A molekulaszűrő egy olyan anyag, amelynek pórusai (nagyon apró lyukai) egyenletes méretűek

A molekulaszűrő egy olyan anyag, amelynek pórusai (nagyon apró lyukai) egyenletes méretűek. Ezek a pórusátmérők hasonló méretűek a kis molekulákéhoz, így a nagy molekulák nem tudnak bejutni vagy adszorbeálódni, míg a kisebb molekulák igen. Ahogy a molekulák keveréke áthalad a porózus, félszilárd anyag álló ágyán, amelyet szitának (vagy mátrixnak) neveznek, a legnagyobb molekulatömegű komponensek (amelyek nem tudnak bejutni a molekula pórusaiba) először elhagyják az ágyat, majd ezt követik a kisebb molekulák. Egyes molekulaszűrőket méretkizárásos kromatográfiában használnak, amely egy olyan elválasztási technika, amely a molekulákat méretük alapján rendezi. Más molekulaszűrőket szárítószerként használnak (néhány példa az aktív szén és a szilikagél).
A molekulaszűrő pórusátmérőjét ångströmben (Å) vagy nanométerben (nm) mérik. Az IUPAC jelölésrendszere szerint a mikroporózus anyagok pórusátmérője kisebb, mint 2 nm (20 Å), a makroporózus anyagoké pedig nagyobb, mint 50 nm (500 Å); a mezopórusos kategória tehát a kettő között helyezkedik el, 2 és 50 nm (20–500 Å) közötti pórusátmérővel.
Anyagok
A molekulaszűrők lehetnek mikroporózus, mezopórusos vagy makroporózus anyagok.
Mikroporózus anyag (
●Zeolitok (alumínium-szilikát ásványok, nem összekeverendő az alumínium-szilikáttal)
●Zeolit ​​LTA: 3–4 Å
● Porózus üveg: 10 Å (1 nm) és feljebb
●Aktív szén: 0–20 Å (0–2 nm), és feljebb
●Agyagok
●Montmorillonit keverékek
●Halloysit (endellit): Két gyakori formája létezik: hidratált állapotban az agyag rétegei 1 nm-enként térnek el egymástól, dehidratált állapotban (meta-halloysit) pedig 0,7 nm-enként. A halloysit természetes módon kis hengerek formájában fordul elő, amelyek átlagos átmérője 30 nm, hossza pedig 0,5 és 10 mikrométer között van.
Mezopórusos anyag (2–50 nm)
Szilícium-dioxid (szilikagél előállításához): 24 Å (2,4 nm)
Makroporózus anyag (>50 nm)
Makroporózus szilícium-dioxid, 200–1000 Å (20–100 nm)
Alkalmazások[szerkesztés]
A molekulaszűrőket gyakran használják a kőolajiparban, különösen gázáramok szárítására. Például a cseppfolyósított földgáz (LNG) iparban a gáz víztartalmát 1 ppmv alá kell csökkenteni, hogy megakadályozzák a jég vagy metán-klatrát okozta eltömődéseket.
A laboratóriumban molekulaszűrőket használnak az oldószerek szárítására. A „sziták” bizonyítottan jobbak a hagyományos szárítási technikáknál, amelyek gyakran agresszív szárítószereket alkalmaznak.
A zeolitok alatt a molekulaszűrőket széles körben használják katalitikus alkalmazásokhoz. Katalizálják az izomerizációt, az alkilezést és az epoxidációt, és nagyméretű ipari folyamatokban, többek között hidrokrakkolásban és fluid katalitikus krakkolásban is alkalmazzák.
Légzőkészülékek levegőellátásának szűrésére is használják őket, például a búvárok és tűzoltók által használtakhoz. Ilyen alkalmazásokban a levegőt egy légkompresszor biztosítja, amely egy patronszűrőn halad át, amely az alkalmazástól függően molekulaszűrővel és/vagy aktív szénnel van feltöltve, végül pedig a légzőlevegő-tartályok feltöltésére szolgál. Az ilyen szűrés eltávolíthatja a részecskéket és a kompresszor kipufogógázait a légzőlevegő-ellátásból.
FDA jóváhagyás.
Az Egyesült Államok FDA-ja 2012. április 1-jétől jóváhagyta a nátrium-alumínium-szilikát közvetlen érintkezését fogyóeszközökkel a 21 CFR 182.2727 szerint. Ezt a jóváhagyást megelőzően az Európai Unió molekulaszűrőket használt gyógyszeripari termékekben, és független vizsgálatok azt sugallták, hogy a molekulaszűrők megfelelnek minden kormányzati követelménynek, de az iparág nem volt hajlandó finanszírozni a kormányzati jóváhagyáshoz szükséges drága vizsgálatokat.
Regeneráció
A molekulaszűrők regenerálásának módszerei közé tartozik a nyomásváltozás (mint az oxigénkoncentrátorokban), a vivőgázzal való melegítés és átöblítés (mint például az etanol dehidratálásánál), vagy a nagy vákuumban történő melegítés. A regenerációs hőmérséklet 175 °C (350 °F) és 315 °C (600 °F) között mozog a molekulaszűrő típusától függően. Ezzel szemben a szilikagél regenerálható úgy, hogy egy hagyományos kemencében 120 °C-ra (250 °F) két órán át melegítjük. Bizonyos típusú szilikagélek azonban "pattannak", ha elegendő mennyiségű víz éri őket. Ezt a szilikagél gömbök törése okozza, amikor vízzel érintkeznek.

