Een moleculaire zeef is een materiaal met poriën (zeer kleine openingen) van uniforme grootte. De diameter van deze poriën is vergelijkbaar met die van kleine moleculen, waardoor grote moleculen er niet doorheen kunnen of geadsorbeerd kunnen worden, terwijl kleinere moleculen dat wel kunnen. Wanneer een mengsel van moleculen door het stationaire bed van poreuze, halfvaste stof, ook wel een zeef (of matrix) genoemd, migreert, verlaten de componenten met het hoogste molecuulgewicht (die niet door de moleculaire poriën kunnen) het bed het eerst, gevolgd door achtereenvolgens kleinere moleculen. Sommige moleculaire zeven worden gebruikt in size-exclusion chromatografie, een scheidingstechniek die moleculen sorteert op basis van hun grootte. Andere moleculaire zeven worden gebruikt als droogmiddel (enkele voorbeelden zijn actieve kool en silicagel).
De poriediameter van een moleculaire zeef wordt gemeten in ångström (Å) of nanometer (nm). Volgens de IUPAC-notatie hebben microporeuze materialen een poriediameter van minder dan 2 nm (20 Å) en macroporeuze materialen een poriediameter van meer dan 50 nm (500 Å); de mesoporeuze categorie bevindt zich dus in het midden met poriediameters tussen 2 en 50 nm (20–500 Å).
Materialen
Moleculaire zeven kunnen microporeus, mesoporeus of macroporeus materiaal zijn.
Microporeus materiaal (
●Zeolieten (aluminiumsilicaatmineralen, niet te verwarren met aluminiumsilicaat)
●Zeoliet LTA: 3–4 Å
●Poreus glas: 10 Å (1 nm) en hoger
●Actieve koolstof: 0–20 Å (0–2 nm) en groter
●Klei
●Montmorilloniet mengt zich
●Halloysiet (endelliet): Er bestaan twee veelvoorkomende vormen. In gehydrateerde toestand vertoont de klei een laagafstand van 1 nm, terwijl in gedehydrateerde toestand (meta-halloysiet) de afstand 0,7 nm bedraagt. Halloysiet komt van nature voor als kleine cilindertjes met een gemiddelde diameter van 30 nm en een lengte tussen 0,5 en 10 micrometer.
Mesoporeus materiaal (2–50 nm)
Siliciumdioxide (gebruikt voor de productie van silicagel): 24 Å (2,4 nm)
Macroporeus materiaal (>50 nm)
Macroporeus siliciumdioxide, 200–1000 Å (20–100 nm)
Toepassingen[bewerken]
Moleculaire zeven worden vaak gebruikt in de aardolie-industrie, met name voor het drogen van gasstromen. In de LNG-industrie (vloeibaar aardgas) moet bijvoorbeeld het watergehalte van het gas worden verlaagd tot minder dan 1 ppmv om verstoppingen door ijs of methaanclathraten te voorkomen.
In het laboratorium worden moleculaire zeven gebruikt om oplosmiddelen te drogen. "Zeven" blijken superieur te zijn aan traditionele droogtechnieken, waarbij vaak agressieve droogmiddelen worden gebruikt.
Onder de term zeolieten vallen moleculaire zeven die voor een breed scala aan katalytische toepassingen worden gebruikt. Ze katalyseren isomerisatie, alkylering en epoxidatie en worden toegepast in grootschalige industriële processen, waaronder hydrokraken en vloeistofkatalytisch kraken.
Ze worden ook gebruikt voor de filtratie van luchttoevoer voor ademhalingsapparatuur, bijvoorbeeld die van duikers en brandweerlieden. Bij dergelijke toepassingen wordt lucht aangevoerd door een luchtcompressor en door een cartridgefilter geleid dat, afhankelijk van de toepassing, gevuld is met moleculaire zeef en/of actieve kool. Deze lucht wordt vervolgens gebruikt om ademluchttanks te vullen. Dergelijke filtratie kan deeltjes en uitlaatgassen van de compressor uit de ademlucht verwijderen.
