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

Molekulárne sito je materiál s pórmi (veľmi malými otvormi) jednotnej veľkosti. Priemer týchto pórov je podobný veľkosti malých molekúl, a preto veľké molekuly nemôžu vstúpiť do pórov alebo byť adsorbované, zatiaľ čo menšie molekuly áno. Keď zmes molekúl migruje cez stacionárne lôžko z pórovitej, 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 v chromatografii s vylučovaním podľa veľkosti, čo je separačná technika, ktorá triedi molekuly na základe ich veľkosti. Iné molekulové sitá sa používajú ako desikanty (napríklad aktívne uhlie a silikagél).
Priemer pórov molekulového sita sa meria v Å (Å) alebo nanometroch (nm). Podľa notácie IUPAC majú mikroporézne materiály priemer pórov menší ako 2 nm (20 Å) a makroporézne materiály majú priemer pórov väčší ako 50 nm (500 Å); mezoporézna kategória sa teda nachádza v strede s priemerom pórov medzi 2 a 50 nm (20 – 500 Å).
Materiály
Molekulárne sitá môžu byť z mikroporézneho, mezoporézneho alebo makroporézneho materiálu.
Mikroporézny materiál (
●Zeolity (hlinitokremičitanové minerály, nezamieňať s kremičitanom hlinitým)
●LTA zeolitu: 3–4 Å
●Pórovité sklo: 10 Å (1 nm) a viac
●Aktívne uhlie: 0–20 Å (0–2 nm) a viac
●Hliny
●Zmesi montmorillonitu
●Halloysit (endelit): Vyskytujú sa dve bežné formy: pri hydratácii má íl rozostup vrstiev 1 nm a pri dehydratácii (meta-halloysit) je rozostup 0,7 nm. Halloysit sa prirodzene vyskytuje ako malé valčeky s priemerným priemerom 30 nm a dĺžkou medzi 0,5 a 10 mikrometrami.
Mezoporézny materiál (2–50 nm)
Oxid kremičitý (používaný na výrobu silikagélu): 24 Å (2,4 nm)
Makroporézny materiál (> 50 nm)
Makroporézny oxid kremičitý, 200 – 1 000 Å (20 – 100 nm)
Aplikácie[upraviť]
Molekulárne sitá sa často používajú v ropnom priemysle, najmä na sušenie plynných prúdov. Napríklad v priemysle skvapalneného zemného plynu (LNG) je potrebné znížiť obsah vody v plyne na menej ako 1 ppmv, aby sa zabránilo upchatiu spôsobenému ľadom alebo metánklatrátom.
V laboratóriu sa na sušenie rozpúšťadla používajú molekulárne sitá. „Sita“ sa ukázali byť lepšie ako tradičné techniky sušenia, ktoré často používajú agresívne vysúšadlá.
Pod pojmom zeolity sa molekulárne sitá používajú v širokej škále katalytických aplikácií. Katalyzujú izomerizáciu, alkyláciu a epoxidáciu a používajú sa vo veľkých priemyselných procesoch vrátane hydrokrakovania a fluidného katalytického krakovania.
Používajú sa aj na filtráciu vzduchu pre dýchacie prístroje, napríklad tie, ktoré používajú potápači a hasiči. V takýchto aplikáciách je vzduch dodávaný vzduchovým kompresorom a prechádza cez patrónový filter, ktorý je v závislosti od aplikácie naplnený molekulárnym sitom a/alebo aktívnym uhlím a nakoniec sa používa na plnenie tlakových nádob s dýchacím vzduchom. Takáto filtrácia dokáže odstrániť častice a produkty výfukových plynov kompresora z prívodu dýchacieho vzduchu.
Schválenie FDA.
Americký úrad FDA od 1. apríla 2012 schválil hlinitokremičitan sodný na priamy kontakt so spotrebným materiálom podľa 21 CFR 182.2727. Pred týmto schválením Európska únia používala molekulárne sitá s liekmi a nezávislé testovanie naznačovalo, že molekulárne sitá spĺňajú všetky vládne požiadavky, ale priemysel nebol ochotný financovať drahé testovanie potrebné na schválenie vládou.
Regenerácia
Metódy regenerácie molekulárnych sít zahŕňajú zmenu tlaku (ako v koncentrátoroch kyslíka), zahrievanie a preplachovanie nosným plynom (ako pri použití pri dehydratácii etanolu) alebo zahrievanie vo vysokom vákuu. Regeneračné teploty sa pohybujú od 175 °C (350 °F) do 315 °C (600 °F) v závislosti od typu molekulárneho sita. Naproti tomu silikagél sa dá regenerovať zahrievaním v bežnej peci na 120 °C (250 °F) počas dvoch hodín. Niektoré typy silikagélu však pri vystavení dostatočnému množstvu vody „praskajú“. Je to spôsobené rozbitím silikónových guľôčok pri kontakte s vodou.

