Peneira molecular - Molecular sieve

Um recipiente selado, geralmente preenchido com sílica gel e outras peneiras moleculares usadas como dessecante em recipientes de medicamentos para manter o conteúdo seco.
Frascos de sílica mesoporosa

Uma peneira molecular é um material com poros (orifícios muito pequenos) de tamanho uniforme. Esses diâmetros de poro são semelhantes em tamanho às moléculas pequenas e, portanto, moléculas grandes não podem entrar ou ser adsorvidas , enquanto as moléculas menores podem. À medida que uma mistura de moléculas migra através do leito estacionário de substância porosa e semissólida referida como uma peneira (ou matriz), os componentes de maior peso molecular (que são incapazes de passar para os poros moleculares) deixam o leito primeiro, seguidos por moléculas sucessivamente menores. Algumas peneiras moleculares são usadas na cromatografia de exclusão de tamanho , uma técnica de separação que classifica as moléculas com base em seu tamanho. Outras peneiras moleculares são usadas como dessecantes (alguns exemplos incluem carvão ativado e gel de sílica ).

O diâmetro de uma peneira molecular é medido em ångströms (Å) ou nanômetros (nm). De acordo com a notação IUPAC , os materiais microporosos têm diâmetros de poro inferiores a 2 nm (20 Å) e os materiais macroporosos têm diâmetros de poros superiores a 50 nm (500 Å); a categoria mesoporosa , portanto, fica no meio com diâmetros de poro entre 2 e 50 nm (20–500 Å).

Materiais

As peneiras moleculares podem ser microporosas , mesoporosas ou macroporosas .

Material microporoso (<2 nm)

  • Zeólitas ( minerais aluminossilicatos , não devem ser confundidos com silicato de alumínio )
    • Zeolite LTA: 3–4 Å
  • Vidro poroso : 10 Å (1 nm) e acima
  • Carbono ativo : 0–20 Å (0–2 nm) e acima
  • Argilas
    • Misturas de montmorilonita
      • Halloysite (endellite): Duas formas comuns são encontradas, quando hidratada a argila exibe um espaçamento de 1 nm das camadas e quando desidratada (meta-halloysite) o espaçamento é de 0,7 nm. Halloysite ocorre naturalmente como pequenos cilindros com diâmetro médio de 30 nm e comprimentos entre 0,5 e 10 micrômetros.

Material mesoporoso (2-50 nm)

Material macroporoso (> 50 nm)

Formulários

As peneiras moleculares são frequentemente utilizadas na indústria do petróleo , especialmente para secar fluxos de gás. Por exemplo, na indústria de gás natural liquefeito (GNL), o teor de água do gás precisa ser reduzido para menos de 1 ppmv para evitar bloqueios causados ​​pelo gelo.

No laboratório, peneiras moleculares são usadas para secar o solvente. As "peneiras" provaram ser superiores às técnicas tradicionais de secagem, que geralmente empregam dessecantes agressivos .

Sob o termo zeólitas, as peneiras moleculares são usadas para uma ampla gama de aplicações catalíticas. Eles catalisam a isomerização , alquilação e epoxidação e são usados ​​em processos industriais em grande escala, incluindo hidrocraqueamento e craqueamento catalítico fluido .

Eles também são usados ​​na filtragem de suprimentos de ar para aparelhos respiratórios, por exemplo, aqueles usados ​​por mergulhadores e bombeiros . Nessas aplicações, o ar é fornecido por um compressor de ar e passa por um filtro de cartucho que, dependendo da aplicação, é preenchido com peneira molecular e / ou carvão ativado , sendo finalmente utilizado para carregar tanques de ar respirável. Essa filtragem pode remover partículas e produtos de exaustão do compressor do suprimento de ar respirável.

Aprovação FDA

O FDA dos EUA aprovou em 1º de abril de 2012 o aluminossilicato de sódio para contato direto com itens consumíveis sob 21 CFR 182.2727. Antes dessa aprovação, a Europa havia usado peneiras moleculares com produtos farmacêuticos e testes independentes sugeriram que as peneiras moleculares atendem a todos os requisitos do governo, mas a indústria não estava disposta a financiar os caros testes exigidos para aprovação do governo.

Regeneração

Métodos para regeneração de peneiras moleculares incluem mudança de pressão (como em concentradores de oxigênio), aquecimento e purga com um gás transportador (como quando usado na desidratação de etanol ) ou aquecimento sob alto vácuo. As temperaturas de regeneração variam de 175 ° C a 315 ° C, dependendo do tipo de peneira molecular. Em contraste, o gel de sílica pode ser regenerado aquecendo-o em um forno regular a 120 ° C (250 ° F) por duas horas. No entanto, alguns tipos de sílica gel "estouram" quando expostos a água suficiente. Isso é causado pela quebra das esferas de sílica ao entrar em contato com a água.

