Введение

Фильтрующий материал с однородными порами в нанометровом диапазоне.

Молекулярное сито – это материал с порами одинакового размера. Эти диаметры пор сопоставимы с размерами малых молекул, поэтому крупные молекулы не могут проникнуть внутрь или адсорбироваться, в то время как более мелкие молекулы могут. Когда смесь молекул перемещается через неподвижный слой пористого, полутвердого вещества, называемого ситом (или матрицей), компоненты с наибольшей молекулярной массой (которые не могут пройти в молекулярные поры) покидают слой первыми, за ними следуют последовательно молекулы меньшего размера. Некоторые молекулярные сита используются в гель-проникающей хроматографии – методе разделения, который сортирует молекулы по их размеру. Важное применение – в качестве осушителя. Большинство молекулярных сит представляют собой алюмосиликатные цеолиты с молярным отношением Si/Al менее 2, но существуют также примеры активированного угля и силикагеля. Диаметр пор молекулярного сита измеряется в ангстремах (Å) или нанометрах (нм). Согласно номенклатуре IUPAC, микропористые материалы имеют диаметр пор менее 2 нм (20 Å), а макропористые материалы – более 50 нм (500 Å); мезопористые материалы занимают промежуточное положение с диаметром пор от 2 до 50 нм (20–500 Å).

Материалы

Молекулярные сита могут быть микропористыми, мезопористыми или макропористыми материалами.

Мезопористый материал (250 нм)

Диоксид кремния (используется для изготовления силикагеля): 24 Å (2,4 нм)

Приложения

Молекулярные сита часто используются в нефтяной промышленности, особенно для осушки газовых потоков. Например, в промышленности сжиженного природного газа (СПГ) содержание воды в газе необходимо снизить до менее 1 ppmv для предотвращения закупорок, вызванных льдом или гидратами метана. В лаборатории молекулярные сита применяются для осушки растворителей. Молекулярные сита показали себя лучше традиционных методов осушки, которые часто используют агрессивные осушители. Под названием цеолитов молекулярные сита используются в широком спектре каталитических применений. Они катализируют изомеризацию, алкилирование и эпоксидирование и применяются в крупномасштабных промышленных процессах, включая гидрокрекинг и каталитический крекинг. Они также используются для фильтрации воздуха, подаваемого в дыхательные аппараты, например, используемые дайверами и пожарными. В таких приложениях воздух подается воздушным компрессором и проходит через картриджный фильтр, который, в зависимости от применения, заполнен молекулярными ситами и/или активированным углем, и затем используется для наполнения баллонов с дыхательным воздухом. Такая фильтрация позволяет удалять частицы и продукты выхлопа компрессора из подаваемого дыхательного воздуха.

Утверждение FDA

FDA США одобрило натриевый алюмосиликат для непосредственного контакта с продуктами питания и товарами, предназначенными для потребления, с 1 апреля 2012 года в соответствии с 21 CFR 182.2727. До этого одобрения Европейский Союз использовал молекулярные сита в фармацевтике, а независимые исследования показали, что молекулярные сита соответствуют всем государственным нормам, однако отрасль не хотела финансировать дорогостоящие испытания, необходимые для получения одобрения от регулирующих органов.

Восстановление

Методы регенерации молекулярных сит включают изменение давления (как в кислородных концентраторах), нагрев и продувку инертным газом (как при использовании в дегидратации этанола) или нагрев под высоким вакуумом. Температуры регенерации варьируются от … до … в зависимости от типа молекулярного сита. В отличие от этого, силикагель можно регенерировать нагревом в обычной печи при … в течение двух часов. Однако некоторые типы силикагеля могут разрушаться ("вспыхивать") при контакте с достаточным количеством воды, что вызвано разрушением шариков силикагеля при контакте с водой.

Производство

Производство сита 4А относительно простое, так как не требует ни высокого давления, ни особенно высоких температур. Обычно водные растворы силиката натрия и алюмината натрия смешивают при 80 °C. Продукт, пропитанный растворителем, "активируют" путем "отжига" при 400 °C. Сито 4А является предшественником сит 3А и 5А посредством катионного обмена натрия на калий (для 3А) или кальций (для 5А).

Растворители для сушки

Молекулярные сита 4А широко используются для сушки лабораторных растворителей. Они способны поглощать воду и другие молекулы с критическим диаметром менее 4 Å, такие как NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 и C2H4. Они широко применяются в процессах сушки, очистки и рафинирования жидкостей и газов (например, при получении аргона).

Полиэфирные добавки

Эти молекулярные сита используются в составе моющих средств, так как они способны производить деминерализованную воду за счет ионного обмена кальция, удалять загрязнения и предотвращать их повторное осаждение. Они широко применяются в качестве замены фосфатам. Молекулярное сито 4A играет ключевую роль в замене триполифосфата натрия в качестве вспомогательного компонента моющих средств с целью снижения негативного воздействия на окружающую среду. Оно также может использоваться в качестве компонента для производства мыла и в зубных пастах.

Обработка вредных отходов

Молекулярные сита 4А способны очищать сточные воды от катионных соединений, таких как ионы аммония, Pb2+, Cu2+, Zn2+ и Cd2+. Благодаря высокой селективности к NH4+ они успешно применяются на практике для борьбы с эвтрофикацией и другими последствиями избыточного содержания ионов аммония в водоемах. Молекулярные сита 4А также используются для удаления ионов тяжелых металлов, попадающих в воду в результате промышленной деятельности.

Использование

Молекулярные сита с размером пор пять ангстрем (5Å) часто используются в нефтеперерабатывающей промышленности, особенно для очистки газовых потоков, а также в химических лабораториях для разделения соединений и сушки исходных реактивов. Они содержат крошечные поры точного и однородного размера и в основном применяются в качестве адсорбентов для газов и жидкостей. Молекулярные сита с размером пор пять ангстрем используются для осушки природного газа, а также для десульфуризации и декарбонизации газа. Они также могут применяться для разделения смесей кислорода, азота и водорода, а также нефтяного воска и углеводородов от разветвленных и полициклических углеводородов. Молекулярные сита с размером пор пять ангстрем хранятся при комнатной температуре при относительной влажности менее 90% в картонных барабанах или картонной упаковке. Следует избегать прямого контакта молекулярных сит с воздухом и водой, а также воздействием кислот и щелочей.

Морфология молекулярных ситов

Молекулярные сита доступны в различных формах и размерах. Однако сферические гранулы обладают преимуществами перед другими формами, поскольку обеспечивают меньшее перепадение давления, устойчивы к истиранию благодаря отсутствию острых краев и обладают высокой прочностью, то есть требуется большее усилие для разрушения на единицу площади. Некоторые гранулированные молекулярные сита имеют более низкую теплоемкость, что снижает энергозатраты на регенерацию. Другим преимуществом использования гранулированных молекулярных сит является обычно более высокая объемная плотность по сравнению с другими формами, что позволяет использовать меньший объем сита для одинаковых требований к адсорбции. Таким образом, при устранении узких мест можно использовать гранулированные молекулярные сита, загружать больший объем адсорбента в тот же объем и избегать модификации аппарата.