Molekulové sito je materiál s pórmi (veľmi malými otvormi) jednotnej veľkosti

Molekulové sito je materiál s pórmi (veľmi malými otvormi) jednotnej veľkosti. Tieto priemery pórov majú podobnú veľkosť ako malé molekuly, a preto veľké molekuly nemôžu vstúpiť ani sa adsorbovať, zatiaľ čo menšie molekuly áno. Keď zmes molekúl migruje cez stacionárne lôžko poréznej, polotuhej látky označovanej ako sito (alebo matrica), zložky s najvyššou molekulovou hmotnosťou (ktoré nie sú schopné prejsť do molekulárnych pórov) opúšťajú lôžko ako prvé, nasledované postupne menšími molekulami. Niektoré molekulové sitá sa používajú pri vylučovacej chromatografii, separačnej technike, ktorá triedi molekuly na základe ich veľkosti. Iné molekulové sitá sa používajú ako sušidlá (niektoré príklady zahŕňajú aktívne uhlie a silikagél).
Priemer pórov molekulového sita sa meria v ångströmoch (Å) alebo nanometroch (nm). Podľa notácie IUPAC majú mikroporézne materiály priemer pórov menší ako 2 nm (20 Á) a makroporézne materiály majú priemer pórov väčší ako 50 nm (500 Á); mezoporézna kategória teda leží v strede s priemermi pórov medzi 2 a 50 nm (20–500 Á).
Materiály
Molekulové sitá môžu byť mikroporézny, mezoporézny alebo makroporézny materiál.
Mikroporézny materiál (
●zeolity (hlinitosilikátové minerály, nezamieňať s kremičitanom hlinitým)
●Zeolit ​​LTA: 3–4 Å
●Pórovité sklo: 10 Å (1 nm) a viac
●Aktívne uhlie: 0–20 Å (0–2 nm) a viac
●Hliny
●Montmorillonit sa mieša
●Halloysit (endelit): Nachádzajú sa dve bežné formy, keď íl vykazuje rozstup vrstiev 1 nm a pri dehydratácii (metahaloyzit) je rozstup 0,7 nm. Halloysit sa prirodzene vyskytuje ako malé valčeky s priemerom 30 nm a dĺžkami medzi 0,5 a 10 mikrometrami.
Mezoporézny materiál (2–50 nm)
Oxid kremičitý (používaný na výrobu silikagélu): 24 Á (2,4 nm)
Makroporézny materiál (>50 nm)
Makroporézny oxid kremičitý, 200–1000 Á (20–100 nm)
Aplikácie[upraviť]
Molekulové sitá sa často používajú v ropnom priemysle, najmä na sušenie prúdov plynov. Napríklad v priemysle skvapalneného zemného plynu (LNG) je potrebné znížiť obsah vody v plyne na menej ako 1 ppmv, aby sa zabránilo blokovaniu spôsobenému ľadom alebo metánovým klatrátom.
V laboratóriu sa na sušenie rozpúšťadla používajú molekulové sitá. Ukázalo sa, že „sitá“ sú lepšie ako tradičné techniky sušenia, ktoré často využívajú agresívne sušidlá.
Pod pojmom zeolity sa molekulové sitá používajú pre širokú škálu katalytických aplikácií. Katalyzujú izomerizáciu, alkyláciu a epoxidáciu a používajú sa vo veľkých priemyselných procesoch, vrátane hydrokrakovania a fluidného katalytického krakovania.
Používajú sa aj pri filtrácii prívodov vzduchu do dýchacích prístrojov, napríklad tých, ktoré používajú potápači a hasiči. V takýchto aplikáciách je vzduch dodávaný vzduchovým kompresorom a prechádza cez kartušový filter, ktorý je v závislosti od aplikácie naplnený molekulárnym sitom a/alebo aktívnym uhlím, a nakoniec sa používa na naplnenie vzduchových nádrží na dýchanie. Takáto filtrácia môže odstrániť častice a výfukové produkty kompresora z prívodu vzduchu na dýchanie.
Schválenie FDA.
Americká FDA od 1. apríla 2012 schválila hlinitokremičitan sodný na priamy kontakt so spotrebným materiálom podľa 21 CFR 182.2727. Pred týmto schválením Európska únia používala molekulárne sitá s liečivami a nezávislé testovanie naznačilo, že molekulárne sitá spĺňajú všetky vládne požiadavky, ale priemysel nebol ochotný financovať drahé testovanie potrebné na schválenie vládou.
Regenerácia
Spôsoby regenerácie molekulových sít zahŕňajú zmenu tlaku (ako v kyslíkových koncentrátoroch), zahrievanie a preplachovanie nosným plynom (ako pri dehydratácii etanolu) alebo zahrievanie vo vysokom vákuu. Teploty regenerácie sa pohybujú od 175 °C (350 °F) do 315 °C (600 °F) v závislosti od typu molekulového sita. Na rozdiel od toho je možné silikagél regenerovať zahriatím v bežnej peci na 120 °C (250 °F) počas dvoch hodín. Niektoré druhy silikagélu však pri dostatočnom množstve vody „puknú“. Je to spôsobené rozbitím guľôčok oxidu kremičitého pri kontakte s vodou.

