Молекулярне сито – це матеріал з порами (дуже маленькими отворами) однакового розміру

Молекулярне сито – це матеріал з порами (дуже маленькими отворами) однакового розміру. Діаметри цих пор подібні за розміром до малих молекул, тому великі молекули не можуть проникнути всередину або адсорбуватися, тоді як менші молекули можуть. Коли суміш молекул мігрує через стаціонарний шар пористої, напівтвердої речовини, яку називають ситом (або матрицею), компоненти з найвищою молекулярною масою (які не можуть проникнути в молекулярні пори) спочатку залишають шар, а потім послідовно йдуть менші молекули. Деякі молекулярні сита використовуються в хроматографії з виключенням за розміром, методі розділення, який сортує молекули за їх розміром. Інші молекулярні сита використовуються як осушувачі (деякі приклади включають активоване вугілля та силікагель).
Діаметр пор молекулярного сита вимірюється в ангстремах (Å) або нанометрах (нм). Згідно з нотацією IUPAC, мікропористі матеріали мають діаметр пор менше 2 нм (20 Å), а макропористі матеріали мають діаметр пор більше 50 нм (500 Å); таким чином, мезопориста категорія знаходиться посередині з діаметром пор від 2 до 50 нм (20–500 Å).
Матеріали
Молекулярні сита можуть бути мікропористим, мезопористим або макропористим матеріалом.
Мікропористий матеріал (
●Цеоліти (алюмосилікатні мінерали, не плутати з алюмінієвим силікатом)
●LTA цеоліту: 3–4 Å
●Пористе скло: 10 Å (1 нм) і вище
●Активоване вугілля: 0–20 Å (0–2 нм) і вище
●Глини
●Суміші монтморилоніту
●Галоїзит (енделіт): Зустрічаються дві поширені форми: гідратована глина демонструє відстань між шарами 1 нм, а зневоднена (мета-галоїзит) – 0,7 нм. Галоїзит у природі зустрічається у вигляді невеликих циліндрів, середній діаметр яких становить 30 нм, а довжина – від 0,5 до 10 мікрометрів.
Мезопористий матеріал (2–50 нм)
Діоксид кремнію (використовується для виготовлення силікагелю): 24 Å (2,4 нм)
Макропористий матеріал (>50 нм)
Макропористий кремнезем, 200–1000 Å (20–100 нм)
Застосування[редагувати]
Молекулярні сита часто використовуються в нафтовій промисловості, особливо для осушення газових потоків. Наприклад, у промисловості зрідженого природного газу (ЗПГ) вміст води в газі необхідно зменшити до менш ніж 1 ppmv, щоб запобігти засміченню, спричиненому льодом або клатратом метану.
У лабораторії молекулярні сита використовуються для сушіння розчинника. «Сита» виявилися кращими за традиційні методи сушіння, в яких часто використовуються агресивні осушувачі.
Під терміном цеоліти молекулярні сита використовуються для широкого спектру каталітичних застосувань. Вони каталізують ізомеризацію, алкілування та епоксидування, і використовуються у великомасштабних промислових процесах, включаючи гідрокрекінг та флюїд-каталітичний крекінг.
Вони також використовуються для фільтрації повітря, що подається до дихальних апаратів, наприклад, тих, що використовуються аквалангістами та пожежниками. У таких випадках повітря подається повітряним компресором і проходить через картриджний фільтр, який, залежно від застосування, заповнений молекулярним ситом та/або активованим вугіллям, і нарешті використовується для заряджання балонів з повітрям для дихання. Така фільтрація може видаляти тверді частинки та продукти вихлопу компресора з повітря, що подається до дихання.
Схвалення FDA.
Станом на 1 квітня 2012 року FDA США схвалило алюмосилікат натрію для прямого контакту з витратними матеріалами відповідно до 21 CFR 182.2727. До цього схвалення Європейський Союз використовував молекулярні сита з фармацевтичними препаратами, і незалежні випробування показали, що молекулярні сита відповідають усім урядовим вимогам, але промисловість не бажала фінансувати дорогі випробування, необхідні для урядового схвалення.
Регенерація
Методи регенерації молекулярних сит включають зміну тиску (як у кисневих концентраторах), нагрівання та продувку газом-носієм (як при використанні в дегідратації етанолу) або нагрівання у високому вакуумі. Температури регенерації коливаються від 175 °C (350 °F) до 315 °C (600 °F) залежно від типу молекулярного сита. На противагу цьому, силікагель можна регенерувати, нагріваючи його у звичайній печі до 120 °C (250 °F) протягом двох годин. Однак деякі типи силікагелю "лопаються" при контакті з достатньою кількістю води. Це спричинено руйнуванням кремнеземних сфер під час контакту з водою.

