Molekularno sito je material s porami (zelo majhnimi luknjicami) enakomerne velikosti. Premeri teh por so podobni velikosti majhnih molekul, zato velike molekule ne morejo vstopiti ali se adsorbirati, medtem ko manjše molekule lahko. Ko mešanica molekul migrira skozi stacionarno plast porozne, poltrdne snovi, imenovane sito (ali matrica), komponente z najvišjo molekulsko maso (ki ne morejo preiti v molekularne pore) najprej zapustijo plast, sledijo jim zaporedno manjše molekule. Nekatera molekularna sita se uporabljajo v izključitveni kromatografiji po velikosti, tehniki ločevanja, ki razvršča molekule glede na njihovo velikost. Druga molekularna sita se uporabljajo kot sušilna sredstva (nekateri primeri vključujejo aktivno oglje in silikagel).
Premer por molekularnega sita se meri v Å (Å) ali nanometrih (nm). Po notaciji IUPAC imajo mikroporozni materiali premer por manjši od 2 nm (20 Å), makroporozni materiali pa premer por večji od 50 nm (500 Å); mezoporozna kategorija torej leži v sredini s premerom por med 2 in 50 nm (20–500 Å).
Materiali
Molekularna sita so lahko mikroporozni, mezoporozni ali makroporozni material.
Mikroporozni material (
●Zeoliti (aluminosilikatni minerali, ne smemo jih zamenjevati z aluminijevim silikatom)
●LTA zeolita: 3–4 Å
●Porozno steklo: 10 Å (1 nm) in več
●Aktivno oglje: 0–20 Å (0–2 nm) in več
●Gline
●Mešanice montmorilonita
●Haloysit (endelit): Najdemo dve pogosti obliki: pri hidraciji ima glina razmik med plastmi 1 nm, pri dehidraciji (meta-halojzit) pa je razmik 0,7 nm. Halojzit se naravno pojavlja v obliki majhnih valjev s povprečnim premerom 30 nm in dolžino med 0,5 in 10 mikrometri.
Mezoporozni material (2–50 nm)
Silicijev dioksid (uporablja se za izdelavo silikagela): 24 Å (2,4 nm)
Makroporozni material (>50 nm)
Makroporozni silicijev dioksid, 200–1000 Å (20–100 nm)
Aplikacije[uredi]
Molekularna sita se pogosto uporabljajo v naftni industriji, zlasti za sušenje plinskih tokov. Na primer, v industriji utekočinjenega zemeljskega plina (LNG) je treba vsebnost vode v plinu zmanjšati na manj kot 1 ppmv, da se preprečijo blokade zaradi ledu ali metanovega klatrata.
V laboratoriju se molekularna sita uporabljajo za sušenje topil. "Sita" so se izkazala za boljša od tradicionalnih tehnik sušenja, ki pogosto uporabljajo agresivna sušilna sredstva.
Pod izrazom zeoliti se molekularna sita uporabljajo za širok spekter katalitičnih aplikacij. Katalizirajo izomerizacijo, alkilacijo in epoksidacijo ter se uporabljajo v industrijskih procesih velikega obsega, vključno s hidrokrekingom in fluidnim katalitskim krekingom.
Uporabljajo se tudi za filtracijo dovoda zraka za dihalne aparate, na primer tiste, ki jih uporabljajo potapljači in gasilci. Pri takšnih aplikacijah zrak dovaja zračni kompresor in se prevaja skozi kartušni filter, ki je, odvisno od uporabe, napolnjen z molekularnim sitom in/ali aktivnim ogljem, in se na koncu uporablja za polnjenje rezervoarjev za dihalni zrak. Takšna filtracija lahko odstrani delce in izpušne produkte kompresorja iz dovoda dihalnega zraka.
Odobritev FDA.
Ameriška agencija za hrano in zdravila (FDA) je 1. aprila 2012 odobrila natrijev aluminosilikat za neposreden stik s potrošnimi izdelki v skladu z 21 CFR 182.2727. Pred to odobritvijo je Evropska unija uporabljala molekularna sita s farmacevtskimi izdelki, neodvisni testi pa so pokazali, da molekularna sita izpolnjujejo vse vladne zahteve, vendar industrija ni bila pripravljena financirati dragih testov, potrebnih za vladno odobritev.
Regeneracija
Metode za regeneracijo molekularnih sit vključujejo spremembo tlaka (kot v koncentratorjih kisika), segrevanje in čiščenje z nosilnim plinom (kot pri dehidraciji etanola) ali segrevanje v visokem vakuumu. Temperature regeneracije se gibljejo od 175 °C (350 °F) do 315 °C (600 °F), odvisno od vrste molekularnega sita. Nasprotno pa se silikagel lahko regenerira tako, da se dve uri segreva v običajni pečici na 120 °C (250 °F). Vendar pa nekatere vrste silikagela "poči", ko so izpostavljene zadostni količini vode. To je posledica loma silikagelnih kroglic pri stiku z vodo.
