Tamiz molecular

Recipiente sellado, normalmente lleno de gel de sílice y otros tamices moleculares que se utilizan como desecante en envases de medicamentos para mantener el contenido seco.

Frascos de sílice mesoporosa

Un tamiz molecular es un material con poros (agujeros muy pequeños) de tamaño uniforme. Estos diámetros de poro son similares en tamaño a las moléculas pequeñas y, por lo tanto, las moléculas grandes no pueden entrar ni ser adsorbidas , mientras que las moléculas más pequeñas pueden hacerlo . A medida que una mezcla de moléculas migra a través del lecho estacionario de sustancia porosa y semisólida denominada tamiz (o matriz), los componentes de mayor peso molecular (que no pueden pasar a los poros moleculares) abandonan primero el lecho, seguidos por moléculas sucesivamente más pequeñas. Algunos tamices moleculares se utilizan en cromatografía , una técnica de separación que clasifica las moléculas en función de su tamaño. Otros tamices moleculares se utilizan como desecantes (algunos ejemplos incluyencarbón activado y gel de sílice ). ^[1]

El diámetro de un tamiz molecular se mide en ångströms (Å) o nanómetros (nm). De acuerdo con la notación IUPAC , los materiales microporosos tienen diámetros de poros de menos de 2 nm (20 Å) y los materiales macroporosos tienen diámetros de poros de más de 50 nm (500 Å); por tanto, la categoría mesoporosa se sitúa en el medio con diámetros de poro entre 2 y 50 nm (20–500 Å). ^[2]

Materiales

Los tamices moleculares pueden ser de material microporoso , mesoporoso o macroporoso .

Material microporoso (<2 nm)

• Zeolitas ( minerales de aluminosilicato , que no deben confundirse con silicato de aluminio )
  • Zeolita LTA: 3–4 Å ^[3]
• Vidrio poroso : 10 Å (1 nm) y más
• Carbón activo : 0-20 Å (0-2 nm) y más
• Arcillas
  • Mezclas de montmorillonita
    • Halloysite (endellite): Dos formas comunes se encuentran, cuando se hidrata la arcilla exhibe un 1 espaciamiento nm de las capas y cuando se deshidrata (meta-halloysite) la separación es 0,7 nm. La Halloysita se presenta naturalmente como pequeños cilindros que tienen un diámetro promedio de 30 nm con longitudes entre 0,5 y 10 micrómetros. ^[4]

Material mesoporoso (2-50 nm)

• Dióxido de silicio (utilizado para fabricar gel de sílice ): 24 Å (2,4 nm) ^[5]

Material macroporoso (> 50 nm)

• Sílice mesoporosa , 200–1000 Å (20–100 nm) ^[6]

Aplicaciones

Los tamices moleculares se utilizan a menudo en la industria del petróleo , especialmente para secar corrientes de gas. Por ejemplo, en la industria del gas natural licuado (GNL), el contenido de agua del gas debe reducirse a menos de 1 ppmv para evitar bloqueos causados ​​por el hielo.

En el laboratorio, se utilizan tamices moleculares para secar el disolvente. Los "tamices" han demostrado ser superiores a las técnicas de secado tradicionales, que a menudo emplean desecantes agresivos . ^[7]

Bajo el término zeolitas, los tamices moleculares se utilizan para una amplia gama de aplicaciones catalíticas. Catalizan la isomerización , alquilación y epoxidación , y se utilizan en procesos industriales a gran escala, incluido el hidrocraqueo y el craqueo catalítico fluido . ^[8]

También se utilizan en la filtración de suministros de aire para aparatos respiratorios, por ejemplo, los utilizados por buceadores y bomberos . En tales aplicaciones, el aire es suministrado por un compresor de aire y pasa a través de un filtro de cartucho que, dependiendo de la aplicación, se llena con tamiz molecular y / o carbón activado , siendo finalmente utilizado para cargar los tanques de aire respirable. ^[9] Tal filtración puede eliminar las partículas y los productos de escape del compresor del suministro de aire respirable.

