższą pojemnością cieplną, a tym samym mniejszym zapotrzebowaniem na energię podczas regeneracji.
Inną zaletą stosowania sit molekularnych z kulkami jest to, że gęstość nasypowa jest zazwyczaj wyższa niż w przypadku sit o innych kształtach, co oznacza, że dla tych samych wymagań adsorpcyjnych wymagana jest mniejsza objętość sita molekularnego. Dzięki temu, usuwając wąskie gardła, można użyć sit molekularnych z kulkami, załadować więcej adsorbentu w tej samej objętości i uniknąć modyfikacji zbiornika.
Czas publikacji: 18 lipca 2023 r.
