Sito molekularne to materiał z porami (bardzo małymi otworami) o jednolitym rozmiarze

Sito molekularne to materiał z porami (bardzo małymi otworami) o jednolitym rozmiarze. Średnice tych porów są podobne do małych cząsteczek, a zatem duże cząsteczki nie mogą wejść ani zostać zaadsorbowane, podczas gdy mniejsze cząsteczki mogą. Gdy mieszanina cząsteczek migruje przez stacjonarne złoże porowatej, półstałej substancji zwanej sitem (lub matrycą), składniki o najwyższej masie cząsteczkowej (które nie są w stanie przejść do porów molekularnych) opuszczają złoże jako pierwsze, a następnie kolejno mniejsze cząsteczki. Niektóre sita molekularne są używane w chromatografii wykluczania wielkościowego, technice separacji, która sortuje cząsteczki na podstawie ich rozmiaru. Inne sita molekularne są używane jako środki pochłaniające wilgoć (niektóre przykłady obejmują węgiel aktywowany i żel krzemionkowy).
Średnicę porów sita molekularnego mierzy się w angstremach (Å) lub nanometrach (nm). Zgodnie z notacją IUPAC materiały mikroporowate mają średnice porów mniejsze niż 2 nm (20 Å), a materiały makroporowate mają średnice porów większe niż 50 nm (500 Å); kategoria mezoporowata znajduje się zatem pośrodku ze średnicami porów pomiędzy 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 glina wykazuje odstęp między warstwami wynoszący 1 nm, a po odwodnieniu (meta-haloysyt) odstęp wynosi 0,7 nm. Halloysyt naturalnie występuje jako małe cylindry 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 suszenia strumieni gazu. Na przykład w przemyśle gazu ziemnego w stanie ciekłym (LNG) zawartość wody w gazie musi zostać zmniejszona do mniej niż 1 ppmv, aby zapobiec blokadom spowodowanym przez lód lub klatrat metanu.
W laboratorium sita molekularne są używane do suszenia rozpuszczalnika. „Sita” okazały się lepsze od tradycyjnych technik suszenia, które często wykorzystują agresywne środki osuszające.
Pod nazwą zeolity sita molekularne są używane w szerokim zakresie zastosowań katalitycznych. Katalizują izomeryzację, alkilację i epoksydację i są używane w procesach przemysłowych na dużą skalę, w tym hydrokrakingu i fluidalnym krakingu katalitycznym.
Są one również stosowane do filtracji powietrza zasilającego aparaty oddechowe, na przykład te używane przez nurków i strażaków. W takich zastosowaniach powietrze jest dostarczane przez sprężarkę powietrza i przepuszczane przez filtr wkładowy, który w zależności od zastosowania jest wypełniony sitem molekularnym i/lub węglem aktywnym, a następnie jest używany do ładowania zbiorników powietrza do oddychania. Taka filtracja może usuwać cząstki stałe i produkty wydechu sprężarki z powietrza do oddychania.
Zatwierdzenie FDA.
1 kwietnia 2012 r. amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła glinokrzemian sodu do bezpośredniego kontaktu z artykułami konsumpcyjnymi zgodnie z 21 CFR 182.2727. Przed tą zgodą Unia Europejska stosowała sita molekularne w produktach farmaceutycznych, a niezależne testy wykazały, że sita molekularne spełniają wszystkie wymogi rządowe. Jednak branża nie była skłonna finansować kosztownych testów wymaganych do zatwierdzenia przez rząd.
Regeneracja
Metody regeneracji sit molekularnych obejmują zmianę ciśnienia (jak w koncentratorach tlenu), ogrzewanie i oczyszczanie gazem nośnym (jak w przypadku odwadniania etanolu) lub ogrzewanie w warunkach 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 regenerować, podgrzewając go w zwykłym piecu do 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 podczas kontaktu z wodą.

