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

Молекулярное сито — это материал с порами (очень маленькими отверстиями) одинакового размера. Диаметры этих пор по размеру схожи с размерами малых молекул, поэтому крупные молекулы не могут проникнуть внутрь 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 наибольшей молекулярной массой (которые не могут пройти через 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 (например, 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 — более 50 нм (500 Å); таким образом, мезопористая категория 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 более
●Активированный уголь: 0–20 Å (0–2 нм) и выше
●Глины
●Монтмориллонитовые примеси
● Галлуазит (энделлит): Встречаются две распространенные формы: в гидратированном состоянии расстояние между слоями глины составляет 1 нм, а в дегидратированном (метагаллуазит) — 0,7 нм. В природе галлуазит 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 производства силикагеля): 24 Å (2,4 нм)
Макропористый материал (>50 нм)
Макропористый диоксид кремния, 200–1000 Å (20–100 нм)
Приложения[редактировать]
Молекулярные сита часто используются в нефтяной промышленности, особенно для осушения газовых потоков. Например, в производстве сжиженного природного газа (СПГ) необходимо снизить содержание воды в газе до менее чем 1 ppmv, чтобы предотвратить закупорку, вызванную льдом или клатратами метана.
В лабораторных условиях для осушения растворителей используются молекулярные сита. «Сита» доказали свое превосходство над традиционными методами сушки, которые часто используют агрессивные осушители.
Под термином «цеолиты» молекулярные сита используются в широком спектре каталитических применений. Они катализируют изомеризацию, алкилирование и эпоксидирование и применяются в крупномасштабных промышленных процессах, включая гидрокрекинг и жидкостный каталитический крекинг.
Они также используются для фильтрации воздуха, подаваемого в дыхательные аппараты, например, используемые аквалангистами и пожарными. В таких системах воздух подается компрессором и проходит через картриджный фильтр, 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 дыхательного воздуха твердые частицы и продукты сгорания компрессора.
Одобрено FDA.
По состоянию на 1 апреля 2012 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило использование алюмосиликата натрия для прямого контакта с пищевыми продуктами в соответствии с разделом 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 промышленность не желала финансировать дорогостоящие испытания, необходимые для получения государственного одобрения.
Регенерация
Методы регенерации молекулярных сит включают изменение давления (как в кислородных концентраторах), нагревание и продувку газом-носителем (как при использовании в процессе дегидратации этанола) или нагревание в условиях высокого вакуума. Температура регенерации варьируется от 175 °C (350 °F) до 315 °C (600 °F) в зависимости от типа молекулярного сита. В отличие от этого, 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 происходит из-за разрушения сферических частиц диоксида кремния при контакте с водой.

Модель	Диаметр пор (Ангстрем)	Насыпная плотность (г/мл)	Адсорбированная вода (% масс./масс.)	Истирание или абразивный износ, W(% масс./масс.)	Использование
3 Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Высыханиеизкрекинг нефтигаз и алкены, селективная адсорбция H2O встеклопакет (IG)и полиуретана, сушкаэтаноловое топливодля смешивания с бензином.
4 Å	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-номерE-554 (антислеживающий агент); предпочтительно для статического обезвоживания в закрытых жидкостных или газообразных системах, например, при упаковке лекарств, электрических компонентов и скоропортящихся химикатов; для удаления воды в полиграфических и пластмассовых системах, а также для сушки насыщенных углеводородных потоков. Адсорбируемые вещества включают SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 и C3H6. В целом считается универсальным осушителем в полярных и неполярных средах;[12]разделениеприродный газиалкеныадсорбция воды в нечувствительных к азоту средахполиуретан
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Обезжиривание и понижение температуры застыванияавиация керосинидизельи разделение алкенов
5 Å небольшой обогащенный кислородом	5	0,4–0,8	≥23		Специально разработан для медицинских или оздоровительных кислородных генераторов.требуется ссылка]
5 Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Осушение и очистка воздуха;обезвоживаниеидесульфуризацияприродного газа исжиженный нефтяной газ;кислородиводородпроизводствоадсорбция с изменением давленияпроцесс
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Высокоэффективная сорбция, используемая для осушения, обезуглероживания, десульфуризации газов и жидкостей, а также для разделенияароматический углеводород
13X	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Осушение, обессеривание и очистка нефтяного и природного газа.
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Обезуглероживаниеа также обезвоживание 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

3 Å

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

Соотношение кремнезема и оксида алюминия: SiO2/Al2O3≈2

Производство

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

Использование

Молекулярные сита с порами 3 Å не адсорбируют молекулы, диаметр которых превышает 3 Å. Характеристики этих молекулярных сит включают высокую скорость адсорбции, возможность частой регенерации, хорошую устойчивость к измельчению иустойчивость к загрязнениюЭти характеристики могут повысить как эффективность, так и срок службы сита. Молекулярные сита с порами 3 Å являются необходимым осушителем в нефтяной и химической промышленности для переработки нефти, полимеризации и химической сушки газовых и жидких электростанций.