Aprobación de la FDA

La FDA de EE. UU. Aprobó el aluminosilicato de sodio a partir del 1 de abril de 2012 para el contacto directo con artículos consumibles según 21 CFR 182.2727. ^[10] Antes de esta aprobación, Europa había utilizado tamices moleculares con productos farmacéuticos y las pruebas independientes sugerían que los tamices moleculares cumplían con todos los requisitos gubernamentales, pero la industria no había estado dispuesta a financiar las costosas pruebas necesarias para la aprobación del gobierno. ^[11]

Regeneración

Los métodos para la regeneración de tamices moleculares incluyen cambio de presión (como en los concentradores de oxígeno), calentamiento y purga con un gas portador (como cuando se usa en la deshidratación de etanol ) o calentamiento a alto vacío. Las temperaturas de regeneración oscilan entre 175 ° C y 315 ° C dependiendo del tipo de tamiz molecular. ^[12] Por el contrario, el gel de sílice se puede regenerar calentándolo en un horno normal a 120 ° C (250 ° F) durante dos horas. Sin embargo, algunos tipos de gel de sílice "explotarán" cuando se exponen a suficiente agua. Esto es causado por la rotura de las esferas de sílice al entrar en contacto con el agua. ^[13]

Capacidades de adsorción

Modelo	Diámetro de poro ( Ångström )	Densidad aparente (g / ml)	Agua adsorbida ( % p / p )	Desgaste o abrasión, W (% p / p)	Uso [14]
3Å	3	0,60–0,68	19-20	0,3-0,6	Desecación de gas de craqueo del petróleo y alquenos, adsorción selectiva de H 2 O en vidrio aislante (IG) y poliuretano
4Å	4	0,60–0,65	20-21	0,3-0,6	Adsorción de agua en aluminosilicato de sodio que está aprobado por la FDA (ver más abajo ) utilizado como tamiz molecular en recipientes médicos para mantener el contenido seco y como aditivo alimentario con número E E-554 (agente antiaglomerante) ; Preferido para la deshidratación estática en sistemas cerrados de líquido o gas, por ejemplo, en el envasado de medicamentos, componentes eléctricos y productos químicos perecederos; captación de agua en sistemas de impresión y plásticos y secado de corrientes de hidrocarburos saturados. Las especies adsorbidas incluyen SO 2 , CO 2 , H 2 S, C 2 H 4 , C 2 H 6 y C 3 H 6. Generalmente considerado un agente de secado universal en medios polares y apolares; [12] separación de gas natural y alquenos , adsorción de agua en poliuretano no sensible al nitrógeno
5Å-DW	5	0,45-0,50	21-22	0,3-0,6	Desengrase y depresión del punto de fluidez del queroseno y diesel de aviación , y separación de alquenos
5Å pequeña enriquecida con oxígeno	5	0,4-0,8	≥23		Especialmente diseñado para generador de oxígeno médico o saludable [ cita requerida ]
5Å	5	0,60–0,65	20-21	0,3–0,5	Desecación y purificación del aire; deshidratación y desulfuración de gas natural y gas licuado de petróleo ; Producción de oxígeno e hidrógeno por proceso de adsorción por cambio de presión.
10 veces	8	0,50–0,60	23-24	0,3-0,6	Sorción de alta eficiencia, utilizada en la desecación, descarburación, desulfuración de gases y líquidos y separación de hidrocarburos aromáticos.
13X	10	0,55-0,65	23-24	0,3–0,5	Desecación, desulfuración y purificación de gas de petróleo y gas natural
13X-AS	10	0,55-0,65	23-24	0,3–0,5	Descarburación y desecación en la industria de la separación de aire, separación de nitrógeno del oxígeno en concentradores de oxígeno
Cu-13X	10	0,50–0,60	23-24	0,3–0,5	Edulcoración (eliminación de tioles ) del combustible de aviación y los correspondientes hidrocarburos líquidos

3Å

• Aproximado fórmula química: ((K ₂ O) _{² / 3} (Na ₂ O) _{¹ / 3} ) • Al ₂ O ₃ • 2 SiO ₂ • 9/2 H ₂ O
• Relación sílice-alúmina: SiO ₂ / Al ₂ O ₃ ≈2

Producción

Los tamices moleculares 3A se producen mediante el intercambio catiónico de potasio por sodio en tamices moleculares 4A (ver más abajo)

Uso

Los tamices moleculares de 3Å no adsorben moléculas cuyos diámetros sean superiores a 3 Å. Las características de estos tamices moleculares incluyen velocidad de adsorción rápida, capacidad de regeneración frecuente, buena resistencia al aplastamiento y resistencia a la contaminación . Estas características pueden mejorar tanto la eficiencia como la vida útil del tamiz. Los tamices moleculares de 3Å son el desecante necesario en las industrias química y del petróleo para el refinado de petróleo, la polimerización y el secado en profundidad químico gas-líquido.

Los tamices moleculares de 3Å se utilizan para secar una variedad de materiales, como etanol , aire, refrigerantes , gas natural e hidrocarburos insaturados . Estos últimos incluyen gas de craqueo, acetileno , etileno , propileno y butadieno .