Модель	Діаметр пор (Ангстрем)	Насипна щільність (г/мл)	Адсорбована вода (% мас./мас.)	Стирання або знос, Вт(% мас./мас.)	Використання
3 Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Висиханнязкрекінг нафтигазу та алкенів, селективна адсорбція H2O візольоване скло (ІС)та поліуретану, сушінняетанольне паливодля змішування з бензином.
4 Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Адсорбція води валюмосилікат натріюякий схвалений FDA (див.нижче) використовується як молекулярне сито в медичних контейнерах для збереження вмісту сухим та якхарчова добавкамаючиE-номерE-554 (антизлежувач); Рекомендований для статичної дегідратації в закритих рідких або газових системах, наприклад, в упаковці ліків, електричних компонентів та швидкопсувних хімікатів; для поглинання води в друкарських та пластмасових системах та для сушіння насичених вуглеводневих потоків. Адсорбовані речовини включають SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 та C3H6. Зазвичай вважається універсальним сушильним агентом у полярних та неполярних середовищах;[12]розділенняприродний газіалкени, адсорбція води в нечутливих до азотуполіуретан
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Знежирення та зниження температури застиганняавіація гасідизель, та розділення алкенів
5Å малий, збагачений киснем	5	0,4–0,8	≥23		Спеціально розроблений для медичного або здорового генератора киснюпотрібне посилання]
5 Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Осушення та очищення повітря;зневодненняідесульфуризаціяприродного газу тарідкий нафтовий газ;кисеньіводеньвиробництвоадсорбція при коливаннях тискупроцес
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Високоефективна сорбція, що використовується для десикації, зневуглецювання, десульфурації газу та рідин, а також для розділенняароматичний вуглеводень
13X	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Десикація, десульфуризація та очищення нафтового газу та природного газу
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Зневуглецюваннята осушення в промисловості розділення повітря, відділення азоту від кисню в кисневих концентраторах
Cu-13X	10	0,50–0,60	23–24	0,3–0,5	Підсолоджування(видаленнятіоли) завіаційне паливота відповіднірідкі вуглеводні

Адсорбційні можливості

3 Å

Приблизна хімічна формула: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3 • 2 SiO2 • 9/2 H2O

Співвідношення кремнезему та оксиду алюмінію: SiO2/ Al2O3 ≈ 2

Виробництво

Молекулярні сита 3A отримують шляхом катіонного обмінукалійдлянатрійу молекулярних ситах 4A (див. нижче)

Використання

Молекулярні сита 3 Å не адсорбують молекули, діаметр яких перевищує 3 Å. Характеристики цих молекулярних сит включають швидку швидкість адсорбції, здатність до частої регенерації, добру стійкість до здавлювання тастійкість до забрудненняЦі характеристики можуть покращити як ефективність, так і термін служби сита. Молекулярні сита з розміром пор 3 Å є необхідним осушувачем у нафтовій та хімічній промисловості для переробки нафти, полімеризації та хімічного глибокого сушіння газо-рідинних систем.

Молекулярні сита 3 Å використовуються для сушіння різних матеріалів, таких якетанол, повітря,холодоагенти,природний газіненасичені вуглеводніДо останніх належать крекінг-газ,ацетилен,етилен,пропіленібутадієн.

Молекулярне сито 3 Å використовується для видалення води з етанолу, який згодом можна використовувати безпосередньо як біопаливо або опосередковано для виробництва різних продуктів, таких як хімічні речовини, харчові продукти, фармацевтичні препарати тощо. Оскільки звичайна дистиляція не може видалити всю воду (небажаний побічний продукт виробництва етанолу) з потоків процесу виробництва етанолу через утворення...азеотропПри концентрації близько 95,6 відсотка за вагою, молекулярні ситові кульки використовуються для розділення етанолу та води на молекулярному рівні шляхом адсорбції води в кульки та забезпечення вільного проходження етанолу. Після того, як кульки наповняться водою, можна маніпулювати температурою або тиском, що дозволяє воді вивільнятися з молекулярних ситових кульок.[15]

Молекулярні сита 3 Å зберігаються при кімнатній температурі з відносною вологістю не більше 90%. Вони герметично упаковані під зниженим тиском, подалі від води, кислот та лугів.