Model	Średnica porów (angström)	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 ciekłych lub gazowych, np. w opakowaniach leków, podzespołów elektrycznych i nietrwałych chemikaliów; wychwytywanie wody w układach drukowania i tworzyw sztucznych oraz suszenie strumieni nasyconych węglowodorów. Zaadsorbowane gatunki obejmują SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 i C3H6. Ogólnie uważany za uniwersalny środek suszący w mediach polarnych i niepolarnych;[12]separacjagaz ziemnyIalkeny, adsorpcja wody w środowisku nie wrażliwym na azotpoliuretan
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Odtłuszczanie i obniżanie temperatury płynięcialotnictwo nafta oczyszczonaIdieseli rozdzielenie alkenów
5Å mały wzbogacony tlenem	5	0,4–0,8	≥23		Specjalnie zaprojektowany do medycznych lub zdrowotnych 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 odpowiadającewęglowodory ciekłe

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, których średnica jest większa niż 3 Å. Charakterystyka tych sit molekularnych obejmuje szybką prędkość adsorpcji, częstą zdolność regeneracji, dobrą odporność na kruszenie iodporność na zanieczyszczenia. Te cechy mogą poprawić zarówno wydajność, jak i żywotność sita. Sita molekularne 3Å są niezbędnym środkiem pochłaniającym wilgoć 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 jest wykorzystywane do usuwania wody z etanolu, który może być później bezpośrednio wykorzystany jako biopaliwo lub pośrednio do produkcji różnych produktów, takich jak chemikalia, żywność, produkty farmaceutyczne i inne. Ponieważ normalna destylacja nie może usunąć całej wody (niepożądanego produktu ubocznego produkcji etanolu) ze strumieni procesu etanolu ze względu na tworzenie sięazeotropprzy stężeniu około 95,6 procent wagowych, kulki sita molekularnego są używane do oddzielania etanolu i wody na poziomie molekularnym poprzez adsorbowanie wody do kulek i umożliwienie swobodnego przepływu etanolu. Gdy kulki są pełne wody, można manipulować temperaturą lub ciśnieniem, umożliwiając uwolnienie wody z kulek sita molekularnego.[15]

Sita molekularne 3Å przechowuje się w temperaturze pokojowej, przy wilgotności względnej nie większej niż 90%. Są one uszczelniane pod zmniejszonym ciśnieniem, z dala od wody, kwasów i zasad.

4Å

Wzór chemiczny: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

Stosunek krzemu do aluminium: 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 „pieczenie” 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 suszenia 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 suszeniu, rafinacji i oczyszczaniu cieczy i gazów (np. do przygotowywania argonu).

 

Dodatki do poliestrów[redagować]

Te sita molekularne są stosowane w celu wspomagania detergentów, ponieważ mogą wytwarzać zdemineralizowaną wodę poprzezwapńwymiana jonowa, usuwają i zapobiegają osadzaniu się brudu. Są szeroko stosowane do wymianyfosforSito molekularne 4Å odgrywa ważną rolę w zastępowaniu tripolifosforanu sodu jako środka pomocniczego detergentu w celu złagodzenia wpływu detergentu na środowisko. Może być również stosowane jakomydłośrodek formujący i wpasta do zębów.

Utylizacja 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 stosowano również do usuwania jonów metali ciężkich obecnych w wodzie na skutek działalności przemysłowej.

Inne cele

Tenprzemysł metalurgiczny: środek separujący, separacja, ekstrakcja solanki potasowej,rubid,cezitd.

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, zwłaszcza do oczyszczania strumieni gazowych i w laboratorium chemicznym do oddzielaniazwiązkii materiały wyjściowe reakcji suszenia. Zawierają one drobne pory o precyzyjnym i jednolitym rozmiarze i są głównie stosowane jako adsorbent gazów i cieczy.

Do suszenia stosuje się sita molekularne o średnicy pięciu angströmówgaz ziemny, wraz z wykonywaniemodsiarczanieIdekarbonizacjagazu. Mogą być również stosowane do oddzielania mieszanin tlenu, azotu i wodoru oraz węglowodorów n-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 bezpośrednio narażone na działanie powietrza i wody, należy unikać kwasów i zasad.

Morfologia sit molekularnych

Sita molekularne są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach. Jednak kulki sferyczne mają przewagę nad innymi kształtami, ponieważ oferują niższy spadek ciśnienia, są odporne na ścieranie, ponieważ nie mają ostrych krawędzi i mają dobrą wytrzymałość, tj. siła zgniatania wymagana na jednostkę powierzchni jest wyższa. Niektóre kulkowe sita molekularne oferują niższą pojemność cieplną, a tym samym niższe zapotrzebowanie na energię podczas regeneracji.

Inną zaletą stosowania sit molekularnych z koralikami jest to, że gęstość nasypowa jest zwykle wyższa niż w przypadku innych kształtów, zatem dla tych samych wymagań adsorpcji wymagana objętość sita molekularnego jest mniejsza. Tak więc podczas usuwania wąskich gardeł można używać sit molekularnych z koralikami, ładować więcej adsorbentu w tej samej objętości i unikać wszelkich modyfikacji naczyń.