El tamiz molecular 3Å se utiliza para eliminar el agua del etanol, que luego se puede usar directamente como biocombustible o indirectamente para producir diversos productos, como productos químicos, alimentos, farmacéuticos y más. Dado que la destilación normal no puede eliminar toda el agua (un subproducto indeseable de la producción de etanol) de las corrientes de proceso de etanol debido a la formación de un azeótropo en una concentración de alrededor del 95 por ciento, se utilizan perlas de tamiz molecular para separar el etanol y el agua a nivel molecular adsorbiendo agua en las perlas y permitiendo que el etanol pase libremente. Una vez que las perlas están llenas de agua, se puede manipular la temperatura o la presión, lo que permite que el agua se libere de las perlas del tamiz molecular. ^[15]

Los tamices moleculares de 3Å se almacenan a temperatura ambiente, con una humedad relativa no superior al 90%. Están sellados a presión reducida, manteniéndose alejados del agua, ácidos y álcalis.

4Å

• Fórmula química: Na ₂ O • Al ₂ O ₃ • 2SiO ₂ • 9 / 2H ₂ O
• Relación sílice-alúmina: SiO ₂ / Al ₂ O ₃ ≈2

Producción

La producción de 4Å es relativamente sencilla y no requiere altas presiones ni temperaturas particularmente altas. Combinar soluciones acuosas de silicato de sodio y aluminato de sodio a 80 ° C mezclar / agitar durante un tiempo, luego "activar" por "horneado" a 400 ° C ^[16] Los tamices 4A sirven como precursores de los tamices 3A y 5A a través del intercambio catiónico de sodio para potasio (para 3A) o calcio (para 5A) ^{[17] [18]}

Uso

Secadores de solventes

Los tamices moleculares de 4Å se utilizan ampliamente para secar disolventes de laboratorio. ^[7] Pueden absorber agua y otras moléculas con un diámetro crítico inferior a 4 Å, como NH ₃ , H ₂ S, SO ₂ , CO ₂ , C ₂ H ₅ OH, C ₂ H ₆ y C ₂ H ₄ . Es ampliamente utilizado en el secado, refinado y purificación de líquidos y gases (como la preparación de argón).

Botella de tamices moleculares de 4Å.

Aditivos de agentes de poliéster

Estos tamices moleculares se utilizan para ayudar a los detergentes, ya que pueden producir agua desmineralizada a través del intercambio de iones de calcio , eliminar y prevenir la deposición de suciedad. Se utilizan ampliamente para reemplazar el fósforo . El tamiz molecular de 4Å juega un papel importante para reemplazar el tripolifosfato de sodio como auxiliar del detergente con el fin de mitigar el impacto ambiental del detergente. También se puede utilizar como agente formador de jabón y en pasta de dientes .

Tratamiento de residuos nocivos

Los tamices moleculares de 4Å pueden purificar las aguas residuales de especies catiónicas como los iones de amonio , Pb ²⁺ , Cu ²⁺ , Zn ²⁺ y Cd ²⁺ . Debido a la alta selectividad por NH ₄ ^+, se han aplicado con éxito en el campo para combatir la eutrofización y otros efectos en las vías fluviales debido al exceso de iones de amonio. También se han utilizado tamices moleculares de 4Å para eliminar los iones de metales pesados ​​presentes en el agua debido a las actividades industriales.

Otros propósitos

1. La industria metalúrgica : agente separador, separación, extracción de salmuera potásica, rubidio , cesio , etc.
2. Industria petroquímica, catalizador , desecante , adsorbente
3. Agricultura: acondicionador de suelos
4. Medicina: cargar agente antibacteriano de zeolita de plata .

5Å

• Fórmula química: 0.7CaO • 0.30Na ₂ O • Al ₂ O ₃ • 2.0SiO ₂ • 4.5H ₂ O
• Relación sílice-alúmina: SiO ₂ / Al ₂ O ₃ ≈2

Producción

Los tamices moleculares 5A se producen mediante el intercambio catiónico de calcio por sodio en tamices moleculares 4A (ver arriba)

Uso

Los tamices moleculares de cinco ångström (5Å) se utilizan a menudo en la industria del petróleo , especialmente para la purificación de corrientes de gas y en el laboratorio de química para separar compuestos y secar materiales de partida de reacción. Contienen poros diminutos de tamaño preciso y uniforme, y se utilizan principalmente como adsorbentes de gases y líquidos.

Se utilizan cinco tamices moleculares ångström para secar el gas natural , además de realizar la desulfuración y descarbonatación del gas. También se pueden usar para separar mezclas de oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, y n-hidrocarburos de aceite-cera de hidrocarburos ramificados y policíclicos.

