stringtranslate.com

Молекулярное сито

Типичные молекулярные сита относятся к типу LTA. Они содержат клетки алюмосиликатов натрия (натрий не показан), которые имеют высокое сродство к воде.
Флаконы мезопористого кремнезема

Молекулярное сито — это материал с порами (отверстиями размером с молекулу) одинакового размера, которые связывают внутреннюю часть твердого тела с его внешней частью. Эти материалы воплощают эффект молекулярного сита : «Что касается пористых твердых тел, поверхность, связанная с порами, сообщающимися с внешним пространством, может быть названа внутренней поверхностью. Поскольку доступность пор может зависеть от размера молекул жидкости, протяженность внутренней поверхности может зависеть от размера молекул, составляющих жидкость, и может быть разной для различных компонентов смеси жидкостей». [1] Спецификация для пор заключается в том, что они не только сообщаются снаружи с внутренней частью, но и поры имеют одинаковый размер. Многие виды материалов демонстрируют некоторые молекулярные сита, но цеолиты доминируют в этой области. Цеолиты почти всегда являются алюмосиликатами или вариантами, в которых некоторые или все центры Si или Al заменены одинаково заряженными элементами. [2]

Процесс просеивания

Диаметры пор, из которых состоят молекулярные сита, аналогичны по размеру малым молекулам. Большие молекулы не могут проникнуть или быть адсорбированы , 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. Большинство молекулярных сит представляют собой алюмосиликаты ( цеолиты ) с молярным отношением Si/Al менее 2, но есть также примеры активированного угля и силикагеля . [2] [3] [4]

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). [5]


Просеивающие свойства молекулярных сит классифицируются как

Приложения

Некоторые молекулярные сита используются в гель-хроматографии — методе разделения, при котором молекулы сортируются по размеру.

Другое важное применение — в качестве осушителя . Они часто используются в нефтехимической промышленности для осушения 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 .

Лабораторное использование

В лаборатории молекулярные сита используются для сушки растворителя. «Сита» доказали свое превосходство над традиционными методами сушки, которые часто используют агрессивные осушители . [7]

Под термином цеолиты молекулярные сита используются для широкого спектра каталитических приложений. Они катализируют изомеризацию , алкилирование и эпоксидирование и используются в крупномасштабных промышленных процессах, включая гидрокрекинг и каталитический крекинг с флюидом . [8]

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, заполняется молекулярным ситом и/или активированным углем , и в конечном итоге используется для зарядки баллонов с воздухом для дыхания. [9] 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 одобрило алюмосиликат натрия для прямого контакта с расходными материалами в соответствии с 21 CFR 182.2727. [10] До этого одобрения Европейский союз использовал молекулярные сита с фармацевтическими препаратами, и независимые испытания показали, что молекулярные сита соответствуют всем государственным требованиям, но промышленность не захотела финансировать дорогостоящие испытания, необходимые для получения государственного одобрения. [11]

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. [12] 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. [13]

Адсорбционные возможности

3А

Производство

Молекулярные сита 3А производятся путем катионного обмена калия на натрий в молекулярных ситах 4А (см. ниже)

Использование

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

Молекулярные сита 3А используются для сушки различных материалов, таких как этанол , воздух, хладагенты , природный газ и ненасыщенные углеводороды . К последним относятся крекинг-газ, ацетилен , этилен , пропилен и бутадиен . Молекулярные сита 3А хранятся при комнатной температуре с относительной влажностью не более 90%. Они герметизируются при пониженном давлении, и их следует хранить вдали от воды, кислот и щелочей.

4А

Производство

Для производства сита 4А обычно водные растворы силиката натрия и алюмината натрия объединяют при 80 °C. Продукт «активируется» «нагреванием» при 400 °C [15] Сита 4А служат предшественниками сит 3А и 5А посредством катионного обмена натрия на калий (для 3А) или кальций (для 5А) [ 16] [17]

Использует

Основное применение цеолитовых молекулярных сит — в моющих средствах для стирки. В 2001 году для этой цели было произведено около 1200 килотонн цеолита А, что подразумевает смягчение воды . [2]

Молекулярные сита 4A широко используются для сушки лабораторных растворителей. [7] Они могут поглощать воду и другие частицы с критическим диаметром менее 4 Å, такие как NH 3 , H 2 S, SO 2 , CO 2 , C 2 H 5 OH, C 2 H 6 и C 2 H 4 .