Modell	Pórusátmérő (Ångström)	Térfogatsűrűség (g/ml)	Adszorbeált víz (tömegszázalék)	Kopás vagy kopás, W(% tömeg/tömeg)	Használat
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Kiszáradásakőolaj krakkolásgáz és alkének, a H2O szelektív adszorpciójahőszigetelt üveg (IG)és poliuretán, száradásetanol üzemanyagbenzinnel való keveréshez.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Víz adszorpciójanátrium-alumínium-szilikátamelyet az FDA jóváhagyott (lásdalatt) molekulaszűrőként használják orvosi tartályokban a tartalom szárazon tartására ésélelmiszer-adalékanyagbirtoklásE-számE-554 (csomósodásgátló); Előnyben részesített statikus szárítás zárt folyékony vagy gáz halmazállapotú rendszerekben, pl. gyógyszerek, elektromos alkatrészek és romlandó vegyi anyagok csomagolásában; vízmegkötő funkció nyomtatási és műanyagipari rendszerekben, valamint telített szénhidrogénáramok szárításában. Az adszorbeált anyagok közé tartoznak a SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 és C3H6. Általában univerzális szárítószernek tekintik poláris és nem poláris közegekben;[12]szétválasztásaföldgázésalkének, a víz adszorpciója nem nitrogénérzékeny környezetbenpoliuretán
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Zsírtalanítás és dermedéspont-csökkenésrepülés kerozinésdízelés alkének elválasztása
5Å kis oxigénnel dúsított	5	0,4–0,8	≥23		Kifejezetten orvosi vagy egészséges oxigéngenerátorhoz tervezve [hivatkozás szükséges]
5 Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	A levegő szárítása és tisztítása;kiszáradáséskéntelenítésföldgázból ésfolyékony kőolajgáz;oxigénéshidrogéngyártás általnyomásingadozásos adszorpciófolyamat
10-szeres	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Nagy hatékonyságú szorpció, gázok és folyadékok szárításához, dekarbonizációjához, kéntelenítéséhez és elválasztásához használjákaromás szénhidrogén
13x	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Kőolajgáz és földgáz szárítása, kéntelenítése és tisztítása
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Dekarbonizációés szárítás a levegőszétválasztó iparban, nitrogén elválasztása az oxigéntől oxigénkoncentrátorokban
Cu-13X	10	0,50–0,60	23–24	0,3–0,5	Édesítés(eltávolításatiolok) arepülőgép-üzemanyagés a megfelelőfolyékony szénhidrogének

