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. Il diametro di questi pori è simile a quello delle piccole molecole, pertanto le molecole di grandi dimensioni non possono entrare o essere adsorbite, mentre quelle più piccole sì. Quando una miscela di molecole migra attraverso il letto stazionario di sostanza porosa semisolida, detta setaccio (o matrice), i componenti con il peso molecolare più elevato (che non sono in grado di passare nei pori molecolari) lasciano il letto per primi, seguiti dalle molecole di dimensioni progressivamente inferiori. Alcuni setacci molecolari sono utilizzati nella cromatografia a esclusione dimensionale, una tecnica di separazione che seleziona le molecole in base alle loro dimensioni. Altri setacci molecolari sono utilizzati come essiccanti (alcuni esempi includono il carbone attivo e il 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 dei materiali mesoporosi 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 materiale microporoso, mesoporoso o macroporoso.
Materiale microporoso (
● Zeoliti (minerali alluminosilicati, 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
●Intermiscele di montmorillonite
●Halloysite (endellite): Si trovano due forme comuni: quando idratata, l'argilla presenta una spaziatura tra gli 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 una lunghezza compresa tra 0,5 e 10 micrometri.
Materiale mesoporoso (2–50 nm)
Biossido di silicio (utilizzato per produrre il 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 di acqua del gas deve essere ridotto a meno di 1 ppmv per prevenire ostruzioni causate da ghiaccio o clatrati 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 trovano impiego in un'ampia gamma di applicazioni catalitiche. Catalizzano reazioni di isomerizzazione, alchilazione ed epossidazione e sono utilizzati in processi industriali su larga scala, tra cui l'idrocracking e il cracking catalitico fluido.
Vengono inoltre utilizzati nella filtrazione dell'aria compressa per gli apparecchi di respirazione, ad esempio quelli impiegati 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 utilizzata per caricare le bombole di aria respirabile. Tale filtrazione è in grado di rimuovere particelle e gas 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 tale 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 si era mostrata restia a finanziare i costosi test necessari 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 il lavaggio con un gas vettore (come quando utilizzato nella disidratazione dell'etanolo) o il riscaldamento sotto alto vuoto. 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 normale forno a 120 °C (250 °F) per due ore. Tuttavia, alcuni tipi di gel di silice "scoppiettano" se esposti a una quantità sufficiente di acqua. Ciò è causato dalla rottura delle sfere di silice a contatto con l'acqua.

Modello	Diametro dei pori (Ångström)	Densità apparente (g/ml)	Acqua assorbita (% 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, asciugatura dicarburante a etanoloper la miscelazione con la benzina.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Assorbimento dell'acqua inalluminosilicato 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 nel confezionamento di farmaci, componenti elettrici e prodotti chimici deperibili; per il recupero dell'acqua nei sistemi di stampa e plastica e per l'essiccazione di 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, assorbimento di acqua in materiali 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		Appositamente progettato per generatori di ossigeno medicali o salutariè necessaria una fonte]
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 variazione di pressioneprocesso
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Ad alta efficienza di assorbimento, utilizzato nell'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 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 diametro maggiore di 3 Å. Le caratteristiche di questi setacci molecolari includono una rapida 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 3 Å sono l'essiccante necessario nell'industria petrolifera e chimica per la raffinazione del petrolio, la polimerizzazione e l'essiccazione in profondità di gas e liquidi chimici.

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

Il setaccio molecolare 3Å viene utilizzato per rimuovere l'acqua dall'etanolo, che può essere successivamente utilizzato direttamente come biocarburante o indirettamente per produrre vari prodotti come sostanze chimiche, alimenti, farmaci e altro ancora. Poiché la normale distillazione non può rimuovere tutta l'acqua (un sottoprodotto indesiderato della produzione di etanolo) dai flussi di processo dell'etanolo a causa della formazione di unazeotropoCon una concentrazione di circa il 95,6% in peso, le microsfere di setaccio molecolare vengono utilizzate per separare l'etanolo dall'acqua a livello molecolare, assorbendo l'acqua al loro interno e permettendo all'etanolo di passare liberamente. Una volta che le microsfere sono sature d'acqua, è possibile manipolare la temperatura o la pressione per rilasciare l'acqua dalle microsfere di setaccio molecolare.[15]

I setacci molecolari da 3Å vanno conservati a temperatura ambiente, con un'umidità relativa non superiore al 90%. Sono sigillati sotto vuoto e tenuti al riparo da acqua, acidi e alcali.

4Å

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

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

Produzione

La produzione di setacci da 4Å è relativamente semplice in quanto non richiede né alte pressioni 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 da 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 ad esempio nella preparazione dell'argon).

 

additivi per agenti poliestere[modificare]

Questi setacci molecolari vengono utilizzati per aiutare i detergenti in quanto possono produrre acqua demineralizzata attraversocalcioScambio ionico, rimuovono e prevengono la deposizione di sporco. Sono ampiamente utilizzati per sostituirefosforoIl 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 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. I setacci molecolari da 4 Å sono stati utilizzati anche per rimuovere gli ioni di metalli pesanti presenti nell'acqua a causa delle attività industriali.

Altri scopi

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

Industria petrolchimica,catalizzatore,essiccanteadsorbente

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 dicalciopersodionei setacci molecolari 4A (vedi sopra)

Utilizzo

Cinque-ångströmI setacci molecolari (5Å) sono spesso utilizzati nelpetrolioindustria, in particolare per la purificazione dei flussi di gas e nel laboratorio di chimica per la separazionecompostie materiali di partenza per reazioni di essiccazione. Contengono pori minuscoli 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, oltre a esibirsidesolforazioneEdecarbonizzazionedel gas. Possono essere utilizzati anche per separare miscele di ossigeno, azoto e idrogeno, e idrocarburi n-oli e cere da idrocarburi ramificati e policiclici.

I setacci molecolari da cinque ångström sono conservati a temperatura ambiente, con unumidità relativameno del 90% in fusti di cartone o imballaggi in cartone. I setacci molecolari non devono essere esposti direttamente all'aria e all'acqua, agli acidi e alle basi.

Morfologia dei setacci molecolari

I setacci molecolari sono disponibili in diverse forme e dimensioni. Tuttavia, le perle sferiche presentano vantaggi rispetto ad altre forme in quanto offrono una minore caduta di pressione, sono resistenti all'abrasione poiché non hanno spigoli vivi e hanno una buona resistenza, ovvero la forza di compressione richiesta per unità di area è maggiore. Alcuni setacci molecolari a perle offrono una minore capacità termica e quindi minori requisiti energetici durante la rigenerazione.

Un altro vantaggio dell'utilizzo di setacci molecolari a perline è che la densità apparente è generalmente superiore rispetto ad altre forme; pertanto, a parità di capacità di adsorbimento, è necessario un volume minore di setaccio molecolare. Di conseguenza, durante le operazioni di ottimizzazione dei processi, è possibile utilizzare setacci molecolari a perline, caricare una maggiore quantità di adsorbente nello stesso volume ed evitare modifiche al recipiente.