Молекулярное сито — это материал с порами (очень маленькими отверстиями) одинакового размера.

Молекулярное сито — это материал с порами (очень маленькими отверстиями) одинакового размера. Диаметры этих пор аналогичны размерам малых молекул, и, таким образом, большие молекулы не могут проникнуть или адсорбироваться, в то время как более мелкие молекулы могут. Когда смесь молекул мигрирует через неподвижный слой пористого полутвердого вещества, называемого ситом (или матрицей), компоненты с самой высокой молекулярной массой (которые не могут проникнуть в молекулярные поры) покидают слой первыми, за ними следуют последовательно более мелкие молекулы. Некоторые молекулярные сита используются в эксклюзионной хроматографии — методе разделения, который сортирует молекулы по их размеру. Другие молекулярные сита используются в качестве осушителей (некоторые примеры включают активированный уголь и силикагель).
Диаметр пор молекулярного сита измеряется в ангстремах (Å) или нанометрах (нм). Согласно обозначению ИЮПАК, микропористые материалы имеют диаметр пор менее 2 нм (20 Å), а макропористые материалы имеют диаметр пор более 50 нм (500 Å); мезопористая категория, таким образом, находится посередине с диаметром пор от 2 до 50 нм (20–500 Å).
Материалы
Молекулярные сита могут быть микропористыми, мезопористыми или макропористыми материалами.
Микропористый материал (
●Цеолиты (алюмосиликатные минералы, не путать с силикатом алюминия)
●Цеолит LTA: 3–4 Å
●Пористое стекло: 10 Å (1 нм) и более
●Активированный уголь: 0–20 Å (0–2 нм) и больше
●Глины
●Монтмориллонитовые смеси
●Галлуазит (энделлит): Обнаружены две общие формы, при гидратации глина показывает расстояние между слоями 1 нм, а при дегидратации (мета-галлуазит) расстояние составляет 0,7 нм. Галлуазит в природе встречается в виде небольших цилиндров, средний диаметр которых составляет 30 нм, а длина — от 0,5 до 10 микрометров.
Мезопористый материал (2–50 нм)
Диоксид кремния (используется для изготовления силикагеля): 24 Å (2,4 нм)
Макропористый материал (>50 нм)
Макропористый кремнезем, 200–1000 Å (20–100 нм)
Приложения[править]
Молекулярные сита часто используются в нефтяной промышленности, особенно для осушки газовых потоков. Например, в отрасли сжиженного природного газа (СПГ) содержание воды в газе должно быть снижено до менее 1 ppmv, чтобы предотвратить закупорки, вызванные льдом или метановым клатратом.
В лаборатории молекулярные сита используются для сушки растворителя. «Сита» доказали свое превосходство над традиционными методами сушки, в которых часто используются агрессивные осушители.
Под термином цеолиты молекулярные сита используются для широкого спектра каталитических применений. Они катализируют изомеризацию, алкилирование и эпоксидирование и используются в крупномасштабных промышленных процессах, включая гидрокрекинг и каталитический крекинг с флюидом.
Они также используются для фильтрации воздуха для дыхательных аппаратов, например, используемых аквалангистами и пожарными. В таких приложениях воздух подается воздушным компрессором и проходит через картриджный фильтр, который, в зависимости от приложения, заполнен молекулярным ситом и/или активированным углем, и в конечном итоге используется для зарядки баллонов с воздухом для дыхания. Такая фильтрация может удалять твердые частицы и продукты выхлопа компрессора из подачи воздуха для дыхания.
Одобрение FDA.
1 апреля 2012 года Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) одобрило алюмосиликат натрия для прямого контакта с расходными материалами в соответствии с 21 CFR 182.2727. До этого одобрения Европейский союз использовал молекулярные сита в фармацевтических препаратах, и независимые испытания показали, что молекулярные сита соответствуют всем государственным требованиям, но отрасль не захотела финансировать дорогостоящие испытания, необходимые для получения государственного одобрения.
Регенерация
Методы регенерации молекулярных сит включают изменение давления (как в кислородных концентраторах), нагрев и продувку газом-носителем (как при дегидратации этанола) или нагрев в условиях высокого вакуума. Температуры регенерации варьируются от 175 °C (350 °F) до 315 °C (600 °F) в зависимости от типа молекулярного сита. Напротив, силикагель можно регенерировать, нагревая его в обычной печи до 120 °C (250 °F) в течение двух часов. Однако некоторые типы силикагеля «лопаются» при воздействии достаточного количества воды. Это вызвано разрушением кремниевых сфер при контакте с водой.

