Un peneiro molecular é un material con poros (buratos moi pequenos) de tamaño uniforme. Estes diámetros de poros son similares en tamaño ás moléculas pequenas e, polo tanto, as moléculas grandes non poden entrar nin ser adsorbidas, mentres que as moléculas máis pequenas si. A medida que unha mestura de moléculas migra a través do leito estacionario de substancia porosa e semisólida denominada peneiro (ou matriz), os compoñentes de maior peso molecular (que non poden pasar aos poros moleculares) abandonan primeiro o leito, seguidos de moléculas sucesivamente máis pequenas. Algúns peneiros moleculares utilízanse na cromatografía de exclusión por tamaño, unha técnica de separación que clasifica as moléculas segundo o seu tamaño. Outros peneiros moleculares utilízanse como desecantes (algúns exemplos inclúen o carbón activado e o xel de sílice).
O diámetro dos poros dun peneiro molecular mídese en ångströms (Å) ou nanómetros (nm). Segundo a notación IUPAC, os materiais microporosos teñen diámetros de poros inferiores a 2 nm (20 Å) e os materiais macroporosos teñen diámetros de poros superiores a 50 nm (500 Å); polo tanto, a categoría mesoporosa sitúase no medio, con diámetros de poros entre 2 e 50 nm (20–500 Å).
Materiais
As peneiras moleculares poden ser de material microporoso, mesoporoso ou macroporoso.
material microporoso (
●Zeolitas (minerais de aluminosilicato, que non se deben confundir co silicato de aluminio)
●Zeolita LTA: 3–4 Å
●Vidro poroso: 10 Å (1 nm) e máis
●Carbón activo: 0–20 Å (0–2 nm) e máis
●Arxilas
●Intermesturas de montmorillonita
●Haloisita (endelita): Atópanse dúas formas comúns: cando se hidrata, a arxila presenta unha separación das capas de 1 nm e, cando se deshidrata (meta-haloisita), a separación é de 0,7 nm. A haloisita preséntase de forma natural en forma de pequenos cilindros que teñen unha media de 30 nm de diámetro e lonxitudes de entre 0,5 e 10 micrómetros.
Material mesoporoso (2–50 nm)
Dióxido de silicio (usado para fabricar xel de sílice): 24 Å (2,4 nm)
Material macroporoso (>50 nm)
Sílice macroporosa, 200–1000 Å (20–100 nm)
Aplicacións[editar]
As peneiras moleculares utilízanse a miúdo na industria do petróleo, especialmente para secar fluxos de gas. Por exemplo, na industria do gas natural líquido (GNL), o contido de auga do gas debe reducirse a menos de 1 ppmv para evitar bloqueos causados por xeo ou clatrato de metano.
No laboratorio, as peneiras moleculares úsanse para secar solventes. As "peneiras" demostraron ser superiores ás técnicas de secado tradicionais, que adoitan empregar desecantes agresivos.
Baixo o termo zeolitas, as peneiras moleculares utilízanse para unha ampla gama de aplicacións catalíticas. Catalizan a isomerización, a alquilación e a epoxidación, e utilízanse en procesos industriais a grande escala, incluíndo a hidrocraqueo e o craqueo catalítico fluído.
Tamén se empregan na filtración de subministracións de aire para aparellos respiratorios, por exemplo, os que empregan mergulladores e bombeiros. Nestas aplicacións, o aire é subministrado por un compresor de aire e pásase a través dun filtro de cartucho que, dependendo da aplicación, se enche con peneira molecular e/ou carbón activado, e finalmente úsase para cargar os tanques de aire respiratorio. Esta filtración pode eliminar partículas e produtos de escape do compresor do subministro de aire respiratorio.
Aprobación da FDA.
A FDA dos Estados Unidos aprobou o aluminosilicato de sodio para o contacto directo con artigos consumibles segundo o 21 CFR 182.2727, desde o 1 de abril de 2012. Antes desta aprobación, a Unión Europea xa empregara peneiras moleculares con produtos farmacéuticos e probas independentes suxeriron que as peneiras moleculares cumprían todos os requisitos gobernamentais, pero a industria non estaba disposta a financiar as caras probas necesarias para a aprobación gobernamental.