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

Молекулярное сито с порами 3 Å 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 многое другое. Поскольку обычная дистилляция не может удалить всю воду (нежелательный побочный продукт производства этанола) из технологических потоков этанола из-за образования...азеотропМолекулярные сита с концентрацией воды около 95,6% по весу используются для разделения этанола и воды на молекулярном уровне путем адсорбции воды на ситах и ​​свободного прохождения этанола. После заполнения сит водой можно регулировать температуру или давление, что позволяет воде высвобождаться из молекулярных сит.[15]

Молекулярные сита с порами 3Å хранятся при комнатной температуре и относительной влажности не более 90%. Они герметично упакованы под пониженным давлением и защищены от воды, кислот и щелочей.

4 Å

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

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

Производство

Производство сита с размером пор 4 Å относительно просто, поскольку не требует ни высокого давления, ни особенно высоких температур. Обычно используются водные растворысиликат натрияиалюминат натрияСмешиваются при 80 °C. Продукт, пропитанный растворителем, «активируется» путем «запекания» при 400 °C. Сита 4A служат предшественниками сит 3A и 5A.катионный обменизнатрийдлякалий(для 3А) иликальций(для 5А)

Использование

Сушильные растворители

Молекулярные сита с размером пор 4 Å 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 для сушки, очистки и рафинирования жидкостей и газов (например, при приготовлении аргона).

 

Добавки полиэфирных агентов[редактировать]

Эти молекулярные сита используются в качестве вспомогательных средств для моющих средств, поскольку они способны производить деминерализованную воду.кальцийИонный обмен, удаление и предотвращение отложения загрязнений. Широко используются для заменыфосфорМолекулярное сито с порами 4 Å играет важную роль в замене триполифосфата натрия в качестве вспомогательного вещества в моющих средствах, что позволяет снизить воздействие моющих средств на окружающую среду. Оно также может использоваться в качестве...мылоформовочный агент и взубная паста.

Обработка вредных отходов

Молекулярные сита с размером пор 4 Å способны очищать сточные воды от катионных соединений, таких какаммонийионы: Pb2+, Cu2+, Zn2+ и Cd2+. Благодаря высокой селективности по отношению к NH4+ они успешно применяются в полевых условиях для борьбы с ионами.эвтрофикацияа также другие воздействия на водные пути из-за избытка ионов аммония. Молекулярные сита с размером пор 4 Å также использовались для удаления ионов тяжелых металлов, присутствующих в воде в результате промышленной деятельности.

Другие цели

Онметаллургическая промышленность: разделительный агент, разделение, экстракция калия из рассола,рубидий,цезий, и т. д.

Нефтехимическая промышленность,катализатор,осушительадсорбент

Сельское хозяйство:улучшитель почвы

Медицина: загрузка серебрацеолитантибактериальное средство.

5 Å

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

Соотношение кремнезема и оксида алюминия: SiO2/Al2O3≈2

Производство

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

Использование

Пять-ангстремМолекулярные сита (5 Å) часто используются внефтьпромышленность, особенно для очистки газовых потоков, и в химических лабораториях для разделения.соединенияи исходных материалов для сушки реакций. Они содержат мельчайшие поры точного и однородного размера и в основном используются в качестве адсорбента для газов и жидкостей.

Молекулярные сита с размером ячейки пять ангстрем используются для сушки.природный газа также исполнятьдесульфуризацияидекарбонизацияОни также могут использоваться для разделения смесей кислорода, азота и водорода, а также н-углеводородов масляно-восковой смеси от разветвленных и полициклических углеводородов.

Молекулярные сита с размером частиц пять ангстремов хранятся при комнатной температуре.относительная 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 выпускаются в различных формах и размерах. Однако сферические шарики имеют преимущество перед другими формами, поскольку обеспечивают меньшее падение давления, устойчивы к истиранию, так как не имеют острых краев, и обладают хорошей прочностью, то есть требуемая сила сжатия на единицу площади выше. Некоторые гранулированные молекулярные сита обладают меньшей теплоемкостью, следовательно, меньшими энергозатратами при регенерации.

Еще одно преимущество использования гранулированных молекулярных сит заключается в том, что их насыпная плотность обычно выше, чем у сит другой формы, поэтому для достижения той же степени адсорбции требуется меньший объем молекулярного сита. Таким образом, при оптимизации процесса можно использовать гранулированные молекулярные сита, загружать больше адсорбента в том же объеме и избегать каких-либо модификаций емкости.