Un setaccio molecolare è un materiale con pori (fori molto piccoli) di dimensioni uniformi

Un setaccio molecolare è un materiale con pori (fori molto piccoli) di dimensioni uniformi. Questi diametri dei pori sono simili per dimensione a quelli delle molecole piccole, e quindi le molecole grandi non possono entrare o essere adsorbite, mentre le molecole più piccole sì. Quando una miscela di molecole migra attraverso il letto stazionario di sostanza porosa e semisolida, denominato setaccio (o matrice), i componenti con il peso molecolare più elevato (che non sono in grado di passare attraverso i pori molecolari) lasciano il letto per primi, seguiti da molecole via via più piccole. Alcuni setacci molecolari vengono utilizzati nella cromatografia ad esclusione dimensionale, una tecnica di separazione che classifica le molecole in base alle loro dimensioni. Altri setacci molecolari vengono utilizzati come essiccanti (alcuni esempi includono carbone attivo e gel di silice).
Il diametro dei pori di un setaccio molecolare si misura in ångström (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 colloca quindi nel mezzo, con diametri dei pori compresi tra 2 e 50 nm (20-500 Å).
Materiali
I setacci molecolari possono essere costituiti da materiali microporosi, mesoporosi o macroporosi.
Materiale microporoso (
●Zeolite (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
●Miscele di montmorillonite
●Halloysite (endellite): si trovano due forme comuni: quando idratata, l'argilla presenta una spaziatura degli strati di 1 nm, mentre quando disidratata (meta-halloysite) la spaziatura è di 0,7 nm. L'halloysite si presenta in natura sotto forma di piccoli cilindri con un diametro medio di 30 nm e lunghezze comprese tra 0,5 e 10 micrometri.
Materiale mesoporoso (2–50 nm)
Biossido di silicio (utilizzato per produrre gel di silice): 24 Å (2,4 nm)
Materiale macroporoso (>50 nm)
Silice macroporosa, 200–1000 Å (20–100 nm)
Applicazioni[modifica]
I setacci molecolari sono spesso utilizzati nell'industria petrolifera, soprattutto per l'essiccazione dei flussi di gas. Ad esempio, nell'industria del gas naturale liquefatto (GNL), il contenuto d'acqua del gas deve essere ridotto a meno di 1 ppmv per evitare blocchi causati da ghiaccio o clatrato di metano.
In laboratorio, i setacci molecolari vengono utilizzati per essiccare i solventi. I setacci si sono dimostrati superiori alle tecniche di essiccazione tradizionali, che spesso impiegano 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 impiegati in processi industriali su larga scala, tra cui l'idrocracking e il cracking catalitico fluido.
Vengono utilizzati anche nella filtrazione dell'aria di alimentazione per i respiratori, ad esempio quelli utilizzati da subacquei e vigili del fuoco. In tali applicazioni, l'aria viene fornita da un compressore e fatta passare attraverso un filtro a cartuccia che, a seconda dell'applicazione, è riempito con setaccio molecolare e/o carbone attivo, per poi essere utilizzato per caricare le bombole di aria respirabile. Tale filtrazione può rimuovere il particolato e i prodotti di scarico del compressore dall'aria respirabile.
Approvazione della FDA.
A partire 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 avevano suggerito che i setacci molecolari soddisfacevano tutti i requisiti governativi, ma l'industria non era stata disposta a finanziare i costosi test richiesti per l'approvazione governativa.
Rigenerazione
I metodi per la rigenerazione dei setacci molecolari includono la variazione di pressione (come nei concentratori di ossigeno), il riscaldamento e la pulizia con un gas di trasporto (come 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 tradizionale a 120 °C (250 °F) per due ore. Tuttavia, alcuni tipi di gel di silice possono "scoppiare" se esposti a una quantità d'acqua sufficiente. Questo è causato dalla rottura delle sfere di silice a 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 all'etanoloper miscelarlo alla benzina.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Adsorbimento dell'acqua inalluminosilicato di sodioche è approvato dalla FDA (vederesotto) 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 liquidi o gassosi, ad esempio nel confezionamento di farmaci, componenti elettrici e prodotti chimici deperibili; per la rimozione dell'acqua in sistemi di stampa e di lavorazione delle materie plastiche e per l'essiccazione di flussi di idrocarburi saturi. Le specie adsorbite includono SO₂, CO₂, H₂S, C₂H₂, C₂H₃ e C₂H₃. 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 scorrimento diaviazione cheroseneEdiesele separazione degli alcheni
5Å piccolo arricchito di ossigeno	5	0,4–0,8	≥23		Progettato specificamente per generatori di ossigeno medicali o salutari[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 liquefatto;ossigenoEidrogenoproduzione diadsorbimento a pressione oscillanteprocesso
10 volte	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Assorbimento ad alta efficienza, utilizzato nella essiccazione, decarburazione, desolforazione di gas e liquidi e 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	Decarburazionee la disidratazione 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 aviazionee corrispondenteidrocarburi liquidi