FDA-goedkeuring.
De Amerikaanse FDA heeft per 1 april 2012 natriumaluminosilicaat goedgekeurd voor direct contact met verbruiksartikelen onder 21 CFR 182.2727. Vóór deze goedkeuring gebruikte de Europese Unie al moleculaire zeven in combinatie met farmaceutische producten en onafhankelijke tests wezen uit dat moleculaire zeven aan alle overheidseisen voldeden, maar de industrie was niet bereid de dure tests te financieren die nodig waren voor overheidsgoedkeuring.
Regeneratie
Methoden voor het regenereren van moleculaire zeven omvatten drukverandering (zoals in zuurstofconcentratoren), verhitting en spoeling met een draaggas (zoals bij de dehydratatie van ethanol) of verhitting onder hoog vacuüm. De regeneratietemperaturen variëren van 175 °C tot 315 °C, afhankelijk van het type moleculaire zeef. Silicagel daarentegen kan worden geregenereerd door het twee uur lang in een gewone oven te verhitten tot 120 °C. Sommige soorten silicagel zullen echter "knappen" wanneer ze aan voldoende water worden blootgesteld. Dit wordt veroorzaakt door het breken van de silicabolletjes bij contact met het water.
| Model | Poriëndiameter (Ångström) | Bulkdichtheid (g/ml) | Geadsorbeerd water (% w/w) | Slijtage of schuring, W(% w/w) | Gebruik |
| 3Å | 3 | 0,60–0,68 | 19–20 | 0,3–0,6 | Uitdrogingvanaardoliekrakinggas en alkenen, selectieve adsorptie van H2O inisolatieglas (IG)en polyurethaan, drogen vanethanolbrandstofvoor menging met benzine. |
| 4Å | 4 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,6 | Adsorptie van water innatriumaluminosilicaatdie door de FDA is goedgekeurd (zieonderstaand) gebruikt als moleculaire zeef in medische containers om de inhoud droog te houden en alsvoedingsadditiefhebbenE-nummerE-554 (antiklontermiddel); Bij voorkeur gebruikt voor statische dehydratatie in gesloten vloeistof- of gassystemen, bijvoorbeeld bij de verpakking van geneesmiddelen, elektrische componenten en bederfelijke chemicaliën; waterverwijdering in druk- en kunststofsystemen en het drogen van verzadigde koolwaterstofstromen. Geadsorbeerde stoffen zijn onder andere SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 en C3H6. Wordt over het algemeen beschouwd als een universeel droogmiddel in polaire en apolaire media.[12]scheiding vanaardgasEnalkenen, adsorptie van water in niet-stikstofgevoeligepolyurethaan |
| 5Å-DW | 5 | 0,45–0,50 | 21–22 | 0,3–0,6 | Ontvetten en stolpuntverlaging vanluchtvaart kerosineEndieselen de scheiding van alkenen |
| 5 Å kleine zuurstofverrijkte | 5 | 0,4–0,8 | ≥23 | Speciaal ontworpen voor medische of gezondheidsgerelateerde zuurstofgeneratoren[bronvermelding vereist] | |
| 5Å | 5 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,5 | Uitdroging en zuivering van de lucht;uitdrogingEnontzwavelingvan aardgas envloeibaar petroleumgas;zuurstofEnwaterstofproductie doordrukschommelingsadsorptieproces |
| 10X | 8 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,6 | Zeer efficiënte sorptie, gebruikt bij het drogen, ontkolen, ontzwavelen van gas en vloeistoffen en bij de scheiding van stoffen.aromatische koolwaterstof |
| 13X | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Ontwatering, ontzwaveling en zuivering van petroleumgas en aardgas. |
| 13X-AS | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Ontkolingen uitdroging in de luchtseparatie-industrie, scheiding van stikstof van zuurstof in zuurstofconcentratoren |
| Cu-13X | 10 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,5 | Zoeten(verwijdering vanthiolen) vanvliegtuigbrandstofen overeenkomstigevloeibare koolwaterstoffen |
Adsorptiecapaciteiten
3Å
Geschatte chemische formule: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O
Silica-alumina-verhouding: SiO2/Al2O3≈2
Productie
3A moleculaire zeven worden geproduceerd door kationenuitwisseling vanpotassiumvoornatriumin 4A moleculaire zeven (zie hieronder)
Gebruik
Moleculaire zeven van 3 Å adsorberen geen moleculen met een diameter groter dan 3 Å. De kenmerken van deze moleculaire zeven zijn onder andere een snelle adsorptiesnelheid, frequente regeneratie, goede breekweerstand envervuilingsbestendigheidDeze eigenschappen kunnen zowel de efficiëntie als de levensduur van de zeef verbeteren. Moleculaire zeven van 3 Å zijn een onmisbaar droogmiddel in de aardolie- en chemische industrie voor olieraffinage, polymerisatie en dieptedroging van chemische gas-vloeistofmengsels.
