Молекулярное сито - Википедия - Molecular sieve

Запечатанная канистра, обычно заполненная силикагель и другие молекулярные сита, используемые в качестве осушитель в контейнерах с лекарствами, чтобы содержимое оставалось сухим.
Флаконы мезопористый кремнезем

А молекулярная решетка это материал с поры (очень маленькие отверстия) одинакового размера. Эти диаметры пор похожи по размеру на маленькие молекулы, поэтому большие молекулы не могут проникать внутрь или быть адсорбированный, в то время как более мелкие молекулы могут. Когда смесь молекул мигрирует через неподвижный слой пористого полутвердого вещества, называемого ситом (или матрицей), компоненты с наибольшей молекулярной массой (которые не могут пройти в молекулярные поры) покидают слой первыми, а затем последовательно меньшими молекулами. Некоторые молекулярные сита используются в хроматография, метод разделения, который сортирует молекулы по их размеру. Другие молекулярные сита используются в качестве осушители (некоторые примеры включают активированный уголь и силикагель ).[1]

Диаметр молекулярного сита измеряется в Ангстремс (Å) или нанометры (нм). В соответствии с ИЮПАК обозначение микропористые материалы иметь диаметр пор менее 2 нм (20 Å) и макропористые материалы иметь диаметр пор более 50 нм (500 Å); то мезопористый Таким образом, категория находится в середине с диаметром пор от 2 до 50 нм (20–500 Å).[2]

Материалы

Молекулярные сита могут быть микропористый, мезопористый, или же макропористый материал.

Микропористый материал (<2 нм)

Мезопористый материал (2–50 нм)

Макропористый материал (> 50 нм)

Приложения

Молекулярные сита часто используются в нефть промышленность, особенно для сушки газовых потоков. Например, в отрасли сжиженного природного газа (СПГ) содержание воды в газе необходимо снизить до менее 1 ppmv для предотвращения засоров из-за льда.

В лаборатории для сушки растворителя используются молекулярные сита. «Сита» превосходят традиционные методы сушки, в которых часто используются агрессивные осушители.[7]

Под термином цеолиты молекулярные сита используются в широком спектре каталитических применений. Они катализируют изомеризация, алкилирование, и эпоксидирование, и используются в крупномасштабных промышленных процессах, в том числе гидрокрекинг и жидко-каталитический треск.[8]

Они также используются для фильтрации воздуха, подаваемого в дыхательные аппараты, например, используемых в аквалангисты и пожарные. В таких случаях воздух подается от воздушный компрессор и пропускается через картриджный фильтр, который, в зависимости от области применения, заполняется молекулярным ситом и / или Активированный уголь, наконец, используется для зарядки баллонов с воздухом для дыхания.[9] Такая фильтрация может удалять частицы и продукты выхлопа компрессора из подаваемого воздуха для дыхания.

Одобрение FDA

FDA США одобрило с 1 апреля 2012 г. алюмосиликат натрия для прямого контакта с расходными материалами согласно 21 CFR 182.2727.[10] До этого утверждения Европа использовала молекулярные сита с фармацевтическими препаратами, и независимые испытания показали, что молекулярные сита соответствуют всем государственным требованиям, но промышленность не желала финансировать дорогостоящие испытания, необходимые для утверждения правительством.[11]

Регенерация

Методы регенерации молекулярных сит включают изменение давления (как в концентраторах кислорода), нагревание и продувку газом-носителем (как при использовании в этиловый спирт обезвоживание) или нагревание в высоком вакууме. Температура регенерации колеблется от 175 ° C до 315 ° C в зависимости от типа молекулярного сита.[12] В отличие, силикагель можно регенерировать нагревая его в обычной духовке до 120 ° C (250 ° F) в течение двух часов. Однако некоторые типы силикагеля "лопаются" при воздействии достаточного количества воды. Это вызвано разрушением сфер кремнезема при контакте с водой.[13]