Модель	Диаметр пор (Ангстрем)	Насыпная плотность (г/мл)	Адсорбированная вода (% по массе)	Истирание или абразивный износ, W(% по массе)	Использование
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Высушиваниеизкрекинг нефтигаз и алкены, селективная адсорбция H2O встеклопакеты (IG)и полиуретан, сушкаэтаноловое топливодля смешивания с бензином.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Адсорбция воды валюмосиликат натриякоторый одобрен FDA (см.ниже) используется в качестве молекулярного сита в медицинских контейнерах для сохранения содержимого сухим и какпищевая добавкаимеяE-номерE-554 (агент, препятствующий слеживанию); Предпочтителен для статической дегидратации в закрытых жидкостных или газовых системах, например, при упаковке лекарств, электрических компонентов и скоропортящихся химикатов; удаления воды в системах печати и производства пластика и сушки насыщенных углеводородных потоков. Адсорбируемые виды включают SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 и C3H6. Обычно считается универсальным осушителем в полярных и неполярных средах;[12]разделениеприродный газиалкены, адсорбция воды в нечувствительных к азотуполиуретан
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Обезжиривание и понижение температуры застыванияавиация керосинидизель, и разделение алкенов
5Å небольшой, обогащенный кислородом	5	0,4–0,8	≥23		Специально разработан для медицинского или здорового генератора кислорода.необходима ссылка]
5Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Осушение и очистка воздуха;обезвоживаниеидесульфурацияприродного газа исжиженный нефтяной газ;кислородиводородпроизводствоадсорбция при переменном давлениипроцесс
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Высокоэффективная сорбция, используемая при осушке, обезуглероживании, десульфуризации газов и жидкостей, а также разделенииароматический углеводород
13X	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Осушка, десульфурация и очистка нефтяного и природного газа
13X-АС	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Обезуглероживаниеи осушка в воздухоразделительной промышленности, отделение азота от кислорода в кислородных концентраторах
Cu-13X	10	0,50–0,60	23–24	0,3–0,5	Подслащивание(удалениетиолы) изавиационное топливои соответствующийжидкие углеводороды

Адсорбционные возможности

3Å

Примерная химическая формула: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3 • 2 SiO2 • 9/2 H2O

Соотношение кремнезема и алюминия: SiO2/Al2O3≈2

Производство

Молекулярные сита 3А производятся путем катионного обменакалийдлянатрийв молекулярных ситах 4А (см. ниже)

Использование

Молекулярные сита 3Å не адсорбируют молекулы, диаметр которых больше 3 Å. Характеристики этих молекулярных сит включают в себя высокую скорость адсорбции, способность к частой регенерации, хорошую устойчивость к раздавливанию иустойчивость к загрязнению. Эти особенности могут улучшить как эффективность, так и срок службы сита. Молекулярные сита 3Å являются необходимым осушителем в нефтяной и химической промышленности для очистки нефти, полимеризации и химической глубинной сушки газа и жидкости.

Молекулярные сита 3Å используются для сушки различных материалов, таких какэтанол, воздух,хладагенты,природный газинепредельные углеводороды. К последним относятся крекинг-газ,ацетилен,этилен,пропиленибутадиен.

Молекулярное сито 3Å используется для удаления воды из этанола, который впоследствии может быть использован напрямую в качестве биотоплива или косвенно для производства различных продуктов, таких как химикаты, продукты питания, фармацевтические препараты и т. д. Поскольку обычная дистилляция не может удалить всю воду (нежелательный побочный продукт производства этанола) из технологических потоков этанола из-за образованияазеотроппри концентрации около 95,6 процентов по весу, гранулы молекулярного сита используются для разделения этанола и воды на молекулярном уровне путем адсорбции воды в гранулы и позволяя этанолу свободно проходить. После того, как гранулы заполнены водой, можно манипулировать температурой или давлением, позволяя воде высвобождаться из гранул молекулярного сита.[15]

Молекулярные сита 3Å хранятся при комнатной температуре и относительной влажности не более 90%. Они запечатаны при пониженном давлении, защищены от воды, кислот и щелочей.