Moleculaire zeven met een poriegrootte van 3 Å worden gebruikt om een reeks materialen te drogen, zoalsethanol, lucht,koelmiddelen,aardgasEnonverzadigde koolwaterstoffenTot die laatste behoren onder andere het kraken van gas.acetyleen,ethyleen,propyleenEnbutadieen.
Een moleculaire zeef van 3 Å wordt gebruikt om water uit ethanol te verwijderen. Dit water kan vervolgens direct als biobrandstof worden gebruikt of indirect voor de productie van diverse producten zoals chemicaliën, voedingsmiddelen, farmaceutische producten en meer. Omdat normale destillatie niet al het water (een ongewenst bijproduct van de ethanolproductie) uit de processtromen kan verwijderen vanwege de vorming van eenazeotroopMoleculaire zeefkorrels, met een concentratie van ongeveer 95,6 gewichtsprocent, worden gebruikt om ethanol en water op moleculair niveau te scheiden door het water in de korrels te adsorberen en de ethanol vrij te laten passeren. Zodra de korrels verzadigd zijn met water, kan de temperatuur of druk worden gemanipuleerd om het water uit de moleculaire zeefkorrels vrij te laten komen.[15]
Moleculaire zeven van 3 Å worden bewaard bij kamertemperatuur, met een relatieve luchtvochtigheid van maximaal 90%. Ze worden luchtdicht verpakt onder verlaagde druk en uit de buurt gehouden van water, zuren en basen.
4Å
Chemische formule: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O
Silicium-aluminiumverhouding: 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)
Productie
De productie van 4Å-zeef is relatief eenvoudig, omdat er geen hoge drukken of bijzonder hoge temperaturen voor nodig zijn. Typische waterige oplossingen vannatriumsilicaatEnnatriumaluminaatworden gecombineerd bij 80 °C. Het met oplosmiddel geïmpregneerde product wordt "geactiveerd" door "bakken" bij 400 °C. 4A-zeven dienen als voorloper van 3A- en 5A-zeven.kationenuitwisselingvannatriumvoorpotassium(voor 3A) ofcalcium(voor 5A)
Gebruik
Droogmiddelen
Moleculaire zeven met een poriegrootte van 4 Å worden veel gebruikt voor het drogen van oplosmiddelen in laboratoria. Ze kunnen water en andere moleculen met een kritische diameter kleiner dan 4 Å absorberen, zoals NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 en C2H4. Ze worden veel gebruikt bij het drogen, raffineren en zuiveren van vloeistoffen en gassen (zoals bij de bereiding van argon).
