Un setaccio molecolare è un materiale con pori (fori molto piccoli) di dimensione uniforme

Un setaccio molecolare è un materiale con pori (fori molto piccoli) di dimensione uniforme. Questi diametri dei pori sono di dimensioni simili a quelle di piccole molecole, e quindi le molecole di grandi dimensioni non possono entrare o essere assorbite, mentre le molecole più piccole sì. Quando una miscela di molecole migra attraverso il letto stazionario di una sostanza porosa e semisolida denominata setaccio (o matrice), i componenti con il peso molecolare più elevato (che non sono in grado di passare nei pori molecolari) lasciano per primi il letto, seguiti da molecole successivamente più piccole. Alcuni setacci molecolari vengono utilizzati nella cromatografia ad esclusione dimensionale, una tecnica di separazione che ordina le molecole in base alla loro dimensione. Altri setacci molecolari vengono utilizzati come essiccanti (alcuni esempi includono carbone attivo e gel di silice).
Il diametro dei pori di un setaccio molecolare viene misurato in ångströms (Å) o nanometri (nm). Secondo la notazione IUPAC, i materiali microporosi hanno diametri dei pori inferiori a 2 nm (20 Å) e i materiali macroporosi hanno diametri dei pori superiori a 50 nm (500 Å); la categoria mesoporosa si trova quindi nel mezzo con diametri dei pori compresi tra 2 e 50 nm (20–500 Å).
Materiali
I setacci molecolari possono essere materiali microporosi, mesoporosi o macroporosi.
Materiale microporoso (
●Zeoliti (minerali di alluminosilicato, da non confondere con il silicato di alluminio)
●Zeolite LTA: 3–4 Å
●Vetro poroso: 10 Å (1 nm) e oltre
●Carbone attivo: 0–20 Å (0–2 nm) e oltre
●Argille
●Mix montmorilloniti
●Halloysite (endellite): si trovano due forme comuni, quando idratata l'argilla presenta una spaziatura degli strati di 1 nm e quando disidratata (meta-halloysite) la spaziatura è di 0,7 nm. L'halloysite si presenta naturalmente come piccoli cilindri con un diametro medio di 30 nm e una lunghezza compresa tra 0,5 e 10 micrometri.
Materiale mesoporoso (2–50 nm)
Biossido di silicio (usato per produrre il gel di silice): 24 Å (2,4 nm)
Materiale macroporoso (>50 nm)
Silice macroporosa, 200–1000 Å (20–100 nm)
Applicazioni
I setacci molecolari sono spesso utilizzati nell'industria petrolifera, soprattutto per essiccare i flussi di gas. Ad esempio, nel settore del gas naturale liquido (GNL), il contenuto di acqua del gas deve essere ridotto a meno di 1 ppmv per evitare blocchi causati dal ghiaccio o dal clatrato di metano.
In laboratorio, i setacci molecolari vengono utilizzati per essiccare il solvente. I "setacci" si sono rivelati superiori alle tradizionali tecniche di essiccazione, che spesso utilizzano essiccanti aggressivi.
Con il termine zeoliti i setacci molecolari vengono utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni catalitiche. Catalizzano l'isomerizzazione, l'alchilazione e l'epossidazione e sono utilizzati in processi industriali su larga scala, tra cui l'idrocracking e il cracking catalitico fluido.
Vengono utilizzati anche nella filtrazione dell'aria degli apparecchi respiratori, ad esempio quelli utilizzati dai subacquei e dai vigili del fuoco. In tali applicazioni, l'aria viene fornita da un compressore d'aria e viene fatta passare attraverso un filtro a cartuccia che, a seconda dell'applicazione, viene riempito con setaccio molecolare e/o carbone attivo, per essere infine utilizzato per caricare i serbatoi di aria respirabile. Tale filtrazione può rimuovere le particelle e i prodotti di scarico del compressore dall'alimentazione dell'aria respirabile.
Approvazione della FDA.
Dal 1 aprile 2012, la FDA statunitense ha approvato l'alluminosilicato di sodio per il contatto diretto con articoli di consumo ai sensi della norma 21 CFR 182.2727. Prima di questa approvazione, l'Unione Europea aveva utilizzato setacci molecolari con prodotti farmaceutici e test indipendenti suggerivano che i setacci molecolari soddisfano tutti i requisiti governativi ma l'industria non era disposta a finanziare i costosi test richiesti per l'approvazione del governo.
Rigenerazione
I metodi per la rigenerazione dei setacci molecolari includono la variazione di pressione (come nei concentratori di ossigeno), il riscaldamento e lo spurgo con un gas vettore (come quando utilizzato nella disidratazione dell'etanolo) o il riscaldamento sotto vuoto spinto. Le temperature di rigenerazione variano da 175 °C (350 °F) a 315 °C (600 °F) a seconda del tipo di setaccio molecolare. Al contrario, il gel di silice può essere rigenerato riscaldandolo in un forno normale a 120 °C (250 °F) per due ore. Tuttavia, alcuni tipi di gel di silice "esplodono" se esposti a una quantità sufficiente di acqua. Ciò è causato dalla rottura delle sfere di silice quando entrano in contatto con l'acqua.