4Å

Химическая формула: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

Соотношение кремния и алюминия: 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)

Производство

Производство сита 4Å относительно просто, так как не требует ни высокого давления, ни особенно высоких температур. Обычно водные растворысиликат натрияиалюминат натрияобъединяются при 80 °C. Пропитанный растворителем продукт «активируется» путем «выпекания» при 400 °C. Сита 4A служат предшественниками сит 3A и 5A черезкатионный обменизнатрийдлякалий(для 3А) иликальций(для 5А)

Использование

Растворители для сушки

Молекулярные сита 4Å широко используются для сушки лабораторных растворителей. Они могут поглощать воду и другие молекулы с критическим диаметром менее 4 Å, такие как NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 и C2H4. Они широко используются при сушке, очистке и рафинировании жидкостей и газов (например, при получении аргона).

 

Добавки к полиэфирным агентам[редактировать]

Эти молекулярные сита используются в качестве вспомогательных средств для моющих средств, поскольку они могут производить деминерализованную воду посредствомкальцийионный обмен, удаляют и предотвращают отложение грязи. Они широко используются для заменыфосфор. Молекулярное сито 4Å играет важную роль в замене триполифосфата натрия в качестве вспомогательного моющего средства для смягчения воздействия моющего средства на окружающую среду. Его также можно использовать в качествемылоформовочный агент и взубная паста.

Переработка вредных отходов

Молекулярные сита 4Å могут очищать сточные воды от катионных частиц, таких какаммонийионы Pb2+, Cu2+, Zn2+ и Cd2+. Благодаря высокой селективности к NH4+ они успешно применяются в полевых условиях для борьбы сэвтрофикацияи другие эффекты в водных путях из-за избыточного содержания ионов аммония. Молекулярные сита 4Å также использовались для удаления ионов тяжелых металлов, присутствующих в воде из-за промышленной деятельности.

Другие цели

Theметаллургическая промышленность: разделяющий агент, разделение, извлечение рассола калия,рубидий,цезий, и т. д.

Нефтехимическая промышленность,катализатор,осушитель, адсорбент

Сельское хозяйство:кондиционер для почвы

Лекарство: заряд серебрацеолитантибактериальное средство.

5Å

Химическая формула: 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2•4,5H2O

Соотношение кремнезема и алюминия: SiO2/Al2O3≈2

Производство

Молекулярные сита 5А производятся путем катионного обменакальцийдлянатрийв молекулярных ситах 4А (см. выше)

Использование

Пять-ангстрем(5Å) молекулярные сита часто используются внефтьпромышленности, особенно для очистки газовых потоков и в химической лаборатории для разделениясоединенияи исходные материалы для реакции сушки. Они содержат крошечные поры точного и однородного размера и в основном используются в качестве адсорбента для газов и жидкостей.

Молекулярные сита с размером ячеек 5 ангстрем используются для сушкиприродный газ, вместе с исполнениемдесульфурацияидекарбонизациягаза. Их также можно использовать для разделения смесей кислорода, азота и водорода, а также масляно-парафиновых н-углеводородов от разветвленных и полициклических углеводородов.

Молекулярные сита размером пять ангстрем хранятся при комнатной температуре, сотносительная влажностьменее 90% в картонных бочках или картонной упаковке. Молекулярные сита не должны подвергаться прямому воздействию воздуха и воды, кислот и щелочей.

Морфология молекулярных сит

Молекулярные сита доступны в различных формах и размерах. Но сферические шарики имеют преимущество перед другими формами, поскольку они обеспечивают более низкий перепад давления, устойчивы к истиранию, поскольку не имеют острых краев, и обладают хорошей прочностью, т. е. требуемое усилие раздавливания на единицу площади выше. Определенные шариковые молекулярные сита обеспечивают более низкую теплоемкость, а значит, и более низкие энергетические потребности во время регенерации.

Другим преимуществом использования бисерных молекулярных сит является то, что их насыпная плотность обычно выше, чем у других форм, поэтому для тех же требований к адсорбции требуется меньший объем молекулярного сита. Таким образом, при устранении узких мест можно использовать бисерные молекулярные сита, загружать больше адсорбента в том же объеме и избегать любых модификаций сосудов.