4 Å

Хімічна формула: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

Співвідношення кремній-алюміній: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

Виробництво

Виробництво сита 4Å є відносно простим, оскільки не вимагає ні високого тиску, ні особливо високих температур. Зазвичай водні розчинисилікат натріюіалюмінат натріюоб'єднуються при 80 °C. Продукт, просочений розчинником, «активується» шляхом «випікання» при 400 °C. Сита 4A служать попередниками сит 3A та 5A.катіонний обмінзнатрійдлякалій(для 3A) абокальцій(для 5А)

Використання

Розчинники для сушіння

Молекулярні сита 4 Å широко використовуються для сушіння лабораторних розчинників. Вони можуть поглинати воду та інші молекули з критичним діаметром менше 4 Å, такі як NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 та C2H4. Вони широко використовуються для сушіння, рафінування та очищення рідин і газів (таких як приготування аргону).

 

Поліефірні добавкиредагувати]

Ці молекулярні сита використовуються для допомоги мийним засобам, оскільки вони можуть виробляти демінералізовану воду.кальційіонний обмін, видалення та запобігання відкладенню бруду. Вони широко використовуються для замінифосфорМолекулярне сито 4 Å відіграє важливу роль у заміні триполіфосфату натрію як допоміжного засобу для миття, щоб зменшити вплив миючого засобу на навколишнє середовище. Його також можна використовувати якмилоформувальний агент і взубна паста.

Обробка шкідливих відходів

Молекулярні сита 4Å можуть очищати стічні води від катіонних частинок, таких якамонійіони Pb2+, Cu2+, Zn2+ та Cd2+. Завдяки високій селективності до NH4+ вони успішно застосовуються в польових умовах для боротьби зевтрофікаціята інші наслідки для водних шляхів через надмірний вміст іонів амонію. Молекулярні сита 4 Å також використовувалися для видалення іонів важких металів, присутніх у воді внаслідок промислової діяльності.

Інші цілі

Theметалургійна промисловістьрозділювальний агент, розділення, екстракція розсолу калію,рубідій,цезійтощо.

Нафтохімічна промисловість,каталізатор,осушувач, адсорбент

Сільське господарство:пом'якшувач ґрунту

Ліки: навантаження срібломцеолітантибактеріальний засіб.

5 Å

Хімічна формула: 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2•4,5H2O

Співвідношення кремнезему та оксиду алюмінію: SiO2/ Al2O3 ≈ 2

Виробництво

Молекулярні сита 5A виготовляються шляхом катіонного обмінукальційдлянатрійу молекулярних ситах 4A (див. вище)

Використання

П'ять-Ангстрем(5Å) молекулярні сита часто використовуються внафтапромисловості, особливо для очищення газових потоків та в хімічній лабораторії для розділеннясполукита вихідні матеріали для реакції сушіння. Вони містять крихітні пори точного та однорідного розміру та в основному використовуються як адсорбент для газів та рідин.

Для сушіння використовуються молекулярні сита з п'ятьма ангстремами.природний газ, разом з виконаннямдесульфуризаціяідекарбонізаціїгазу. Їх також можна використовувати для відділення сумішей кисню, азоту та водню, а також н-вуглеводнів нафтовоскоподібної системи від розгалужених та поліциклічних вуглеводнів.

Молекулярні сита з п'ятьма ангстремами зберігаються при кімнатній температурі,відносна вологістьменше 90% у картонних бочках або картонній упаковці. Молекулярні сита не повинні піддаватися безпосередньому контакту з повітрям та водою, слід уникати кислот та лугів.

Морфологія молекулярних сит

Молекулярні сита доступні в різних формах і розмірах. Але сферичні кульки мають перевагу над іншими формами, оскільки вони забезпечують менший перепад тиску, стійкі до стирання, оскільки не мають гострих країв, і мають добру міцність, тобто сила роздавлювання, необхідна на одиницю площі, вища. Деякі молекулярні сита з кульками мають меншу теплоємність, а отже, нижчі енергоємності під час регенерації.

Іншою перевагою використання молекулярних сит з бісеру є те, що насипна щільність зазвичай вища, ніж у інших форм, тому для тих самих потреб адсорбції потрібен менший об'єм молекулярного сита. Таким чином, усуваючи вузькі місця, можна використовувати молекулярні сита з бісеру, завантажувати більше адсорбенту в тому ж об'ємі та уникати будь-яких модифікацій резервуарів.