| Model | Premer por (Ångström) | Gostota v razsutem stanju (g/ml) | Adsorbirana voda (% m/m) | Obraba ali odrgnina, W(% m/m) | Uporaba |
| 3 Å | 3 | 0,60–0,68 | 19–20 | 0,3–0,6 | Izsušitevodkreking nafteplin in alkeni, selektivna adsorpcija H2O vizolirano steklo (IG)in poliuretana, sušenjeetanolno gorivoza mešanje z bencinom. |
| 4Å | 4 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,6 | Adsorpcija vode vnatrijev aluminosilikatki ga je odobrila FDA (glejspodaj) uporablja se kot molekularno sito v medicinskih posodah, da vsebina ostane suha in kotaditiv za živilaimetiE-številkaE-554 (sredstvo proti sprijemanju); Prednostno za statično dehidracijo v zaprtih tekočih ali plinskih sistemih, npr. pri pakiranju zdravil, električnih komponent in pokvarljivih kemikalij; za lovljenje vode v tiskarskih in plastičnih sistemih ter za sušenje nasičenih ogljikovodikovih tokov. Adsorbirane snovi vključujejo SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 in C3H6. Na splošno velja za univerzalno sušilno sredstvo v polarnih in nepolarnih medijih;[12]ločitevzemeljski plininalkeni, adsorpcija vode v neobčutljivih na dušikpoliuretan |
| 5Å-DW | 5 | 0,45–0,50 | 21–22 | 0,3–0,6 | Razmaščevanje in znižanje temperature tečenjaletalstvo kerozinindizelin ločevanje alkenov |
| 5Å majhen, obogaten s kisikom | 5 | 0,4–0,8 | ≥23 | Posebej zasnovan za generator medicinskega ali zdravega kisikapotreben citat] | |
| 5 Å | 5 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,5 | Izsuševanje in čiščenje zraka;dehidracijainrazžvepljevanjezemeljskega plina intekoči naftni plin;kisikinvodikproizvodnja s straniadsorpcija z nihanjem tlakapostopek |
| 10-kratnik | 8 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,6 | Visoko učinkovita sorpcija, ki se uporablja pri sušenju, razogljičenju, razžvepljevanju plinov in tekočin ter ločevanjuaromatski ogljikovodik |
| 13-kratnik | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Sušenje, razžvepljevanje in čiščenje naftnega plina in zemeljskega plina |
| 13X-AS | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Razogljičenjein izsušitev v industriji ločevanja zraka, ločevanje dušika od kisika v koncentratorjih kisika |
| Cu-13X | 10 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,5 | Sladkanje(odstranitevtioli) odletalsko gorivoin ustreznotekoči ogljikovodiki |
Adsorpcijske zmogljivosti
3 Å
Približna kemijska formula: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3 • 2 SiO2 • 9/2 H2O
Razmerje med silicijevim dioksidom in aluminijevim oksidom: SiO2/ Al2O3 ≈ 2
Produkcija
Molekularna sita 3A se proizvajajo z izmenjavo kationovkalijzanatrijv molekularnih sitih 4A (glej spodaj)
Uporaba
Molekularna sita s premerom 3 Å ne adsorbirajo molekul, katerih premer je večji od 3 Å. Značilnosti teh molekularnih sit vključujejo hitro hitrost adsorpcije, sposobnost pogoste regeneracije, dobro odpornost proti drobljenju inodpornost na onesnaženjeTe lastnosti lahko izboljšajo tako učinkovitost kot življenjsko dobo sita. Molekularna sita z velikostjo lukenj 3 Å so nujno sušilno sredstvo v naftni in kemični industriji za rafiniranje nafte, polimerizacijo in globinsko sušenje kemikalij plin-tekočina.
Molekularna sita z velikostjo lukenj 3 Å se uporabljajo za sušenje različnih materialov, kot soetanol, zrak,hladilna sredstva,zemeljski plininnenasičeni ogljikovodikiSlednji vključujejo kreking plin,acetilen,etilen,propileninbutadien.
Molekularno sito 3 Å se uporablja za odstranjevanje vode iz etanola, ki se lahko kasneje neposredno uporabi kot biogorivo ali posredno za proizvodnjo različnih izdelkov, kot so kemikalije, živila, farmacevtski izdelki in drugo. Ker običajna destilacija ne more odstraniti vse vode (neželenega stranskega produkta pri proizvodnji etanola) iz procesnih tokov etanola zaradi nastankaazeotropPri koncentraciji približno 95,6 masnega odstotka se molekularne sitne kroglice uporabljajo za ločevanje etanola in vode na molekularni ravni tako, da se voda adsorbira v kroglice in etanolu omogoči prosto prehajanje. Ko so kroglice polne vode, je mogoče spreminjati temperaturo ali tlak, kar omogoča sproščanje vode iz molekularnih sitnih kroglic.[15]
Molekularna sita 3 Å se shranjujejo pri sobni temperaturi z relativno vlažnostjo največ 90 %. Zaprta so pod znižanim tlakom in ločeno od vode, kislin in alkalij.