Adszorpciós képességek

3Å

Hozzávetőleges kémiai képlet: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3 • 2 SiO2 • 9/2 H2O

Szilícium-alumínium-oxid arány: SiO2/ Al2O3≈2

Termelés

A 3A molekulaszitákat kationcserével állítják elő.káliummertnátrium4A molekulaszűrőkben (lásd alább)

Használat

A 3Å molekulaszűrők nem adszorbeálják a 3Å-nél nagyobb átmérőjű molekulákat. Ezen molekulaszűrők jellemzői közé tartozik a gyors adszorpciós sebesség, a gyakori regenerációs képesség, a jó törési ellenállás ésszennyezéssel szembeni ellenállásEzek a tulajdonságok javíthatják a szita hatékonyságát és élettartamát is. A 3Å molekulaszűrők a kőolaj- és vegyiparban a kőolajfinomításhoz, a polimerizációhoz és a kémiai gáz-folyadék mélységi szárításhoz szükséges szárítószerek.

A 3Å molekulaszitákat különféle anyagok szárítására használják, példáuletanol, levegő,hűtőközegek,földgázéstelítetlen szénhidrogénekAz utóbbiak közé tartozik a krakkológáz,acetilén,etilén,propilénésbutadién.

A 3Å molekulaszűrőt az etanolból víz eltávolítására használják, amelyet később közvetlenül bioüzemanyagként, vagy közvetve különféle termékek, például vegyi anyagok, élelmiszerek, gyógyszerek és egyebek előállítására lehet felhasználni. Mivel a normál desztilláció nem tudja eltávolítani az összes vizet (az etanolgyártás nemkívánatos melléktermékét) az etanol-feldolgozási áramokból a kialakuló ... miattazeotrópKörülbelül 95,6 tömegszázalékos koncentrációban a molekulaszűrő gyöngyöket arra használják, hogy molekuláris szinten elválasztják az etanolt és a vizet úgy, hogy a vizet adszorbeálják a gyöngyökbe, és lehetővé teszik az etanol szabad áthaladását. Miután a gyöngyök megteltek vízzel, a hőmérséklet vagy a nyomás manipulálható, lehetővé téve a víz felszabadítását a molekulaszűrő gyöngyökből.[15]

A 3Å molekulaszűrőket szobahőmérsékleten, legfeljebb 90%-os relatív páratartalom mellett tároljuk. Csökkentett nyomás alatt lezárt csomagolásban, víztől, savaktól és lúgoktól távol tartjuk.

4Å

Kémiai képlet: Na₂O•Al₂O₃•2SiO₂•9/2H₂O

Szilícium-alumínium arány: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

Termelés

A 4Å szita előállítása viszonylag egyszerű, mivel sem nagy nyomást, sem különösen magas hőmérsékletet nem igényel. Általában vizes oldatoknátrium-szilikátésnátrium-aluminát80 °C-on egyesítik. Az oldószerrel impregnált terméket 400 °C-on történő „sütéssel” „aktiválják”. A 4A sziták a 3A és 5A sziták előfutáraiként szolgálnak.kationcsereanátriummertkálium(3A esetén) vagykalcium(5A-hoz)

Használat

Szárító oldószerek

A 4Å molekulaszűrőket széles körben használják laboratóriumi oldószerek szárítására. Képesek vizet és más, 4 Å-nél kisebb kritikus átmérőjű molekulákat, például NH3-at, H2S-t, SO2-t, CO2-t, C2H5OH-t, C2H6-ot és C2H4-et elnyelni. Széles körben alkalmazzák folyadékok és gázok szárításában, finomításában és tisztításában (például argon előállításában).