Capacidades de adsorção

Modelo Diâmetro do poro ( Ångström ) Densidade aparente (g / ml) Água adsorvida ( % w / w ) Atrito ou abrasão, W (% w / w) Uso
3 0,60–0,68 19-20 0,3–0,6 Dessecação de gás de craqueamento de petróleo e alquenos, adsorção seletiva de H 2 O em vidro isolado (IG) e poliuretano, secagem de etanol combustível para mistura com gasolina.
4 0,60–0,65 20-21 0,3–0,6 Adsorção de água em aluminossilicato de sódio que é aprovado pela FDA (ver abaixo ) usado como peneira molecular em recipientes médicos para manter o conteúdo seco e como aditivo alimentar com número E E-554 (agente antiaglomerante) ; Preferido para desidratação estática em sistemas fechados de líquido ou gás, por exemplo, em embalagens de medicamentos, componentes elétricos e produtos químicos perecíveis; remoção de água em sistemas de impressão e plásticos e secagem de fluxos de hidrocarbonetos saturados. As espécies adsorvidas incluem SO 2 , CO 2 , H 2 S, C 2 H 4 , C 2 H 6 e C 3 H 6 . Geralmente considerado um agente de secagem universal em meios polares e não polares; separação de gás natural e alcenos , adsorção de água em poliuretano não sensível ao nitrogênio
5Å-DW 5 0,45-0,50 21-22 0,3–0,6 Desengraxamento e depressão do ponto de fluidez do querosene de aviação e diesel , e separação de alcenos
5Å pequeno enriquecido com oxigênio 5 0,4-0,8 ≥23 Especialmente projetado para gerador de oxigênio médico ou saudável
5 0,60–0,65 20-21 0,3–0,5 Dessecação e purificação do ar; desidratação e dessulfuração de gás natural e gás liquefeito de petróleo ; produção de oxigênio e hidrogênio por processo de adsorção por oscilação de pressão
10X 8 0,50–0,60 23–24 0,3–0,6 Sorção de alta eficiência, utilizada na dessecação, descarburação, dessulfuração de gases e líquidos e separação de hidrocarbonetos aromáticos
13X 10 0,55-0,65 23–24 0,3–0,5 Dessecação, dessulfuração e purificação de gás de petróleo e gás natural
13X-AS 10 0,55-0,65 23–24 0,3–0,5 Descarburação e dessecação na indústria de separação de ar, separação de nitrogênio do oxigênio em concentradores de oxigênio
Cu-13X 10 0,50–0,60 23–24 0,3–0,5 Adoçante (remoção de tióis ) de combustível de aviação e hidrocarbonetos líquidos correspondentes

  • Fórmula química aproximada: ((K 2 O) 23 (Na 2 O) 13 ) • Al 2 O 3 • 2 SiO 2 • 9/2 H 2 O
  • Razão de sílica-alumina: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

Produção

As peneiras moleculares 3A são produzidas por troca catiônica de potássio por sódio em peneiras moleculares 4A (veja abaixo)

Uso

As peneiras moleculares de 3Å não adsorvem moléculas cujos diâmetros sejam maiores que 3Å. As características dessas peneiras moleculares incluem velocidade de adsorção rápida, capacidade de regeneração frequente, boa resistência ao esmagamento e resistência à poluição . Esses recursos podem melhorar a eficiência e a vida útil da peneira. As peneiras moleculares de 3Å são o dessecante necessário nas indústrias química e de petróleo para o refino de petróleo, polimerização e secagem química de profundidade gás-líquido.

As peneiras moleculares de 3Å são usadas para secar uma variedade de materiais, como etanol , ar, refrigerantes , gás natural e hidrocarbonetos insaturados . Estes últimos incluem gás de craqueamento, acetileno , etileno , propileno e butadieno .

A peneira molecular de 3Å é utilizada para remover água do etanol, que mais tarde pode ser usado diretamente como biocombustível ou indiretamente para produzir vários produtos, como produtos químicos, alimentos, produtos farmacêuticos e muito mais. Uma vez que a destilação normal não pode remover toda a água (um subproduto indesejável da produção de etanol) das correntes do processo de etanol devido à formação de um azeótropo em cerca de 95,6 por cento da concentração em peso, grânulos de peneira molecular são usados ​​para separar etanol e água em um nível molecular por adsorvendo a água nas esferas e permitindo que o etanol passe livremente. Quando as contas estão cheias de água, a temperatura ou a pressão podem ser manipuladas, permitindo que a água seja liberada das contas da peneira molecular.

As peneiras moleculares de 3Å são armazenadas em temperatura ambiente, com umidade relativa não superior a 90%. São vedados sob pressão reduzida, sendo mantidos afastados de água, ácidos e álcalis.

