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

Молекулярное сито — это материал с порами (очень маленькими отверстиями) одинакового размера. Эти диаметры пор аналогичны по размеру небольшим молекулам, и поэтому большие молекулы не могут проникать или адсорбироваться, в то время как более мелкие молекулы могут. Когда смесь молекул мигрирует через неподвижный слой пористого полутвердого вещества, называемый ситом (или матрицей), компоненты с наибольшей молекулярной массой (которые не могут пройти в молекулярные поры) покидают слой первыми, за которыми следуют последовательно более мелкие молекулы. Некоторые молекулярные сита используются в эксклюзионной хроматографии — методе разделения, который сортирует молекулы по их размеру. В качестве осушителей используются и другие молекулярные сита (некоторые примеры включают активированный уголь и силикагель).
Диаметр пор молекулярного сита измеряется в ангстремах (Å) или нанометрах (нм). Согласно обозначениям ИЮПАК, микропористые материалы имеют диаметр пор менее 2 нм (20 Å), а макропористые материалы имеют диаметр пор более 50 нм (500 Å); Таким образом, категория мезопор находится посередине с диаметром пор от 2 до 50 нм (20–500 Å).
Материалы
Молекулярные сита могут представлять собой микропористый, мезопористый или макропористый материал.
Микропористый материал (
●Цеолиты (алюмосиликатные минералы, не путать с силикатами алюминия).
● Цеолит LTA: 3–4 Å.
●Пористое стекло: 10 Å (1 нм) и выше.
●Активный уголь: 0–20 Å (0–2 нм) и выше.
●Глины
●Смеси монтмориллонита.
● Галлуазит (энделлит): обнаружены две распространенные формы: при гидратации глина имеет расстояние между слоями 1 нм, а при дегидратации (метагаллуазит) расстояние между слоями составляет 0,7 нм. Галлуазит в природе встречается в виде небольших цилиндров диаметром в среднем 30 нм и длиной 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 промышленности сжиженного природного газа (СПГ) содержание воды в газе необходимо снизить до уровня менее 1 ppmv, чтобы предотвратить закупорку, вызванную льдом или клатратом метана.
В лаборатории для сушки растворителя используются молекулярные сита. «Сита» доказали свое превосходство над традиционными методами сушки, в которых часто используются агрессивные влагопоглотители.
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, подаваемого в дыхательные аппараты, например, используемые аквалангистами и пожарными. В таких применениях воздух подается воздушным компрессором и проходит через картриджный фильтр, который, в зависимости от применения, заполнен молекулярными ситами и/или активированным углем, и в конечном итоге используется для заправки резервуаров с воздухом для дыхания. Такая фильтрация может удалять твердые частицы. и продукты выхлопа компрессора из системы подачи воздуха для дыхания.
Одобрение FDA.
FDA США с 1 апреля 2012 г. одобрило алюмосиликат натрия для прямого контакта с расходными материалами в соответствии с 21 CFR 182.2727. До этого одобрения Европейский Союз использовал молекулярные сита с фармацевтическими препаратами, и независимые испытания показали, что молекулярные сита соответствуют всем государственным требованиям, но отрасль не желала финансировать дорогостоящие испытания, необходимые для получения одобрения правительства.
Регенерация
Методы регенерации молекулярных сит включают изменение давления (как в концентраторах кислорода), нагрев и продувку газом-носителем (как при использовании при дегидратации этанола) или нагрев в высоком вакууме. Температуры регенерации варьируются от 175 °C (350 °F) до 315 °C (600 °F) в зависимости от типа молекулярных сит. Напротив, силикагель можно регенерировать, нагрев его в обычной духовке до 120 °C (250 °F) в течение двух часов. Однако некоторые типы силикагеля «лопнут» при воздействии достаточного количества воды. Это вызвано разрушением сфер кремнезема при контакте с водой.

Модель	Диаметр пор (Ангстрем)	Объемная плотность (г/мл)	Адсорбированная вода (% по массе)	Истирание или истирание, Вт(% масс.)	Использование
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Высыханиеизкрекинг нефтигаза и алкенов, селективная адсорбция H2O визолированное стекло (IG)и полиуретана, 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 в качествепищевая добавкаимеяE-номерЕ-554 (антислеживатель); Предпочтителен для статического обезвоживания в закрытых жидкостных или газовых системах, например, при упаковке лекарств, электрических компонентов и скоропортящихся химикатов; удаление воды в печатных и пластиковых системах и сушка потоков насыщенных углеводородов. Адсорбированные частицы 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-ДВ	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Обезжиривание и снижение температуры застыванияавиация керосинидизельи 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	Осушка и очистка воздуха;обезвоживаниеидесульфурацияприродного газа исжиженный нефтяной газ;кислородиводородпроизводствоАдсорбция при перепаде давленияпроцесс
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Высокоэффективная сорбция, используемая при сушке, обезуглероживании, обессеривании газа и жидкостей и 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 сушка 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 соответствующиежидкие углеводороды

Адсорбционные возможности

3Å

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

Алюмосиликатное соотношение: SiO2/Al2O3≈2.