 

Poliészter adalékanyagokszerkesztés]

Ezeket a molekulaszűrőket a mosószerek segítésére használják, mivel képesek ásványmentesített vizet előállítanikalciumioncserélő, eltávolítja és megakadályozza a szennyeződések lerakódását. Széles körben használják őket a cseréjérefoszforA 4Å molekulaszűrő fontos szerepet játszik a nátrium-tripolifoszfát mosószer-segédanyagként való helyettesítésében, ezáltal csökkentve a mosószer környezeti hatását. Emellett használható…szappanképzőanyag ésfogkrém.

Káros hulladékkezelés

A 4Å molekulaszűrők képesek megtisztítani a szennyvizet a kationos vegyületektől, mint példáulammóniumionok, Pb2+, Cu2+, Zn2+ és Cd2+. Az NH4+ iránti magas szelektivitásuk miatt sikeresen alkalmazták őket a terepen a leküzdésükreeutrofizációés egyéb hatások a vízi utakban a túlzott ammóniumion-tartalom miatt. A 4Å molekulaszűrőket az ipari tevékenységek miatt a vízben jelenlévő nehézfém-ionok eltávolítására is használták.

Egyéb célok

Akohászati ​​iparelválasztószer, elválasztás, sóoldat-kálium extrakciója,rubídium,cézium, stb.

Petrolkémiai ipar,katalizátor,szárítószer, adszorbens

Mezőgazdaság:talajjavító

Gyógyszer: ezüst betöltésezeolitantibakteriális szer.

5 Å

Kémiai képlet: 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2•4,5H2O

Szilícium-alumínium-oxid arány: SiO2/ Al2O3≈2

Termelés

Az 5A molekulaszitákat kationcserével állítják elő.kalciummertnátrium4A molekulaszűrőkben (lásd fent)

Használat

Öt-ångströmAz (5Å) molekulaszitákat gyakran használják apetróleumiparban, különösen gázáramok tisztítására és a kémiai laboratóriumban elválasztásravegyületekés szárítási reakció kiindulási anyagai. Apró, pontos és egyenletes méretű pórusokat tartalmaznak, és főként gázok és folyadékok adszorbenseként használják őket.

Öt angström molekulaszitákat használnak a szárításhozföldgáz, a fellépések mellettkéntelenítésésdekarbonizációa gáz. Használhatók oxigén, nitrogén és hidrogén keverékeinek, valamint olaj-viasz n-szénhidrogének elágazó láncú és policiklusos szénhidrogénektől való elválasztására is.

Az öt ngströmös molekulaszitákat szobahőmérsékleten tároljuk,relatív páratartalomkevesebb, mint 90% kartondobozokban vagy dobozos csomagolásban. A molekulaszűrőket nem szabad közvetlenül levegőnek és víznek kitenni, savakat és lúgokat kerülni kell.

A molekuláris szűrők morfológiája

A molekulaszűrők különféle formákban és méretekben kaphatók. A gömb alakú gyöngyöknek azonban van egy előnyük más formákkal szemben, mivel alacsonyabb nyomásesést biztosítanak, kopásállóak, mivel nincsenek éles széleik, és jó szilárdságúak, azaz egységnyi felületre vetítve nagyobb a szükséges nyomóerő. Bizonyos gyöngyös molekulaszűrők alacsonyabb hőkapacitással rendelkeznek, így alacsonyabb energiaigényt igényelnek a regenerálás során.

A gyöngyös molekulaszűrők használatának másik előnye, hogy a térfogatsűrűségük általában nagyobb, mint más alakú szűrőké, így ugyanazon adszorpciós igény kielégítéséhez kisebb térfogat szükséges. Így a szűk keresztmetszetek kiküszöbölésekor gyöngyös molekulaszűrőket lehet használni, több adszorbenst lehet betölteni ugyanabban a térfogatban, és elkerülni a tartály módosítását.