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

Молекулярное сито – это материал с порами (очень маленькими отверстиями) одинакового размера. Диаметр этих пор аналогичен размеру малых молекул, поэтому крупные молекулы не могут проникнуть или адсорбироваться, в то время как более мелкие молекулы могут. По мере того, как смесь молекул перемещается 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, а затем последовательно более мелкие молекулы. Некоторые молекулярные сита используются в эксклюзионной хроматографии – методе разделения, сортирующем молекулы по их размеру. Другие молекулярные сита используются в качестве осушителей (например, активированный уголь и силикагель).
Диаметр пор молекулярного сита измеряется в ангстремах (Å) или нанометрах (нм). Согласно классификации ИЮПАК, микропористые материалы имеют диаметр пор менее 2 нм (20 Å), а макропористые материалы – более 50 нм (500 Å); мезопористые материалы, таким образом, занимают промежуточное положение 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 более
●Глины
●Монтмориллонитовые смеси
●Галлуазит (энделлит): встречаются две распространённые формы: в гидратированной глине расстояние между слоями составляет 1 нм, а в дегидратированной (метагаллуазит) — 0,7 нм. В природе галлуазит 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[редактировать]
Молекулярные сита часто используются в нефтяной промышленности, особенно для осушки газовых потоков. Например, в производстве сжиженного природного газа (СПГ) содержание воды в газе необходимо снизить до уровня менее 1 ppmv, чтобы предотвратить закупорку, вызванную льдом или клатратами метана.
В лаборатории молекулярные сита используются для сушки растворителей. «Сита» доказали свою эффективность по сравнению с традиционными методами сушки, в которых часто используются агрессивные осушители.
Молекулярные сита, называемые цеолитами, используются в широком спектре каталитических процессов. Они катализируют изомеризацию, алкилирование и эпоксидирование, а также используются в крупномасштабных промышленных процессах, включая гидрокрекинг и каталитический крекинг в жидком катализаторе.
Они также используются для фильтрации воздуха, подаваемого в дыхательные аппараты, например, для аквалангистов и пожарных. В таких случаях воздух подается воздушным компрессором и проходит через фильтрующий элемент, который, в зависимости от области применения, заполнен молекулярным ситом и/или активированным углем, после чего используется для заправки баллонов с дыхательным воздухом. Такая фильтрация позволяет удалять из подаваемого воздуха твердые частицы и продукты сгорания компрессора.
Одобрено FDA.
1 апреля 2012 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило использование алюмосиликата натрия для прямого контакта с потребительскими товарами 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, однако 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. Силикагель же можно регенерировать, нагревая его в обычной печи до 120 °C (250 °F) в течение двух часов. Однако некоторые виды силикагеля «лопаются» при воздействии достаточного количества воды. Это происходит из-за разрушения кремниевых сфер при контакте с водой.

Модель	Диаметр пор (Ангстрем)	Насыпная плотность (г/мл)	Адсорбированная вода (% масс./масс.)	Истирание или абразивный износ, W(% масс./масс.)	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 (антислеживающий агент); Предпочтителен для статической дегидратации в закрытых жидкостных или газовых системах, например, при упаковке лекарств, электрокомпонентов и скоропортящихся химикатов; для удаления воды в системах печати и производства пластмасс, а также для сушки насыщенных углеводородных потоков. Адсорбируемые 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-DW	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 разработанный генератор кислорода для медицинских или оздоровительных целей.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, декарбонизации, 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-AS	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 соответствующиежидкие 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 превышает 3Å. Характеристики этих молекулярных сит включают высокую скорость адсорбции, способность к частой регенерации, хорошую устойчивость к раздавливанию иустойчивость к загрязнениюЭти особенности могут повысить как эффективность, так и срок службы сита. Молекулярные сита с размером ячеек 3Å являются необходимым осушителем в нефтяной и химической промышленности для очистки нефти, полимеризации и глубокой сушки газожидкостных смесей.

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 может быть использован 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 образованияазеотропМолекулярные сита с концентрацией около 95,6% по массе используются для разделения этанола и воды на молекулярном уровне, адсорбируя воду и позволяя этанолу свободно проходить через них. После того, как гранулы заполнятся водой, можно регулировать температуру или давление, что позволяет воде выходить из молекулярных сит.[15]

Молекулярные сита 3Å хранятся при комнатной температуре и относительной влажности воздуха не более 90%. Они герметично упакованы под пониженным давлением, защищены от воздействия 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, поскольку не требует ни высокого давления, ни особенно высоких температур. Обычно водные растворысиликат натрияиалюминат натриясмешиваются при 80 °C. Продукт, пропитанный растворителем, «активируется» «прокаливанием» при 400 °C. Сита 4А служат предшественниками сит 3А и 5А.катионный обменизнатрийдлякалий(для 3А) иликальций(для 5А)

Использование

Осушающие растворители

Молекулярные сита с размером ячеек 4Å широко используются для осушки лабораторных растворителей. Они способны адсорбировать воду и другие молекулы с критическим диаметром менее 4Å, такие как NH₃, H₂S, SO₂, CO₂, C₂H₃OH, C₂H₃ и C₂H₃. Они широко применяются для осушки, очистки и рафинирования жидкостей и газов (например, для получения аргона).

 

Добавки полиэфирных агентов[редактировать]

Эти молекулярные сита используются для улучшения моющих средств, поскольку они могут производить деминерализованную воду посредствомкальцийИонный обмен удаляет и предотвращает отложение грязи. Они широко используются для заменыфосфорМолекулярное сито 4Å играет важную роль в замене триполифосфата натрия в качестве вспомогательного вещества для моющих средств, снижая их воздействие 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 в результате промышленной деятельности.

Другие цели

Theметаллургическая промышленность: разделяющий агент, разделение, извлечение калия из рассола,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 мельчайшие поры точного и равномерного размера и используются в основном в качестве адсорбентов газов и жидкостей.

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

Молекулярные сита с размером пор 5 ангстрем хранятся при комнатной температуре,относительная влажностьМенее 90% в картонных бочках или картонной упаковке. Молекулярные сита не следует подвергать прямому воздействию воздуха, воды, кислот и щелочей.

Морфология молекулярных сит

Молекулярные сита доступны в различных формах и размерах. Однако сферические сита имеют преимущество перед другими формами, поскольку обеспечивают меньший перепад давления, устойчивы к истиранию, поскольку не имеют острых кромок, и обладают высокой прочностью, то есть требуется большее усилие раздавливания на единицу площади. Некоторые молекулярные сита с шариками обладают меньшей теплоёмкостью, что снижает энергозатраты на регенерацию.

Другим преимуществом использования гранулированных молекулярных сит является то, что их насыпная плотность обычно выше, чем у сит другой формы, поэтому при той же адсорбционной способности требуется меньший объём молекулярного сита. Таким образом, при устранении узких мест можно использовать гранулированные молекулярные сита, загружать больше адсорбента в том же объёме и избегать каких-либо модификаций сосуда.