Адсорбционные возможности

МодельДиаметр пор (Ангстрем )Насыпная плотность (г / мл)Адсорбированная вода (% по массе )Истирание или истирание, Вт (% по массе)использование[14]
3Å30.60–0.6819–200.3–0.6Высыхание из крекинг нефти газ и алкены, селективная адсорбция H2О в изоляционное стекло (IG) и полиуретан
4Å40.60–0.6520–210.3–0.6Адсорбция воды в алюмосиликат натрия который одобрен FDA (см. ниже ) используется в качестве молекулярного сита в медицинских контейнерах для сохранения содержимого сухим и пищевая добавка имея E-номер E-554 (средство против слеживания); Предпочтительно для статической дегидратации в закрытых жидкостных или газовых системах, например, при упаковке лекарств, электрических компонентов и скоропортящихся химикатов; удаление воды в печатных и пластмассовых системах и сушка потоков насыщенных углеводородов. Адсорбированные частицы включают SO2, CO2, H2S, C2ЧАС4, С2ЧАС6, а C3ЧАС6. Обычно считается универсальным сушильным агентом в полярных и неполярных средах;[12] разделение натуральный газ и алкены, адсорбция воды в нечувствительных к азоту полиуретан
5Å-DW50.45–0.5021–220.3–0.6Обезжиривание и понижение температуры застывания авиация керосин и дизель, и разделение алкенов
5Å малый обогащенный кислородом50.4–0.8≥23Специально разработан для медицинского или здорового генератора кислорода[нужна цитата ]
5Å50.60–0.6520–210.3–0.5Осушение и очистка воздуха; обезвоживание и обессеривание природного газа и жидкий нефтяной газ; кислород и водород производство адсорбция при переменном давлении процесс
В 10 раз80.50–0.6023–240.3–0.6Высокоэффективная сорбция, используемая при сушке, обезуглероживании, обессеривании газов и жидкостей и разделении ароматический углеводород
13X100.55–0.6523–240.3–0.5Осушение, десульфуризация и очистка нефтяного газа и природного газа
13X-AS100.55–0.6523–240.3–0.5Обезуглероживание и осушение в промышленности разделения воздуха, отделение азота от кислорода в концентраторах кислорода
Cu-13X100.50–0.6023–240.3–0.5Подслащивание (удаление тиолы ) из авиационное топливо и соответствующие жидкие углеводороды

3Å

  • Приблизительная химическая формула: ((K2O)​2⁄3 (Na2O)​1⁄3) • Al2О3• 2 SiO2 • 9/2 часа2О
  • Соотношение оксид кремния и алюминия: SiO2/ Al2О3≈2

Производство

Молекулярные сита 3A производятся катионным обменом калий за натрий в молекулярных ситах 4A (см. ниже)

использование

Молекулярные сита 3Å не адсорбируют молекулы, диаметр которых превышает 3 Å. Характеристики этих молекулярных сит включают высокую скорость адсорбции, способность к частой регенерации, хорошее сопротивление раздавливанию и устойчивость к загрязнению. Эти особенности могут улучшить как эффективность, так и срок службы сита. Молекулярные сита 3Å являются необходимым влагопоглотителем в нефтяной и химической промышленности для очистки нефти, полимеризации и химической глубинной сушки газа и жидкости.

Молекулярные сита 3Å используются для сушки ряда материалов, таких как этиловый спирт, воздуха, хладагенты, натуральный газ и непредельные углеводороды. К последним относятся крекинг-газ, ацетилен, этилен, пропилен и бутадиен.

Молекулярное сито 3Å используется для удаления воды из этанола, который впоследствии можно использовать непосредственно в качестве биотоплива или косвенно для производства различных продуктов, таких как химические вещества, продукты питания, фармацевтические препараты и многое другое. Поскольку обычная дистилляция не может удалить всю воду (нежелательный побочный продукт при производстве этанола) из технологических потоков этанола из-за образования азеотроп при концентрации около 95 процентов гранулы молекулярного сита используются для разделения этанола и воды на молекулярном уровне путем адсорбции воды гранулами и обеспечения беспрепятственного прохождения этанола. После того, как шарики наполнятся водой, можно управлять температурой или давлением, позволяя воде высвободиться из шариков молекулярного сита.[15]

Молекулярные сита 3Å хранят при комнатной температуре и относительной влажности не более 90%. Они герметично закрыты при пониженном давлении, вдали от воды, кислот и щелочей.