Modello	Diametro dei pori (Ångström)	Densità apparente (g/ml)	Acqua adsorbita (% p/p)	Attrito o abrasione, W(% p/p)	Utilizzo
3Å	3	0,60–0,68	19-20	0,3–0,6	EssiccazioneDicracking del petroliogas e alcheni, adsorbimento selettivo di H2O invetro isolante (IG)e poliuretano, essiccazione dicarburante etanoloper la miscelazione con benzina.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Assorbimento dell'acqua all'internoalluminosilicato di sodioche è approvato dalla FDA (vedisotto) utilizzato come setaccio molecolare nei contenitori medici per mantenere il contenuto asciutto e comeadditivo alimentareavendoNumero EE-554 (agente antiagglomerante); Preferito per la disidratazione statica in sistemi chiusi di liquidi o gas, ad esempio nell'imballaggio di farmaci, componenti elettrici e prodotti chimici deperibili; lavaggio dell'acqua nei sistemi di stampa e plastica e essiccazione dei flussi di idrocarburi saturi. Le specie adsorbite includono SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 e C3H6. Generalmente considerato un agente essiccante universale in mezzi polari e non polari;[12]separazione digas naturaleEalcheni, adsorbimento di acqua in ambienti non sensibili all'azotopoliuretano
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Sgrassaggio e abbassamento del punto di scorrimentoaviazione cheroseneEdiesele separazione degli alcheni
5Å piccolo arricchito di ossigeno	5	0,4–0,8	≥23		Appositamente progettato per generatori di ossigeno medico o sano[citazione necessaria]
5Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Essiccazione e purificazione dell'aria;disidratazioneEdesolforazionedi gas naturale egas di petrolio liquido;ossigenoEidrogenoproduzione diassorbimento dell'oscillazione della pressioneprocesso
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Assorbimento ad alta efficienza, utilizzato nell'essiccazione, nella decarburazione, nella desolforazione di gas e liquidi e nella separazione diidrocarburo aromatico
13X	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Essiccazione, desolforazione e purificazione del gas di petrolio e del gas naturale
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Decarburazioneed essiccazione nell'industria della separazione dell'aria, separazione dell'azoto dall'ossigeno nei concentratori di ossigeno
Cu-13X	10	0,50–0,60	23–24	0,3–0,5	Dolcificante(rimozione ditioli) Dicarburante per aereie corrispondenteidrocarburi liquidi

Capacità di assorbimento

3Å

Formula chimica approssimativa: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O

Rapporto silice-allumina: SiO2/Al2O3≈2

Produzione

I setacci molecolari 3A sono prodotti mediante scambio cationico dipotassiopersodioin setacci molecolari 4A (vedi sotto)

Utilizzo

I setacci molecolari 3Å non assorbono molecole il cui diametro è maggiore di 3 Å. Le caratteristiche di questi setacci molecolari includono velocità di assorbimento rapida, capacità di rigenerazione frequente, buona resistenza allo schiacciamento eresistenza all'inquinamento. Queste caratteristiche possono migliorare sia l'efficienza che la durata del setaccio. I setacci molecolari 3Å sono l'essiccante necessario nelle industrie petrolifere e chimiche per la raffinazione del petrolio, la polimerizzazione e l'essiccazione profonda di gas-liquido chimico.

I setacci molecolari 3Å vengono utilizzati per asciugare una vasta gamma di materiali, come ad esempioetanolo, aria,refrigeranti,gas naturaleEidrocarburi insaturi. Questi ultimi includono gas di cracking,acetilene,etilene,propileneEbutadiene.

Il setaccio molecolare 3Å viene utilizzato per rimuovere l'acqua dall'etanolo, che può successivamente essere utilizzato direttamente come biocarburante o indirettamente per produrre vari prodotti come prodotti chimici, alimenti, prodotti farmaceutici e altro. Poiché la normale distillazione non è in grado di rimuovere tutta l'acqua (un sottoprodotto indesiderato della produzione di etanolo) dai flussi del processo di etanolo a causa della formazione di unazeotropocon una concentrazione di circa il 95,6% in peso, le perle di setacci molecolari vengono utilizzate per separare l'etanolo e l'acqua a livello molecolare adsorbendo l'acqua nelle perle e consentendo all'etanolo di passare liberamente. Una volta che le perle sono piene d'acqua, è possibile manipolare la temperatura o la pressione, consentendo il rilascio dell'acqua dalle perle del setaccio molecolare.[15]

I setacci molecolari 3Å vengono conservati a temperatura ambiente, con un'umidità relativa non superiore al 90%. Sono sigillati a pressione ridotta e tenuti lontani da acqua, acidi e alcali.