Model	Priemer pórov (Ångström)	Sypná hustota (g/ml)	Adsorbovaná voda (% w/w)	Opotrebenie alebo oder, W(% w/w)	Použitie
3Å	3	0,60 – 0,68	19-20	0,3 – 0,6	Vysúšaniezkrakovanie ropyplynu a alkénov, selektívna adsorpcia H2O vizolačné sklo (IG)a polyuretán, sušenie zetanolové palivona miešanie s benzínom.
4Å	4	0,60 – 0,65	20-21	0,3 – 0,6	Adsorpcia vody vhlinitokremičitan sodnýktorý je schválený FDA (pozrinižšie) používané ako molekulové sito v lekárskych nádobách na udržanie obsahu suchého a akoprídavná látka v potravináchmaťE-čísloE-554 (protihrudkujúca látka); Uprednostňuje sa na statickú dehydratáciu v uzavretých kvapalinových alebo plynových systémoch, napr. pri balení liekov, elektrických komponentov a chemikálií podliehajúcich skaze; zachytávanie vody v tlačiarenských a plastových systémoch a sušenie nasýtených uhľovodíkových prúdov. Adsorbované druhy zahŕňajú SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 a C3H6. Všeobecne považovaný za univerzálny sušiaci prostriedok v polárnych a nepolárnych médiách;[12]oddeleniezemný plynaalkény, adsorpcia vody v necitlivom na dusíkpolyuretán
5Å-DW	5	0,45 – 0,50	21-22	0,3 – 0,6	Odmasťovanie a zníženie bodu tuhnutialetectva petrolejadiesela separácia alkénov
5Å malé obohatené kyslíkom	5	0,4 – 0,8	≥23		Špeciálne navrhnutý pre medicínsky alebo zdravý generátor kyslíka[potrebná citácia]
5Å	5	0,60 – 0,65	20-21	0,3 – 0,5	Vysúšanie a čistenie vzduchu;dehydratáciaaodsíreniezemného plynu akvapalný ropný plyn;kyslíkavodíkvýroba podľaadsorpcia pri kolísaní tlakuproces
10X	8	0,50 – 0,60	23-24	0,3 – 0,6	Vysokoúčinná sorpcia, používaná pri vysušovaní, oduhličovaní, odsírovaní plynov a kvapalín a separáciiaromatický uhľovodík
13X	10	0,55 – 0,65	23-24	0,3 – 0,5	Vysúšanie, odsírenie a čistenie ropných plynov a zemného plynu
13X-AS	10	0,55 – 0,65	23-24	0,3 – 0,5	Dekarbonizáciaa vysušovanie v priemysle separácie vzduchu, separácia dusíka od kyslíka v kyslíkových koncentrátoroch
Cu-13X	10	0,50 – 0,60	23-24	0,3 – 0,5	Sladenie(odstránenietioly) zletecké palivoa zodpovedajúcekvapalné uhľovodíky

Adsorpčné schopnosti

3Å

Približný chemický vzorec: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O

Pomer oxidu kremičitého a oxidu hlinitého: SiO2/Al2O3≈2

Výroba

3A molekulové sitá sa vyrábajú výmenou katiónovdraslíkpresodíkv molekulových sitách 4A (pozri nižšie)

Použitie

3Á molekulové sitá neadsorbujú molekuly, ktorých priemery sú väčšie ako 3 Á. Medzi vlastnosti týchto molekulových sít patrí rýchla adsorpčná rýchlosť, častá regeneračná schopnosť, dobrá odolnosť proti drveniu aodolnosť voči znečisteniu. Tieto vlastnosti môžu zlepšiť účinnosť aj životnosť sita. Molekulové sitá 3Å sú nevyhnutným vysúšadlom v ropnom a chemickom priemysle na rafináciu ropy, polymerizáciu a chemické hĺbkové sušenie plyn-kvapalina.

3Å molekulové sitá sa používajú na sušenie radu materiálov, ako napretanol, vzduch,chladivá,zemný plynanenasýtené uhľovodíky. Medzi posledné patria krakovací plyn,acetylén,etylén,propylénabutadién.

Molekulové sito 3Å sa používa na odstránenie vody z etanolu, ktorý možno neskôr použiť priamo ako biopalivo alebo nepriamo na výrobu rôznych produktov, ako sú chemikálie, potraviny, liečivá a ďalšie. Keďže normálna destilácia nedokáže odstrániť všetku vodu (nežiaduci vedľajší produkt pri výrobe etanolu) z procesných prúdov etanolu v dôsledku tvorbyazeotroppri koncentrácii približne 95,6 hmotnostných percent sa guľôčky molekulového sita používajú na oddelenie etanolu a vody na molekulárnej úrovni tak, že sa voda adsorbuje do guľôčok a nechá sa etanol voľne prechádzať. Akonáhle sú guľôčky plné vody, je možné manipulovať s teplotou alebo tlakom, čo umožňuje uvoľnenie vody z guľôčok molekulového sita.[15]

3Á molekulové sitá sa skladujú pri izbovej teplote, s relatívnou vlhkosťou nie vyššou ako 90 %. Sú utesnené pri zníženom tlaku a sú chránené pred vodou, kyselinami a zásadami.