Бутылка молекулярных сит 4А

Некоторые молекулярные сита используются для помощи моющим средствам, поскольку они могут производить деминерализованную воду посредством обмена ионами кальция , удалять и предотвращать осаждение грязи. Они широко используются для замены фосфора . Молекулярное сито 4A 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 качестве мылообразующего агента и в зубной пасте .

Другие цели

  1. Металлургическая промышленность : разделительный агент, разделение, извлечение из рассола калия, рубидия , цезия и т. д.
  2. Нефтехимическая промышленность, катализатор , осушитель , адсорбент
  3. Сельское хозяйство: почвенный кондиционер
  4. Лекарство: антибактериальное средство на основе цеолита серебра .

Морфология молекулярных сит

Молекулярные сита доступны в различных формах и размерах. Сферические шарики имеют преимущество перед другими формами, поскольку они обеспечивают меньший перепад давления и механически прочны.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Эффект молекулярного сита». IUPAC GoldBook .
  2. ^ abc Kresge, Charles T.; Dhingra, Sandeep S. (2004). "Молекулярные сита". Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . doi :10.1002/0471238961.1315120511210812.a01.pub2. ISBN 978-0-471-48494-3.
  3. ^ Мазур, Михал; Пржех, Ян; Чейка, Йиржи (2019). «Цеолиты и другие микро- и мезопористые молекулярные сита». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . С. 1–36. doi :10.1002/0471238961.zeolcejk.a01.pub2. ISBN 978-0-471-48494-3.
  4. ^ Коэн, Алан П. (2003). «Осушители». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . doi :10.1002/0471238961.0405190903150805.a01.pub2. ISBN 978-0-471-48494-3.
  5. ^ J. Rouquerol; et al. (1994). "Рекомендации по характеристике пористых твердых тел (Технический отчет)" (бесплатная загрузка в формате pdf) . Pure Appl. Chem . 66 (8): 1739–1758. doi : 10.1351/pac199466081739 . S2CID  18789898.
  6. ^ "Типы осушителей". SorbentSystems.com . Получено 2014-02-26 .
  7. ^ ab Williams, DBG, Lawton, M., «Сушка органических растворителей: количественная оценка эффективности нескольких осушителей», Журнал органической химии 2010, т. 75, стр. 8351. doi : 10.1021/jo101589h
  8. ^ Пухадо, PR; Рабо, Дж.А.; Антос, Дж.Дж.; Гембицки, С.А. (11 марта 1992 г.). «Промышленное каталитическое применение молекулярных сит». Катализ сегодня . 13 (1): 113–141. дои : 10.1016/0920-5861(92)80191-О.
  9. ^ [1] Архивировано 16 апреля 2012 г. на Wayback Machine.
  10. ^ "Sec. 182.2727 Алюмосиликат натрия". Управление по контролю за продуктами и лекарствами США. 1 апреля 2012 г. Получено 10 декабря 2012 г.
  11. ^ "Молекулярное сито-осушитель". DesiccantPacks.net . Получено 26.02.2014 .
  12. ^ ab "Молекулярные сита". Sigma-Aldrich . Получено 2014-02-26 .
  13. ^ Спенс Конде, «Подготовка гранул высококремнистого цеолита из силикагеля», получено 26 сентября 2011 г.
  14. ^ "Молекулярное сито, Yiyuan Molecular Sieves". Chemicalpackingcorp.com . Получено 26.02.2014 .
  15. ^ US 3433588, Макс Мишель и Денис Папи, «Метод приготовления цеолитов с размером 4 ангстрема», опубликовано 1969-03-18, выпущено 1969-03-18 
  16. ^ Зеохим
  17. ^ Внутриглобальный

Внешние ссылки

В Scholia есть профиль темы « Молекулярное сито» .