4Å

Formula chimica: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

Rapporto silicio-alluminio: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

Produzione

La produzione del vaglio 4Å è relativamente semplice in quanto non richiede né pressioni elevate né temperature particolarmente elevate. Tipicamente soluzioni acquose disilicato di sodioEalluminato di sodiovengono combinati a 80 °C. Il prodotto impregnato di solvente viene "attivato" mediante "cottura" a 400 °C. I setacci 4A fungono da precursori dei setacci 3A e 5A attraversoscambio cationicoDisodioperpotassio(per 3A) ocalcio(per 5A)

Utilizzo

Solventi essiccanti

I setacci molecolari 4Å sono ampiamente utilizzati per asciugare i solventi di laboratorio. Possono assorbire acqua e altre molecole con un diametro critico inferiore a 4 Å come NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 e C2H4. Sono ampiamente utilizzati nell'essiccazione, raffinazione e purificazione di liquidi e gas (come la preparazione dell'argon).

 

Additivi per agenti poliestere[modificare]

Questi setacci molecolari vengono utilizzati per coadiuvare i detergenti poiché possono produrre acqua demineralizzatacalcioscambio ionico, rimuovono e prevengono il deposito di sporco. Sono ampiamente utilizzati per sostituirefosforo. Il setaccio molecolare 4Å svolge un ruolo importante nel sostituire il tripolifosfato di sodio come ausiliario del detergente al fine di mitigare l'impatto ambientale del detergente. Può anche essere usato come asaponeagente formante e indentifricio.

Trattamento dei rifiuti nocivi

I setacci molecolari 4Å possono purificare i liquami di specie cationiche comeammonioioni, Pb2+, Cu2+, Zn2+ e Cd2+. Grazie all'elevata selettività per NH4+ sono stati applicati con successo sul campo per combattereeutrofizzazionee altri effetti nei corsi d'acqua dovuti a eccessivi ioni di ammonio. I setacci molecolari 4Å sono stati utilizzati anche per rimuovere gli ioni di metalli pesanti presenti nell'acqua a causa delle attività industriali.

Altri scopi

ILindustria metallurgica: agente distaccante, separazione, estrazione della salamoia potassica,rubidio,cesio, ecc.

Industria petrolchimica,catalizzatore,essiccante, assorbente

Agricoltura:ammendante del terreno

Medicina: caricare argentozeoliteagente antibatterico.

5Å

Formula chimica: 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2 •4,5H2O

Rapporto silice-allumina: SiO2/Al2O3≈2

Produzione

I setacci molecolari 5A sono prodotti mediante scambio cationico dicalciopersodioin setacci molecolari 4A (vedi sopra)

Utilizzo

Cinque-ångström(5Å) i setacci molecolari vengono spesso utilizzati nelpetrolionell'industria, in particolare per la purificazione dei flussi di gas e nei laboratori chimici per la separazionecompostie materiali di partenza della reazione di essiccazione. Contengono minuscoli pori di dimensione precisa e uniforme e vengono utilizzati principalmente come adsorbente per gas e liquidi.

Per l'essiccazione vengono utilizzati setacci molecolari a cinque ångströmgas naturale, insieme all'esecuzionedesolforazioneEdecarbonatazionedel gas. Possono essere utilizzati anche per separare miscele di ossigeno, azoto e idrogeno e n-idrocarburi olio-cera da idrocarburi ramificati e policiclici.

I setacci molecolari da cinque ångström vengono conservati a temperatura ambiente, con aumidità relativameno del 90% in fusti di cartone o imballaggi di cartone. I setacci molecolari non devono essere esposti direttamente all'aria e all'acqua, gli acidi e gli alcali devono essere evitati.

Morfologia dei setacci molecolari

I setacci molecolari sono disponibili in diverse forme e dimensioni. Ma le sfere sferiche hanno il vantaggio rispetto ad altre forme in quanto offrono una caduta di pressione inferiore, sono resistenti all'attrito poiché non hanno spigoli vivi e hanno una buona resistenza, ovvero la forza di schiacciamento richiesta per unità di area è maggiore. Alcuni setacci molecolari a sfere offrono una capacità termica inferiore e quindi un minore fabbisogno energetico durante la rigenerazione.

L'altro vantaggio dell'utilizzo dei setacci molecolari a sfere è che la densità apparente è solitamente superiore rispetto ad altre forme, quindi per lo stesso requisito di adsorbimento, il volume del setaccio molecolare richiesto è inferiore. Pertanto, durante l'eliminazione dei colli di bottiglia, è possibile utilizzare setacci molecolari a sfere, caricare più adsorbente nello stesso volume ed evitare qualsiasi modifica del serbatoio.