4Å
Kemijska formula: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O
Razmerje silicij-aluminij: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)
Produkcija
Proizvodnja sita z velikostjo lukenj 4 Å je relativno enostavna, saj ne zahteva niti visokih tlakov niti posebej visokih temperatur. Običajno se zanjo uporabljajo vodne raztopinenatrijev silikatinnatrijev aluminatse združijo pri 80 °C. Izdelek, impregniran s topilom, se "aktivira" s "pečenjem" pri 400 °C. Sita 4A služijo kot predhodnik sit 3A in 5A skozikationska izmenjavaodnatrijzakalij(za 3A) alikalcij(za 5A)
Uporaba
Sušilna topila
Molekularna sita z velikostjo premera 4 Å se pogosto uporabljajo za sušenje laboratorijskih topil. Lahko absorbirajo vodo in druge molekule s kritičnim premerom manjšim od 4 Å, kot so NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 in C2H4. Pogosto se uporabljajo pri sušenju, rafiniranju in čiščenju tekočin in plinov (kot je priprava argona).
Dodatki za poliestrske agenteuredi]
Ta molekularna sita se uporabljajo kot pomoč pri detergentih, saj lahko s pomočjo njih nastane demineralizirana voda.kalcijionska izmenjava, odstranjevanje in preprečevanje odlaganja umazanije. Pogosto se uporabljajo za nadomeščanjefosforMolekularno sito 4 Å igra pomembno vlogo pri nadomeščanju natrijevega tripolifosfata kot pomožnega sredstva v detergentu, da se ublaži njegov vpliv na okolje. Uporablja se lahko tudi kotmilooblikovalno sredstvo in vzobna pasta.
Obdelava škodljivih odpadkov
Molekularna sita 4Å lahko prečistijo odplake kationskih snovi, kot soamonijioni, Pb2+, Cu2+, Zn2+ in Cd2+. Zaradi visoke selektivnosti za NH4+ so bili uspešno uporabljeni na terenu za boj protievtrofikacijain druge učinke v vodnih poteh zaradi prekomernih amonijevih ionov. Molekularna sita 4 Å so bila uporabljena tudi za odstranjevanje ionov težkih kovin, prisotnih v vodi zaradi industrijskih dejavnosti.
Drugi nameni
Themetalurška industrijaločevalno sredstvo, ločevanje, ekstrakcija kalijeve slanice,rubidij,cezijitd.
Petrokemična industrija,katalizator,sušilno sredstvo, adsorbent
Kmetijstvo:sredstvo za izboljšanje tal
Medicina: obremenitev s srebromzeolitantibakterijsko sredstvo.
5 Å
Kemijska formula: 0,7 CaO • 0,30 Na₂ O • Al₂ O₃ • 2,0 SiO₂ • 4,5 H₂ O
Razmerje med silicijevim dioksidom in aluminijevim oksidom: SiO2/ Al2O3 ≈ 2
Produkcija
Molekularna sita 5A se proizvajajo z izmenjavo kationovkalcijzanatrijv molekularnih sitih 4A (glej zgoraj)
Uporaba
Pet-ångström(5Å) molekularna sita se pogosto uporabljajo vnaftaindustriji, zlasti za čiščenje plinskih tokov in v kemijskem laboratoriju za ločevanjespojinein izhodne snovi za reakcije sušenja. Vsebujejo drobne pore natančne in enakomerne velikosti ter se uporabljajo predvsem kot adsorbent za pline in tekočine.
Za sušenje se uporabljajo molekularna sita s petimi Ångströmizemeljski plin, skupaj z nastopanjemrazžvepljevanjeindekarbonizacijaplina. Uporabljajo se lahko tudi za ločevanje mešanic kisika, dušika in vodika ter n-ogljikovodikov iz oljno-voščenih sistemov od razvejanih in policikličnih ogljikovodikov.
Molekularna sita s petimi Ångströmi se shranjujejo pri sobni temperaturi, zrelativna vlažnostmanj kot 90 % v kartonskih sodih ali kartonski embalaži. Molekularna sita ne smejo biti neposredno izpostavljena zraku in vodi, kislinam in alkalijam pa se je treba izogibati.
Morfologija molekularnih sit
Molekularna sita so na voljo v različnih oblikah in velikostih. Vendar imajo sferične kroglice prednost pred drugimi oblikami, saj ponujajo manjši padec tlaka, so odporne proti obrabi, saj nimajo ostrih robov, in imajo dobro trdnost, tj. potrebna sila stiskanja na enoto površine je višja. Nekatera molekularna sita z kroglicami ponujajo manjšo toplotno kapaciteto, s čimer se zmanjšajo potrebe po energiji med regeneracijo.
Druga prednost uporabe molekularnih sit z zrnatimi vlakni je, da je njihova nasipna gostota običajno višja kot pri drugih oblikah, zato je za enake adsorpcijske zahteve potreben manjši volumen molekularnega sita. Tako lahko pri odpravljanju ozkih grl uporabimo molekularna sita z zrnatimi vlakni, naložimo več adsorbenta v isti prostornini in se izognemo morebitnim modifikacijam posode.
Čas objave: 18. julij 2023
