.png/1280px-LTA_(cropped).png)
Молекулярное сито – это материал с порами одинакового размера. Эти поры по диаметру аналогичны размерам малых молекул, 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. Другое важное применение — в качестве осушителя . Большинство молекулярных сит представляют собой алюмосиликатные цеолиты с молярным соотношением Si/Al менее 2, но есть также примеры активированного угля и силикагеля . [1]
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). [2]
Молекулярные сита могут представлять собой микропористый , мезопористый или макропористый материал .
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 осушители . [7]
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 . [8]
Они также используются для фильтрации воздуха, подаваемого в дыхательные аппараты, например, используемые аквалангистами и пожарными . В таких случаях 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. [9] Такая фильтрация позволяет удалить частицы и продукты выхлопа компрессора из подаваемого воздуха для дыхания.
С 1 апреля 2012 г. FDA США одобрило алюмосиликат натрия для прямого контакта с расходными материалами в соответствии с 21 CFR 182.2727. [10] До этого разрешения Европейский Союз использовал молекулярные сита с фармацевтическими препаратами, и независимые испытания показали, что молекулярные сита соответствуют всем государственным требованиям, но промышленность не желала финансировать дорогостоящие испытания, необходимые для получения одобрения правительства. [11]
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 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 «лопнут» при воздействии достаточного количества воды. Это вызвано разрушением сфер кремнезема при контакте с водой. [13]
Молекулярные сита 3А производятся путем катионного обмена калия на натрий в молекулярных ситах 4А (см. ниже).
Молекулярные сита 3А не адсорбируют молекулы диаметром более 3 Å. Характеристики этих молекулярных сит включают высокую скорость адсорбции, способность к частой регенерации, хорошую устойчивость к раздавливанию и загрязнению. Эти функции могут улучшить как эффективность, так и срок службы сита. Молекулярные сита 3А являются необходимым осушителем в нефтяной и химической промышленности для переработки нефти, полимеризации и химической глубокой 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 .
Молекулярное сито 3А 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 образования азеотропа с концентрацией около 95,6 процентов по массе, для разделения этанола и воды на молекулярном уровне используются гранулы молекулярных сит. адсорбируя воду гранулами и позволяя этанолу свободно проходить. Как только шарики наполнятся водой, можно будет манипулировать температурой или давлением, позволяя воде высвободиться из шариков молекулярного сита. [15]
Молекулярные сита 3А хранят при комнатной температуре, относительной влажности не более 90%. Они герметизированы при пониженном давлении, вдали от воды, кислот и щелочей.
Производство сита 4А относительно несложно, поскольку оно не требует ни высокого давления, ни особенно высоких температур. Обычно водные растворы силиката натрия и алюмината натрия объединяют при температуре 80 °C. Пропитанный растворителем продукт «активируется» путем «обжига» при 400 °C [16]. Сита 4А служат предшественником сит 3А и 5А посредством катионного обмена натрия на калий ( для 3А) или кальций (для 5А) [17]. ] [18]
Молекулярные сита 4А широко используются для сушки лабораторных растворителей. [7] Они могут поглощать воду и другие молекулы 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 . Они широко используются при сушке, рафинировании и очистке жидкостей и газов (например, при получении аргона).
Эти молекулярные сита используются в качестве вспомогательных средств для моющих средств, поскольку они могут производить деминерализованную воду посредством обмена ионов кальция , удалять и предотвращать отложение грязи. Они широко используются для замены фосфора . Молекулярное сито 4А 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 качестве агента, образующего мыло , и в зубной пасте .
Молекулярные сита 4А могут очищать сточные воды от катионных частиц, таких как ионы аммония , Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ и Cd 2+ . Благодаря высокой селективности по NH 4 + они успешно применяются в полевых условиях для борьбы с эвтрофикацией и другими последствиями в водных путях из-за чрезмерного содержания ионов аммония. Молекулярные сита 4А также использовались для удаления ионов тяжелых металлов, присутствующих в воде в результате промышленной деятельности.
Молекулярные сита 5А производятся путем катионного обмена кальция на натрий в молекулярных ситах 4А (см. выше).
Молекулярные сита пятиангстрема (5А) часто используются в нефтяной промышленности, особенно для очистки газовых потоков и в химической лаборатории для разделения соединений и сушки исходных материалов реакций. Они содержат крошечные поры точного и одинакового размера и в основном используются в качестве адсорбента для газов и жидкостей.
Молекулярные сита размером пять ангстрем используются для осушки природного газа , а также для обессеривания и декарбонизации газа. Их также можно использовать для разделения смесей кислорода, азота и водорода, а также нефте-парафиновых н-углеводородов от разветвленных и полициклических углеводородов.
Молекулярные сита пятиангстрема хранят при комнатной температуре, относительной влажности воздуха не более 90 % в картонных бочках или картонной упаковке. Молекулярные сита не должны подвергаться непосредственному воздействию воздуха и воды, следует избегать кислот и щелочей.
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 потребность в 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.