  • Fórmula química: Na 2 O • Al 2 O 3 • 2SiO 2 • 9 / 2H 2 O
  • Razão de sílica-alumina: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

Produção

A produção de 4Å é relativamente simples e não requer altas pressões nem temperaturas particularmente altas. Combinar soluções aquosas de silicato de sódio e aluminato de sódio a 80 ° C, misturar / agitar por um tempo e, em seguida, "ativar" por "cozimento" a 400 ° C, as peneiras 4A servem como o precursor das peneiras 3A e 5A através da troca catiônica de sódio por potássio (para 3A) ou cálcio (para 5A)

Uso

Solventes de Secagem

As peneiras moleculares de 4Å são amplamente utilizadas para secar solventes de laboratório. Eles podem absorver água e outras moléculas com um diâmetro crítico inferior a 4 Å, como NH 3 , H 2 S, SO 2 , CO 2 , C 2 H 5 OH, C 2 H 6 e C 2 H 4 . É amplamente utilizado na secagem, refino e purificação de líquidos e gases (como a preparação do argônio).

Frasco de peneiras moleculares de 4Å.

Aditivos de agente de poliéster

Essas peneiras moleculares são utilizadas para auxiliar os detergentes, pois podem produzir água desmineralizada por meio da troca de íons cálcio , remover e prevenir a deposição de sujeira. Eles são amplamente usados ​​para substituir o fósforo . A peneira molecular de 4Å desempenha um papel importante na substituição do tripolifosfato de sódio como auxiliar do detergente, a fim de mitigar o impacto ambiental do detergente. Também pode ser usado como agente formador de sabão e em pasta de dente .

Tratamento de resíduos prejudiciais

As peneiras moleculares de 4Å podem purificar o esgoto de espécies catiônicas, como íons de amônio , Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ e Cd 2+ . Devido à alta seletividade para NH 4 +, eles têm sido aplicados com sucesso no campo para combater a eutrofização e outros efeitos nos cursos de água devido ao excesso de íons amônio. As peneiras moleculares de 4Å também têm sido usadas para remover íons de metais pesados ​​presentes na água devido às atividades industriais.

Outros propósitos

  1. A indústria metalúrgica : agente de separação, separação, extração de salmoura de potássio, rubídio , césio , etc.
  2. Indústria petroquímica, catalisador , dessecante , adsorvente
  3. Agricultura: condicionador de solo
  4. Remédio: carregar agente antibacteriano zeólito de prata .

  • Fórmula química: 0,7CaO • 0,30Na 2 O • Al 2 O 3 • 2,0SiO 2 • 4,5H 2 O
  • Razão de sílica-alumina: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

Produção

As peneiras moleculares 5A são produzidas por troca catiônica de cálcio por sódio em peneiras moleculares 4A (ver acima)

Uso

Cinco peneiras moleculares ångström (5Å) são frequentemente utilizadas na indústria do petróleo , especialmente para a purificação de fluxos de gás e no laboratório de química para separar compostos e secar materiais de partida de reação. Eles contêm poros minúsculos de tamanho preciso e uniforme e são usados ​​principalmente como adsorvente de gases e líquidos.

Cinco peneiras moleculares ångström são usadas para secar gás natural , junto com a dessulfuração e descarbonatação do gás. Eles também podem ser usados ​​para separar misturas de oxigênio, nitrogênio e hidrogênio e n-hidrocarbonetos de cera de óleo de hidrocarbonetos ramificados e policíclicos.

Cinco peneiras moleculares ångström são armazenadas em temperatura ambiente, com umidade relativa inferior a 90%, em barris de papelão ou embalagens cartonadas. As peneiras moleculares não devem ser expostas diretamente ao ar e à água; ácidos e álcalis devem ser evitados.

Seleção de peneiras moleculares

As peneiras moleculares estão disponíveis em diferentes formatos e tamanhos. Mas as esferas esféricas têm vantagem sobre outras formas, pois oferecem menor queda de pressão, são resistentes ao atrito, pois não têm bordas afiadas e têm boa resistência, ou seja, a força de esmagamento necessária por unidade de área é maior. Certas peneiras moleculares com esferas oferecem menor capacidade de calor, portanto, menores requisitos de energia durante a regeneração.

A outra vantagem de usar peneiras moleculares com esferas é que a densidade aparente é geralmente maior do que a outra forma, portanto, para o mesmo requisito de adsorção, o volume da peneira molecular necessário é menor. Assim, ao fazer o desgargalamento, pode-se usar peneiras moleculares com esferas, carregar mais adsorvente no mesmo volume e evitar quaisquer modificações no vaso.

Veja também

Referências

links externos