Cinco tamices moleculares ångström se almacenan a temperatura ambiente, con una humedad relativa inferior al 90% en barriles de cartón o envases de cartón. Los tamices moleculares no deben exponerse directamente al aire y el agua, deben evitarse los ácidos y los álcalis.

Selección de tamices moleculares

Los tamices moleculares están disponibles en diferentes formas y tamaños. Pero las perlas esféricas tienen ventaja sobre otras formas, ya que ofrecen una menor caída de presión, son resistentes al desgaste ya que no tienen bordes afilados y tienen una buena resistencia, es decir, la fuerza de aplastamiento requerida por unidad de área es mayor. Ciertos tamices moleculares de perlas ofrecen una menor capacidad calorífica y, por lo tanto, menores requisitos de energía durante la regeneración.

La otra ventaja de usar tamices moleculares de perlas es que la densidad aparente suele ser más alta que en otras formas, por lo que para el mismo requisito de adsorción el volumen de tamiz molecular requerido es menor. Por lo tanto, mientras se elimina el cuello de botella, se pueden usar tamices moleculares de perlas, cargar más adsorbente en el mismo volumen y evitar cualquier modificación del recipiente.

Ver también

• Carbón activado
• Desecante
• Lima (mineral)
• Gel de sílice
• Zeolita

Referencias

1. "Definición de tamiz molecular - Definición de tamiz molecular - ¿Qué es un tamiz molecular?" . Chemistry.about.com. 2013-12-18. Archivado desde el original el 21 de febrero de 2014 . Consultado el 26 de febrero de 2014 .
2. J. Rouquerol; et al. (1994). "Recomendaciones para la caracterización de sólidos porosos (Informe técnico)" (descarga gratuita en pdf) . Pure Appl. Chem . 66 (8): 1739-1758. doi : 10.1351 / pac199466081739 .
3. "TAMIZ MOLECULAR RECUBIERTO - Solicitud de patente" . Faqs.org. 2010-03-18 . Consultado el 26 de febrero de 2014 .
4. Brindley, George W. (1952). "Mineralogía estructural de arcillas" . Arcillas y Minerales de Arcilla . 1 : 33–43. Código Bibliográfico : 1952CCM ..... 1 ... 33B . doi : 10.1346 / CCMN.1952.0010105 .
5. "Tipos de desecante" . SorbentSystems.com . Consultado el 26 de febrero de 2014 .
6. Mann, BF; Mann, AKP; Skrabalak, SE; Novotny, MV (2013). "Partículas de sílice macroporosa sub 2 μm derivatizadas para enriquecimiento de glicoproteínas por afinidad de lectina mejorada" . Química analítica . 85 (3): 1905-1912. doi : 10.1021 / ac303274w . PMC 3586544 . PMID 23278114 .  
7. Williams, DBG, Lawton, M., "Secado de disolventes orgánicos: evaluación cuantitativa de la eficiencia de varios desecantes", The Journal of Organic Chemistry 2010, vol. 75, 8351. doi : 10.1021 / jo101589h
8. Pujadó, PR; Rabó, JA; Antos, GJ; Gembicki, SA (11 de marzo de 1992). "Aplicaciones catalíticas industriales de tamices moleculares". Catálisis hoy . 13 (1): 113–141. doi : 10.1016 / 0920-5861 (92) 80191-O .
9. [1] Archivado el 16 de abril de 2012 en la Wayback Machine.
10. "Sec. 182.2727 aluminosilicato de sodio" . Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos. 1 de abril de 2012 . Consultado el 10 de diciembre de 2012 .
11. "Desecante de tamiz molecular" . DesiccantPacks.net . Consultado el 26 de febrero de 2014 .
12. "Tamices moleculares" . Sigma-Aldrich . Consultado el 26 de febrero de 2014 .
13. Spence Konde, "Preparación de perlas de zeolita con alto contenido de sílice a partir de gel de sílice", consultado el 26 de septiembre de 2011
14. "Tamiz molecular, tamices moleculares yiyuan" . Chemicalpackingcorp.com . Consultado el 26 de febrero de 2014 .
15. "Hengye Inc" . Hengye Inc . Hengye Inc . Consultado el 10 de julio de 2015 .
16. US 3433588 , Max Michel & Denis Papee, "Método para la preparación de zeolitas de 4 unidades angstrom", publicado el 18 de marzo de 1969, publicado el 18 de marzo de 1969 
17. Zeochem
18. Intraglobal

Enlaces externos

Scholia tiene un perfil de tema para el tamiz molecular .

• Los tamices ponen una tapa a los gases de efecto invernadero
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