Model	Priemer pórov (Ångström)	Objemová hustota (g/ml)	Adsorbovaná voda (% hmotn./hmotn.)	Oder alebo abrázia, W(% hmotn./hmotn.)	Použitie
3 Å	3	0,60 – 0,68	19 – 20	0,3 – 0,6	Vysušeniezkrakovanie ropyplyn a alkény, selektívna adsorpcia H2O vizolačné sklo (IG)a polyuretánu, sušenieetanolové palivona miešanie s benzínom.
4 Å	4	0,60 – 0,65	20 – 21	0,3 – 0,6	Adsorpcia vody vhlinitokremičitan sodnýktorý je schválený FDA (pozrinižšie) používané ako molekulárne sito v lekárskych nádobách na udržanie obsahu v suchu a akopotravinárska prísadamaťE-čísloE-554 (protihrudkujúca látka); Vhodná na statickú dehydratáciu v uzavretých kvapalných alebo plynných systémoch, napr. pri balení liekov, elektrických súčiastok a chemikálií podliehajúcich skaze; na zachytávanie vody v tlačiarenských a plastových systémoch a na sušenie nasýtených uhľovodíkových prúdov. Adsorbované látky zahŕňajú SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 a C3H6. Všeobecne sa považuje za univerzálne sušiace činidlo v polárnych a nepolárnych médiách;[12]oddeleniezemný plynaalkényadsorpcia vody v látkach necitlivých na dusíkpolyuretán
5Å-DW	5	0,45 – 0,50	21 – 22	0,3 – 0,6	Odmasťovanie a znižovanie bodu tuhnutialetectvo petrolejanaftaa separácia alkénov
5 Å malý obohatený kyslíkom	5	0,4–0,8	≥23		Špeciálne navrhnutý pre generátor lekárskeho alebo zdravého kyslíkapotrebný citát]
5 Å	5	0,60 – 0,65	20 – 21	0,3 – 0,5	Vysušovanie a čistenie vzduchu;dehydratáciaaodsireniezemného plynu askvapalnený ropný plyn;kyslíkavodíkvýroba podľaadsorpcia s kolísaním tlakuproces
10-násobok	8	0,50 – 0,60	23 – 24	0,3 – 0,6	Vysokoúčinná sorpcia, používaná pri desikácii, dekarbonizácii, odsirovaní plynov a kvapalín a separáciiaromatický uhľovodík
13-násobok	10	0,55 – 0,65	23 – 24	0,3 – 0,5	Vysušovanie, odsirovanie a čistenie ropného plynu a zemného plynu
13X-AS	10	0,55 – 0,65	23 – 24	0,3 – 0,5	Oduhličeniea vysušovanie v priemysle separácie vzduchu, separácia dusíka od kyslíka v koncentrátoroch kyslíka
Cu-13X	10	0,50 – 0,60	23 – 24	0,3 – 0,5	Sladenie(odstránenietioly) zletecké palivoa zodpovedajúcekvapalné uhľovodíky

Adsorpčné schopnosti

3 Å

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

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

Produkcia

Molekulárne sitá 3A sa vyrábajú katiónovou výmenoudraslíkpresodíkv molekulových sitách 4A (pozri nižšie)

Použitie

Molekulárne sitá s veľkosťou pórov 3 Å neadsorbujú molekuly s priemerom väčším ako 3 Å. Medzi vlastnosti týchto molekulárnych sít patrí vysoká rýchlosť adsorpcie, schopnosť častej regenerácie, dobrá odolnosť voči drveniu a...odolnosť voči znečisteniuTieto vlastnosti môžu zlepšiť účinnosť aj životnosť sita. Molekulárne sitá s veľkosťou pórov 3 Å sú nevyhnutným vysúšadlom v ropnom a chemickom priemysle na rafináciu ropy, polymerizáciu a hĺbkové sušenie chemických plynovo-kvapalinových zmesí.

Molekulárne sitá s veľkosťou pórov 3 Å sa používajú na sušenie rôznych materiálov, ako napríkladetanol, vzduch,chladivá,zemný plynanenasýtené uhľovodíkyMedzi ne patrí krakovací plyn,acetylén,etylén,propylénabutadién.

Molekulárne sito s veľkosťou pórov 3 Å sa používa na odstránenie vody z etanolu, ktorý sa neskôr môže použiť priamo ako biopalivo alebo nepriamo na výrobu rôznych produktov, ako sú chemikálie, potraviny, liečivá a ďalšie. Keďže bežná destilácia nedokáže odstrániť všetku vodu (nežiaduci vedľajší produkt pri výrobe etanolu) z procesných prúdov etanolu kvôli tvorbe...azeotropPri koncentrácii približne 95,6 hmotnostných percent sa molekulárne sitové guľôčky používajú na oddelenie etanolu a vody na molekulárnej úrovni adsorpciou vody do guľôčok a umožnením etanolu voľného prechodu. Keď sú guľôčky naplnené vodou, je možné manipulovať s teplotou alebo tlakom, čo umožňuje uvoľnenie vody z molekulárnych sitových guľôčok.[15]

Molekulové sitá s veľkosťou pórov 3 Å sa skladujú pri izbovej teplote s relatívnou vlhkosťou nepresahujúcou 90 %. Sú uzavreté za zníženého tlaku a chránené pred vodou, kyselinami a zásadami.