4Å

Chemický vzorec: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

Pomer kremíka a hliníka: 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)

Výroba

Výroba 4Å sita je relatívne jednoduchá, pretože nevyžaduje ani vysoké tlaky, ani zvlášť vysoké teploty. Typicky vodné roztokykremičitan sodnýahlinitan sodnýsa spoja pri 80 °C. Produkt impregnovaný rozpúšťadlom sa „aktivuje“ „pečením“ pri 400 °C. Sitá 4A slúžia ako prekurzor pre sitá 3A a 5A cezvýmena katiónovzsodíkpredraslík(pre 3A) prípvápnik(pre 5A)

Použitie

Sušiace rozpúšťadlá

4Å molekulové sitá sa široko používajú na sušenie laboratórnych rozpúšťadiel. Môžu absorbovať vodu a iné molekuly s kritickým priemerom menším ako 4 Á, ako sú NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 a C2H4. Široko sa používajú pri sušení, rafinácii a čistení kvapalín a plynov (napríklad pri príprave argónu).

 

Polyesterové prísady[upraviť]

Tieto molekulové sitá sa používajú na pomoc čistiacim prostriedkom, pretože môžu produkovať demineralizovanú voduvápnikiónovú výmenu, odstraňujú a zabraňujú usadzovaniu nečistôt. Sú široko používané na nahradeniefosfor. 4Á molekulové sito hrá hlavnú úlohu pri nahrádzaní tripolyfosfátu sodného ako pomocného detergentu, aby sa zmiernil vplyv detergentu na životné prostredie. Dá sa použiť aj ako amydlotvoriace činidlo a vzubná pasta.

Spracovanie škodlivého odpadu

4Á molekulové sitá môžu čistiť odpadové vody od katiónových druhov ako napramónnyióny, Pb2+, Cu2+, Zn2+ a Cd2+. Vďaka vysokej selektivite pre NH4+ boli úspešne aplikované v teréne na bojeutrofizáciaa iné účinky vo vodných cestách v dôsledku nadmerného množstva amónnych iónov. Molekulové sitá 4Å sa tiež použili na odstránenie iónov ťažkých kovov prítomných vo vode v dôsledku priemyselných aktivít.

Iné účely

Thehutnícky priemysel: separačné činidlo, separácia, extrakcia soľanky draslíka,rubídium,cezeňatď.

Petrochemický priemysel,katalyzátor,sušidlo, adsorbent

Poľnohospodárstvo:pôdny kondicionér

Medicína: zaťaženie striebromzeolitantibakteriálne činidlo.

5Å

Chemický vzorec: 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2•4,5H2O

Pomer oxidu kremičitého a oxidu hlinitého: SiO2/Al2O3≈2

Výroba

5A molekulové sitá sa vyrábajú výmenou katiónovvápnikpresodíkv molekulových sitách 4A (pozri vyššie)

Použitie

päť-ångström(5Á) molekulové sitá sa často používajú vropapriemysel, najmä na čistenie prúdov plynov a v chemickom laboratóriu na separáciuzlúčeninya sušenie východiskových materiálov reakcie. Obsahujú drobné póry presnej a jednotnej veľkosti a používajú sa hlavne ako adsorbent plynov a kvapalín.

Na sušenie sa používajú päť-ångströmové molekulové sitázemný plyn, spolu s vystupovanímodsírenieadekarbonizáciaplynu. Môžu sa tiež použiť na oddelenie zmesí kyslíka, dusíka a vodíka a n-uhľovodíkov z oleja a vosku od rozvetvených a polycyklických uhľovodíkov.

Päť-ångströmové molekulové sitá sa skladujú pri izbovej teplote s arelatívnej vlhkostimenej ako 90 % v kartónových sudoch alebo kartónových obaloch. Molekulové sitá by nemali byť priamo vystavené vzduchu a vode, kyselinám a zásadám.

Morfológia molekulových sít

Molekulové sitá sú dostupné v rôznych tvaroch a veľkostiach. Ale guľovité guľôčky majú výhodu oproti iným tvarom, pretože ponúkajú nižšiu tlakovú stratu, sú odolné proti oderu, pretože nemajú žiadne ostré hrany, a majú dobrú pevnosť, tj tlaková sila potrebná na jednotku plochy je vyššia. Niektoré guľôčkové molekulárne sitá ponúkajú nižšiu tepelnú kapacitu a tým nižšie energetické nároky počas regenerácie.

Ďalšou výhodou použitia guľôčkových molekulových sít je, že objemová hustota je zvyčajne vyššia ako pri iných tvaroch, takže pri rovnakých požiadavkách na adsorpciu je požadovaný objem molekulového sita menší. Takže pri odstraňovaní prekážok je možné použiť guľôčkové molekulové sitá, naplniť viac adsorbentu v rovnakom objeme a vyhnúť sa akýmkoľvek úpravám nádoby.