Polyester additieven[bewerking]
Deze moleculaire zeven worden gebruikt als hulpmiddel bij wasmiddelen, omdat ze gedemineraliseerd water kunnen produceren.calciumIonenuitwisseling verwijdert en voorkomt de afzetting van vuil. Ze worden veel gebruikt ter vervanging vanfosforHet 4Å moleculaire zeefmateriaal speelt een belangrijke rol bij het vervangen van natriumtripolyfosfaat als hulpstof in wasmiddelen om de milieubelasting van wasmiddelen te verminderen. Het kan ook worden gebruikt als eenzeepvormmiddel en intandpasta.
Behandeling van schadelijk afval
Moleculaire zeven van 4 Å kunnen afvalwater zuiveren van kationische soorten zoalsammoniumionen, Pb2+, Cu2+, Zn2+ en Cd2+. Vanwege de hoge selectiviteit voor NH4+ zijn ze met succes toegepast in de strijd tegeneutrofiëringen andere effecten in waterwegen als gevolg van een overmaat aan ammoniumionen. Moleculaire zeven van 4 Å zijn ook gebruikt om zware metaalionen te verwijderen die door industriële activiteiten in het water aanwezig zijn.
Overige doeleinden
Demetallurgische industrie: scheidingsmiddel, scheiding, extractie van kalium uit pekel,rubidium,cesiumenz.
Petrochemische industrie,katalysator,droogmiddel, adsorberend
Landbouw:bodemverbeteraar
Geneeskunde: zilver toedienenzeolietantibacterieel middel.
5Å
Chemische formule: 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2•4,5H2O
Silica-alumina-verhouding: SiO2/Al2O3≈2
Productie
5A moleculaire zeven worden geproduceerd door kationenuitwisseling vancalciumvoornatriumin 4A moleculaire zeven (zie hierboven)
Gebruik
Vijf-ångströmMoleculaire zeven met een poriegrootte van 5 Å worden vaak gebruikt in deaardolieindustrie, met name voor de zuivering van gasstromen en in het chemisch laboratorium voor het scheiden van stoffenverbindingenen als uitgangsmaterialen voor droogreacties. Ze bevatten minuscule poriën van een precieze en uniforme grootte en worden voornamelijk gebruikt als adsorptiemiddel voor gassen en vloeistoffen.
Moleculaire zeven met een maaswijdte van vijf ångström worden gebruikt om te drogen.aardgas, naast het uitvoeren vanontzwavelingEnontkolingvan het gas. Ze kunnen ook worden gebruikt om mengsels van zuurstof, stikstof en waterstof, en olie-was-n-koolwaterstoffen te scheiden van vertakte en polycyclische koolwaterstoffen.
Moleculaire zeven met een poriegrootte van vijf ångström worden bij kamertemperatuur bewaard, met eenrelatieve luchtvochtigheidMinder dan 90% in kartonnen vaten of kartonnen verpakkingen. De moleculaire zeven mogen niet direct aan lucht en water worden blootgesteld en moeten worden vermeden.
Morfologie van moleculaire zeven
Moleculaire zeven zijn verkrijgbaar in diverse vormen en maten. Bolvormige korrels hebben echter voordelen ten opzichte van andere vormen, omdat ze een lagere drukval bieden, slijtvast zijn doordat ze geen scherpe randen hebben en een goede sterkte bezitten, d.w.z. dat de benodigde druk per oppervlakte-eenheid hoger is. Bepaalde bolvormige moleculaire zeven hebben een lagere warmtecapaciteit en daardoor een lagere energiebehoefte tijdens regeneratie.
Een ander voordeel van het gebruik van moleculaire zeven met korrels is dat de bulkdichtheid doorgaans hoger is dan bij andere vormen. Hierdoor is er voor dezelfde adsorptiecapaciteit minder volume moleculaire zeven nodig. Bij het wegnemen van knelpunten kan men dus moleculaire zeven met korrels gebruiken, waardoor er meer adsorptiemateriaal in hetzelfde volume kan worden geladen en aanpassingen aan de reactor overbodig zijn.
Geplaatst op: 18 juli 2023