Производство

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

Использование

Молекулярные сита 3 Å не адсорбируют молекулы, диаметр которых превышает 3 Å. Характеристики этих молекулярных сит включают высокую скорость адсорбции, способность к частой регенерации, хорошую устойчивость к раздавливанию иустойчивость к загрязнениям. Эти функции могут улучшить как эффективность, так и срок службы сита. Молекулярные сита 3Å являются необходимым осушителем в нефтяной и химической промышленности для переработки нефти, полимеризации и химической газожидкостной глубокой сушки.

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

Молекулярное сито 3Å используется для удаления воды из этанола, который впоследствии можно использовать непосредственно 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 массе гранулы молекулярного сита используются для разделения этанола и воды на молекулярном уровне путем адсорбции воды гранулами и обеспечения свободного прохождения этанола. Как только шарики наполнятся водой, можно будет манипулировать температурой или давлением, позволяя воде высвободиться из шариков молекулярного сита.[15]

Молекулярные сита 3Å хранят при комнатной температуре, относительной влажности не более 90%. Они герметизированы при пониженном давлении, вдали от воды, кислот и щелочей.

4Å

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

Соотношение кремний-алюминий: 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)

Производство

Производство сит 4Å относительно несложно, поскольку оно не требует ни высокого давления, ни особенно высоких температур. Обычно водные растворысиликат натрияиалюминат натрияобъединяются при 80°С. Пропитанный растворителем продукт «активируется» путем «обжига» при 400 °C. Сита 4А служат предшественниками сит 3А и 5А посредствомкатионный обменизнатрийдлякалий(для 3А) иликальций(для 5А)

Использование

Сушильные растворители

Молекулярные сита 4 Å 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, рафинировании и очистке жидкостей и газов (например, при получении аргона).

 

Полиэфирные добавки[редактировать]

Эти молекулярные сита используются для очистки моющих средств, поскольку они могут производить деминерализованную воду путемкальцийионный обмен, удаляет и предотвращает отложение грязи. Они широко используются для заменыфосфор. Молекулярное сито 4Å играет важную роль в замене триполифосфата натрия в качестве вспомогательного моющего средства, чтобы смягчить воздействие моющего средства на окружающую среду. Его также можно использовать в качествемылообразующий агент и взубная паста.

Обращение с вредными отходами

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 воздействия на водные пути из-за чрезмерного содержания ионов аммония. Молекулярные сита 4 Å также использовались для удаления ионов тяжелых металлов, присутствующих в воде в результате промышленной деятельности.

Другие цели

металлургическая промышленность: разделительный агент, сепарация, извлечение рассола калия,рубидий,цезий, и т. д.

Нефтехимическая промышленность,катализатор,осушитель, адсорбент

Сельское хозяйство:кондиционер почвы

Лекарство: загрузить сереброцеолитантибактериальное средство.

5Å

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

Алюмосиликатное соотношение: SiO2/Al2O3≈2.

Производство

Молекулярные сита 5А производятся катионным обменомкальцийдлянатрийв 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 сушку исходных материалов реакции. Они содержат крошечные поры точного и одинакового размера и в основном используются в качестве адсорбента для газов и жидкостей.

Для сушки используются молекулярные сита размером пять Ангстрем.природный газ, наряду с выполнениемдесульфурацияидекарбонизациягаза. Их также можно использовать для разделения смесей кислорода, азота и водорода, а также нефте-парафиновых н-углеводородов от разветвленных и полициклических углеводородов.

Молекулярные сита с размером пор пять Ангстрема хранят при комнатной температуре.относительная влажностьменее 90% в картонных бочках или картонной упаковке. Молекулярные сита не должны подвергаться непосредственному воздействию воздуха и воды, следует избегать 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 меньший перепад давления, устойчивы к истиранию, поскольку не имеют острых краев, и обладают хорошей прочностью, т. е. сила раздавливания, необходимая на единицу площади, выше. Некоторые молекулярные сита с шариками обладают более низкой теплоемкостью, что снижает затраты энергии во время регенерации.

Другим преимуществом использования молекулярных сит с шариками является то, что объемная 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 гранулированные молекулярные сита, загружать больше адсорбента в том же объеме и избегать любых модификаций сосуда.