Rexeneración
Os métodos para a rexeneración de peneiras moleculares inclúen o cambio de presión (como nos concentradores de osíxeno), o quecemento e a purga cun gas portador (como cando se usa na deshidratación do etanol) ou o quecemento a alto baleiro. As temperaturas de rexeneración oscilan entre os 175 °C e os 315 °C dependendo do tipo de peneira molecular. Pola contra, o xel de sílice pódese rexenerar quentándoo nun forno normal a 120 °C durante dúas horas. Non obstante, algúns tipos de xel de sílice "rebentarán" cando se expoñen a suficiente auga. Isto débese á rotura das esferas de sílice ao entrar en contacto coa auga.
| Modelo | Diámetro do poro (Ångström) | Densidade aparente (g/ml) | Auga adsorbida (% p/p) | Atrición ou abrasión, W(% p/p) | Uso |
| 3 Å | 3 | 0,60–0,68 | 19–20 | 0,3–0,6 | Desecacióndecraqueo do petróleogas e alcenos, adsorción selectiva de H2O envidro illado (IG)e poliuretano, secado decombustible de etanolpara mesturar con gasolina. |
| 4 Å | 4 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,6 | Adsorción de auga enaluminosilicato de sodioque está aprobado pola FDA (véxaseabaixo) usado como peneira molecular en recipientes médicos para manter o contido seco e comoaditivo alimentariotendoNúmero electrónicoE-554 (axente antiaglomerante); preferido para a deshidratación estática en sistemas pechados de líquidos ou gases, por exemplo, en envases de medicamentos, compoñentes eléctricos e produtos químicos perecedoiros; eliminación de auga en sistemas de impresión e plásticos e secado de correntes de hidrocarburos saturadas. As especies adsorbidas inclúen SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 e C3H6. Xeralmente considérase un axente secante universal en medios polares e non polares;[12]separación degas naturalealcenos, adsorción de auga en non sensibles ao nitróxenopoliuretano |
| 5 Å-DW | 5 | 0,45–0,50 | 21–22 | 0,3–0,6 | Desengraxamento e redución do punto de vertido deaviación querosenoediésele separación de alquenos |
| 5 Å pequeno enriquecido con osíxeno | 5 | 0,4–0,8 | ≥23 | Especialmente deseñado para xeradores de osíxeno médicos ou saudablescita necesaria] | |
| 5 Å | 5 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,5 | Desecación e purificación do aire;deshidrataciónedesulfuraciónde gas natural egas líquido de petróleo;osíxenoehidróxenoprodución poradsorción por oscilación de presiónproceso |
| 10X | 8 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,6 | Sorción de alta eficiencia, utilizada na desecación, descarburación, desulfuración de gases e líquidos e na separación dehidrocarburo aromático |
| 13X | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Desecación, desulfuración e purificación de gas de petróleo e gas natural |
| 13X-AS | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Descarburacióne desecación na industria da separación de aire, separación de nitróxeno do osíxeno en concentradores de osíxeno |
| Cu-13X | 10 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,5 | Edulcorante(eliminación detioles) decombustible de aviacióne correspondentehidrocarburos líquidos |
capacidades de adsorción
3 Å
Fórmula química aproximada: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3 • 2 SiO2 • 9/2 H2O
Relación sílice-alúmina: SiO2/Al2O3≈2
Produción
As peneiras moleculares 3A prodúcense mediante intercambio catiónico depotasioparasodioen peneiras moleculares 4A (ver máis abaixo)
Uso
As peneiras moleculares de 3 Å non adsorben moléculas cuxos diámetros sexan maiores de 3 Å. As características destas peneiras moleculares inclúen unha rápida velocidade de adsorción, unha capacidade de rexeneración frecuente, unha boa resistencia á trituración eresistencia á contaminaciónEstas características poden mellorar tanto a eficiencia como a vida útil da peneira. As peneiras moleculares de 3 Å son o desecante necesario nas industrias petroleira e química para o refinado de petróleo, a polimerización e o secado químico en profundidade de gas-líquido.
As peneiras moleculares de 3 Å úsanse para secar unha variedade de materiais, comoetanol, aire,refrixerantes,gas naturalehidrocarburos insaturadosEstes últimos inclúen gas de craqueo,acetileno,etileno,propilenoebutadieno.
O peneiro molecular de 3 Å utilízase para eliminar a auga do etanol, que posteriormente se pode usar directamente como biocombustible ou indirectamente para producir diversos produtos como produtos químicos, alimentos, produtos farmacéuticos e moito máis. Dado que a destilación normal non pode eliminar toda a auga (un subproduto indesexable da produción de etanol) dos fluxos do proceso de etanol debido á formación dunazeótropoCunha concentración de arredor do 95,6 por cento en peso, as esferas de peneira molecular utilízanse para separar o etanol e a auga a nivel molecular adsorbendo a auga nas esferas e permitindo que o etanol pase libremente. Unha vez que as esferas están cheas de auga, pódese manipular a temperatura ou a presión, o que permite que a auga se libere das esferas de peneira molecular.[15]
As peneiras moleculares de 3 Å almacénanse a temperatura ambiente, cunha humidade relativa non superior ao 90 %. Están seladas a presión reducida, manténdoas lonxe de auga, ácidos e álcalis.