4 Å

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

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

Produkcia

Výroba sita s veľkosťou pórov 4 Å je relatívne jednoduchá, pretože nevyžaduje ani vysoké tlaky, ani obzvlášť vysoké teploty. Typicky sa používajú vodné roztoky...kremičitan sodnýahlinitan sodnýsa kombinujú pri teplote 80 °C. Produkt impregnovaný rozpúšťadlom sa „aktivuje“ „vypálením“ pri teplote 400 °C. Sitá 4A slúžia ako prekurzor sít 3A a 5A.katiónová výmenazsodíkpredraslík(pre 3A) alebovápnik(pre 5A)

Použitie

Sušiace rozpúšťadlá

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

 

Prísady do polyesterových látokupraviť]

Tieto molekulárne sitá sa používajú na podporu detergentov, pretože dokážu produkovať demineralizovanú vodu.vápnikiónovú výmenu, odstraňujú a zabraňujú usadzovaniu nečistôt. Široko sa používajú na nahradeniefosforMolekulové sito s veľkosťou pórov 4 Å zohráva dôležitú úlohu pri nahrádzaní tripolyfosfátu sodného ako pomocnej látky v detergente s cieľom zmierniť jeho vplyv na životné prostredie. Môže sa tiež použiť ako...mydlotvarovacie činidlo a vzubná pasta.

Spracovanie škodlivého odpadu

Molekulárne sitá s veľkosťou pórov 4 Å dokážu čistiť odpadové vody od katiónových látok, ako napríkladamónnyióny Pb2+, Cu2+, Zn2+ a Cd2+. Vďaka vysokej selektivite pre NH4+ sa úspešne používajú v teréne na boj protieutrofizáciaa ďalšie účinky vo vodných tokoch v dôsledku nadmerného množstva amónnych iónov. Molekulárne sitá s veľkosťou pórov 4 Å sa tiež používajú na odstraňovanie iónov ťažkých kovov prítomných vo vode v dôsledku priemyselných činností.

Iné účely

Ten/Tá/Tohutnícky priemyselseparačné činidlo, separácia, extrakcia draselného roztoku soľanky,rubídium,céziumatď.

Petrochemický priemysel,katalyzátor,vysúšadlo, adsorbent

Poľnohospodárstvo:pôdny kondicionér

Liečivo: striebrozeolitantibakteriálne činidlo.

5 Å

Chemický vzorec: 0,7 CaO • 0,30 Na₂ O • Al₂ O₃ • 2,0 SiO₂ • 4,5 H₂ O

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

Produkcia

Molekulové sitá 5A sa vyrábajú katiónovou výmenouvápnikpresodíkv molekulových sitách 4A (pozri vyššie)

Použitie

Päť-Ångström(5 Å) molekulové sitá sa často používajú vropapriemysel, najmä na čistenie plynných prúdov a v chemickom laboratóriu na separáciuzlúčeninya východiskové materiály pre reakciu sušenia. Obsahujú drobné póry presnej a jednotnej veľkosti a používajú sa hlavne ako adsorbent pre plyny a kvapaliny.

Na sušenie sa používajú päťangströmové molekulové sitázemný plyn, spolu s vystupovanímodsirenieadekarbonizáciaplynu. Môžu sa tiež použiť na oddelenie zmesí kyslíka, dusíka a vodíka a n-uhľovodíkov olejovo-voskovej štruktúry od rozvetvených a polycyklických uhľovodíkov.

Päťangströmové molekulové sitá sa skladujú pri izbovej teplote s...relatívna vlhkosťmenej ako 90 % v kartónových sudoch alebo kartónových obaloch. Molekulárne sitá by nemali byť priamo vystavené vzduchu a vode, malo by sa vyhnúť kyselinám a zásadám.

Morfológia molekulových sít

Molekulárne sitá sú dostupné v rôznych tvaroch a veľkostiach. Guľovité guľôčky majú však oproti iným tvarom výhodu, pretože ponúkajú nižší pokles tlaku, sú odolné voči oderu, keďže nemajú ostré hrany, a majú dobrú pevnosť, t. j. tlaková sila potrebná na jednotku plochy je vyššia. Niektoré guľôčkové molekulové sitá ponúkajú nižšiu tepelnú kapacitu, a teda aj nižšie energetické nároky počas regenerácie.

Ďalšou výhodou použitia perlových molekulových sít je ich sypná hustota, ktorá je zvyčajne vyššia ako u iných tvarov, takže pre rovnaké adsorpčné požiadavky je potrebný menší objem molekulového sita. Pri odstraňovaní úzkych miest je teda možné použiť perlové molekulové sitá, naplniť väčším množstvom adsorbentu v rovnakom objeme a vyhnúť sa akýmkoľvek úpravám nádoby.