Capacità di adsorbimento

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 dipotassiopersodionei setacci molecolari 4A (vedi sotto)

Utilizzo

I setacci molecolari da 3Å non adsorbono molecole con diametri superiori a 3 Å. Le caratteristiche di questi setacci molecolari includono un'elevata velocità di adsorbimento, una frequente capacità di rigenerazione, una buona resistenza alla frantumazione eresistenza all'inquinamentoQueste caratteristiche possono migliorare sia l'efficienza che la durata del setaccio. I setacci molecolari da 3Å sono l'essiccante necessario nell'industria petrolifera e chimica per la raffinazione del petrolio, la polimerizzazione e l'essiccazione in profondità di gas-liquidi chimici.

I setacci molecolari da 3Å vengono utilizzati per essiccare una gamma di materiali, comeetanolo, aria,refrigeranti,gas naturaleEidrocarburi insaturiQuesti ultimi includono il gas di cracking,acetilene,etilene,propileneEbutadiene.

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

I setacci molecolari da 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 setaccio 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 servono come precursori dei setacci 3A e 5A attraversoscambio cationicoDisodioperpotassio(per 3A) ocalcio(per 5A)

Utilizzo

Solventi essiccanti

I setacci molecolari da 4 Å sono ampiamente utilizzati per essiccare 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, nella raffinazione e nella purificazione di liquidi e gas (come la preparazione dell'argon).

 

Additivi per agenti poliestere[modificare]

Questi setacci molecolari vengono utilizzati per coadiuvare i detersivi in ​​quanto possono produrre acqua demineralizzata attraversocalcioscambio ionico, rimuovono e prevengono il deposito di sporco. Sono ampiamente utilizzati per sostituirefosforoIl setaccio molecolare da 4Å svolge un ruolo importante nel sostituire il tripolifosfato di sodio come ausiliare detergente, al fine di mitigarne l'impatto ambientale. Può anche essere utilizzato comesaponeagente formante e indentifricio.

Trattamento dei rifiuti nocivi

I setacci molecolari da 4Å possono purificare le acque reflue da 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 all'eccesso di ioni ammonio. Sono stati utilizzati anche setacci molecolari da 4Å per rimuovere gli ioni di metalli pesanti presenti nell'acqua a causa delle attività industriali.

Altri scopi

ILindustria metallurgica: agente separante, separazione, estrazione del potassio dalla salamoia,rubidio,cesio, ecc.

Industria petrolchimica,catalizzatore,essiccante, assorbente

Agricoltura:ammendante del terreno

Medicina: carica 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 dicalciopersodionei setacci molecolari 4A (vedi sopra)

Utilizzo

Cinque-angstrom(5Å) I setacci molecolari sono spesso utilizzati nelpetrolioindustria, in particolare per la purificazione di flussi di gas e nel laboratorio chimico per la separazionecompostie materiali di partenza per reazioni di essiccazione. Contengono minuscoli pori di dimensioni precise e uniformi e sono utilizzati principalmente come adsorbenti per gas e liquidi.

I setacci molecolari da cinque ångström vengono utilizzati per l'essiccazionegas naturale, insieme all'esecuzionedesolforazioneEdecarbonizzazionedel gas. Possono anche essere utilizzati 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 unumidità relativaMeno del 90% in contenitori di cartone o imballaggi in cartone. I setacci molecolari non devono essere esposti direttamente all'aria e all'acqua, acidi e alcali devono essere evitati.

Morfologia dei setacci molecolari

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

Un altro vantaggio dell'utilizzo di setacci molecolari a perle è che la densità apparente è solitamente superiore rispetto ad altre forme, quindi, a parità di requisiti di adsorbimento, il volume del setaccio molecolare richiesto è inferiore. Pertanto, durante la rimozione dei colli di bottiglia, è possibile utilizzare setacci molecolari a perle, caricare più adsorbente nello stesso volume ed evitare modifiche al contenitore.