4Å

  • Химическая формула: Na2O • Al2О3• 2SiO2• 9 / 2ч2О
  • Соотношение оксид кремния и алюминия: SiO2/ Al2О3≈2

Производство

Производство 4Å относительно несложно и не требует ни высокого давления, ни особенно высоких температур. Объедините водные растворы силиката натрия и алюмината натрия при 80 ° C, перемешайте / перемешайте некоторое время, затем «активируйте» путем «запекания» при 400 ° C.[16] Сита 4А служат предшественником сит 3А и 5А через катионный обмен из натрий за калий (для 3А) или кальций (для 5А)[17][18]

использование

Сушильные растворители

Молекулярные сита 4Å широко используются для сушки лабораторных растворителей.[7] Они могут поглощать воду и другие молекулы с критическим диаметром менее 4 Å, такие как NH.3, H2S, SO2, CO2, С2ЧАС5ОН, С2ЧАС6, а C2ЧАС4. Он широко используется при сушке, рафинировании и очистке жидкостей и газов (например, для приготовления аргона).

Флакон с молекулярными ситами 4Å.

Добавки полиэфирных агентов

Эти молекулярные сита используются в качестве вспомогательных средств для моющих средств, поскольку они могут производить деминерализованную воду через кальций ионный обмен, удаление и предотвращение отложения грязи. Они широко используются для замены фосфор. Молекулярное сито 4Å играет важную роль в замене триполифосфата натрия в качестве вспомогательного моющего средства для уменьшения воздействия моющего средства на окружающую среду. Его также можно использовать как мыло формирующий агент и в зубная паста.

Обработка вредных отходов

Молекулярные сита 4Å могут очищать сточные воды от катионных частиц, таких как аммоний ионы, Pb2+, Cu2+, Zn2+ и Cd2+. Благодаря высокой селективности по NH4+ они успешно применялись в полевых условиях для борьбы с эвтрофикация и другие эффекты в водных путях из-за чрезмерного количества ионов аммония. Молекулярные сита 4Å также использовались для удаления ионов тяжелых металлов, присутствующих в воде из-за промышленной деятельности.

Прочие цели

  1. В металлургическая промышленность: разделительный агент, разделение, извлечение из рассола калия, рубидий, цезий, так далее.
  2. Нефтехимическая промышленность, катализатор, осушитель, адсорбент
  3. Сельское хозяйство: почвенный кондиционер
  4. Лекарство: загрузить серебро цеолит антибактериальное средство.

5Å

  • Химическая формула: 0,7CaO • 0,30Na.2O • Al2О3• 2.0SiO2 • 4,5 ч2О
  • Соотношение оксид кремния и алюминия: SiO2/ Al2О3≈2

Производство

Молекулярные сита 5A производятся катионным обменом кальций за натрий в молекулярных ситах 4A (см. выше)

использование

Пять ангстрем (5Å) молекулярные сита часто используются в нефть промышленность, особенно для очистки газовых потоков и в химической лаборатории для разделения соединения и сушку исходных материалов реакции. Они содержат крошечные поры точного и однородного размера и в основном используются в качестве адсорбента для газов и жидкостей.

Пять молекулярных сит Ангстрема используются для сушки натуральный газ, наряду с выполнением обессеривание и декарбонизация газа. Их также можно использовать для отделения смесей кислорода, азота и водорода и н-углеводородов масла и парафина от разветвленных и полициклических углеводородов.

Пять молекулярных сит Ангстрема хранят при комнатной температуре с относительная влажность менее 90% в картонных бочках или картонной упаковке. Молекулярные сита не должны подвергаться прямому воздействию воздуха и воды, следует избегать кислот и щелочей.