4 Å
Fórmula química: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O
Proporción silicio-aluminio: 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)
Produción
A produción dunha peneira de 4 Å é relativamente sinxela, xa que non require nin altas presións nin temperaturas particularmente altas. Normalmente, as solucións acuosas desilicato de sodioealuminato de sodiocombínanse a 80 °C. O produto impregnado en solvente "actívase" mediante "cocción" a 400 °C. As peneiras 4A serven como precursoras das peneiras 3A e 5A a través deintercambio de catiónsdesodioparapotasio(para 3A) oucalcio(para 5A)
Uso
Solventes de secado
As peneiras moleculares de 4 Å úsanse amplamente para secar solventes de laboratorio. Poden absorber auga e outras moléculas cun diámetro crítico inferior a 4 Å, como NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 e C2H4. Úsanse amplamente no secado, refinado e purificación de líquidos e gases (como a preparación de argon).
Aditivos para axentes de poliéstereditar]
Estas peneiras moleculares úsanse para axudar aos deterxentes, xa que poden producir auga desmineralizada mediantecalciointercambio iónico, eliminan e impiden a deposición de sucidade. Úsanse amplamente para substituírfósforoO peneiro molecular de 4 Å desempeña un papel importante para substituír o tripolifosfato de sodio como auxiliar de deterxentes co fin de mitigar o impacto ambiental do deterxente. Tamén se pode usar comoxabónaxente formador e enpasta de pasta.
Tratamento de residuos nocivos
As peneiras moleculares de 4 Å poden purificar as augas residuais de especies catiónicas comoamonioións, Pb2+, Cu2+, Zn2+ e Cd2+. Debido á alta selectividade para NH4+, aplicáronse con éxito no campo para combatereutrofizacióne outros efectos nas vías fluviais debido ao exceso de ións de amonio. Tamén se empregaron peneiras moleculares de 4 Å para eliminar ións de metais pesados presentes na auga debido a actividades industriais.
Outros fins
O/Aindustria metalúrxicaaxente separador, separación, extracción de salmoira potásica,rubidio,cesio, etc.
industria petroquímica,catalizador,desecante, adsorbente
Agricultura:acondicionador do solo
Medicina: carga de pratazeolitaaxente antibacteriano.
5 Å
Fórmula química: 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2•4,5H2O
Relación sílice-alúmina: SiO2/Al2O3≈2
Produción
As peneiras moleculares 5A prodúcense mediante intercambio catiónico decalcioparasodioen peneiras moleculares 4A (ver arriba)
Uso
Cinco-ångströmAs peneiras moleculares (5 Å) úsanse a miúdo nopetróleoindustria, especialmente para a purificación de correntes gasosas e no laboratorio químico para a separacióncompostose materiais de partida para reaccións de secado. Conteñen poros diminutos dun tamaño preciso e uniforme e utilízanse principalmente como adsorbentes para gases e líquidos.
As peneiras moleculares de cinco Å angström úsanse para secargas natural, xunto coa actuacióndesulfuraciónedecarbonatacióndo gas. Tamén se poden empregar para separar mesturas de osíxeno, nitróxeno e hidróxeno, e n-hidrocarburos de aceite e cera de hidrocarburos ramificados e policíclicos.
As peneiras moleculares de cinco ångström almacénanse a temperatura ambiente, cunhahumidade relativamenos do 90 % en barrís de cartón ou envases de cartón. As peneiras moleculares non deben estar expostas directamente ao aire e á auga, así como aos ácidos e álcalis.
Morfoloxía das peneiras moleculares
As peneiras moleculares están dispoñibles en diversas formas e tamaños. Pero as esferas esféricas teñen vantaxe sobre outras formas xa que ofrecen unha menor caída de presión, son resistentes ao desgaste xa que non teñen bordos afiados e teñen boa resistencia, é dicir, a forza de esmagamento requirida por unidade de área é maior. Certas peneiras moleculares de esferas ofrecen menor capacidade calorífica, polo que requiren menos enerxía durante a rexeneración.
A outra vantaxe de usar peneiras moleculares de perlas é que a densidade aparente adoita ser maior que a doutras formas, polo que para o mesmo requisito de adsorción o volume de peneira molecular necesario é menor. Así, ao eliminar os estrangulamentos, pódense usar peneiras moleculares de perlas, cargar máis adsorbente no mesmo volume e evitar calquera modificación do recipiente.
Data de publicación: 18 de xullo de 2023