Выбор молекулярных сит

Молекулярные сита доступны в различных формах и размерах. Но сферические шарики имеют преимущество перед другими формами, поскольку они обеспечивают меньший перепад давления, устойчивы к истиранию, поскольку не имеют острых краев, и обладают хорошей прочностью, то есть сила раздавливания, требуемая на единицу площади, выше. Некоторые гранулированные молекулярные сита обладают более низкой теплоемкостью, что снижает энергозатраты во время регенерации.

Другое преимущество использования гранулированных молекулярных сит заключается в том, что насыпная плотность обычно выше, чем у других форм, таким образом, для тех же требований к адсорбции требуемый объем молекулярного сита меньше. Таким образом, при устранении узких мест вы можете использовать гранулированные молекулярные сита, загружать больше адсорбента в том же объеме и избегать каких-либо модификаций емкости.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Определение молекулярного сита - Определение молекулярного сита - Что такое молекулярное сито?". Chemistry.about.com. 2013-12-18. Архивировано из оригинал на 2014-02-21. Получено 2014-02-26.
  2. ^ Ж. Рукероль; и другие. (1994). «Рекомендации по определению характеристик пористых твердых тел (Технический отчет)» (бесплатно скачать pdf). Pure Appl. Chem. 66 (8): 1739–1758. Дои:10.1351 / pac199466081739.
  3. ^ "МОЛЕКУЛЯРНОЕ СИТО С ПОКРЫТИЕМ - Патентная заявка". Faqs.org. 2010-03-18. Получено 2014-02-26.
  4. ^ Бриндли, Джордж У. (1952). «Структурная минералогия глин». Глины и глинистые минералы. 1: 33–43. Bibcode:1952CCM ..... 1 ... 33B. Дои:10.1346 / CCMN.1952.0010105.
  5. ^ «Типы осушителей». SorbentSystems.com. Получено 2014-02-26.
  6. ^ Mann, B.F .; Mann, A.K.P .; Skrabalak, S.E .; Новотный, М. В. (2013). «Макропористые частицы диоксида кремния размером менее 2 мкм, полученные для увеличения гликопротеинов с повышенным сродством к лектину». Аналитическая химия. 85 (3): 1905–1912. Дои:10.1021 / ac303274w. ЧВК  3586544. PMID  23278114.
  7. ^ а б Уильямс, Д. Б., Лоутон, М., «Сушка органических растворителей: количественная оценка эффективности нескольких осушителей», Журнал органической химии 2010, т. 75, 8351. Дои: 10.1021 / jo101589h
  8. ^ Pujadó, P.R .; Rabó, J. A .; Antos, G.J .; Гембицки, С.А. (1992-03-11). «Промышленное каталитическое применение молекулярных сит». Катализ сегодня. 13 (1): 113–141. Дои:10.1016 / 0920-5861 (92) 80191-О.
  9. ^ [1] В архиве 16 апреля 2012 г. Wayback Machine
  10. ^ «Раздел 182.2727 Алюмосиликат натрия». Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. 1 апреля 2012 г.. Получено 10 декабря 2012.
  11. ^ «Осушитель молекулярных сит». DesiccantPacks.net. Получено 2014-02-26.
  12. ^ а б «Молекулярные сита». Сигма-Олдрич. Получено 2014-02-26.
  13. ^ Спенс Конде, «Получение шариков цеолита с высоким содержанием кремния из силикагеля», получено 26 сентября 2011 г.
  14. ^ «Молекулярное сито, молекулярные сита yiyuan». Chemicalpackingcorp.com. Получено 2014-02-26.
  15. ^ "Hengye Inc". Hengye Inc. Hengye Inc. Получено 10 июля 2015.
  16. ^ США 3433588, Макс Мишель и Денис Папи, "Метод получения цеолитов с единицей измерения 4 ангстрем", опубликовано 18 марта 1969 г., выпущено 18 марта 1969 г. 
  17. ^ Zeochem
  18. ^ Внутриглобальный

внешняя ссылка