Ein Molekularsieb ist ein Material mit Poren (sehr kleinen Löchern) gleichmäßiger Größe. Diese Porendurchmesser ähneln denen kleiner Moleküle, sodass große Moleküle nicht eindringen oder adsorbiert werden können, kleinere hingegen schon. Wenn ein Molekülgemisch durch das stationäre Bett aus poröser, halbfester Substanz, dem sogenannten Sieb (oder der Matrix), wandert, verlassen die Komponenten mit dem höchsten Molekulargewicht (die die Molekülporen nicht passieren können) das Bett zuerst, gefolgt von den kleineren Molekülen. Einige Molekularsiebe werden in der Größenausschlusschromatographie verwendet, einem Trennverfahren, das Moleküle nach ihrer Größe sortiert. Andere Molekularsiebe dienen als Trockenmittel (Beispiele sind Aktivkohle und Kieselgel).
Der Porendurchmesser eines Molekularsiebs wird in Ångström (Å) oder Nanometern (nm) gemessen. Nach der IUPAC-Notation haben mikroporöse Materialien Porendurchmesser von weniger als 2 nm (20 Å) und makroporöse Materialien Porendurchmesser von mehr als 50 nm (500 Å). Die mesoporöse Kategorie liegt somit in der Mitte mit Porendurchmessern zwischen 2 und 50 nm (20–500 Å).
Materialien
Molekularsiebe können aus mikroporösem, mesoporösem oder makroporösem Material bestehen.
Mikroporöses Material (
●Zeolithe (Aluminosilikatmineralien, nicht zu verwechseln mit Aluminiumsilikat)
●Zeolith LTA: 3–4 Å
●Poröses Glas: 10 Å (1 nm) und höher
●Aktivkohle: 0–20 Å (0–2 nm) und höher
● Tone
●Montmorillonit-Mischungen
● Halloysit (Endellit): Es gibt zwei gängige Formen: Im hydratisierten Zustand weist der Ton einen Schichtabstand von 1 nm auf, im dehydratisierten Zustand (Meta-Halloysit) beträgt der Abstand 0,7 nm. Halloysit kommt in der Natur als kleine Zylinder mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 30 nm und einer Länge zwischen 0,5 und 10 Mikrometern vor.
Mesoporöses Material (2–50 nm)
Siliziumdioxid (zur Herstellung von Kieselgel verwendet): 24 Å (2,4 nm)
Makroporöses Material (>50 nm)
Makroporöse Kieselsäure, 200–1000 Å (20–100 nm)
Anwendungen[Bearbeiten]
Molekularsiebe werden häufig in der Erdölindustrie eingesetzt, insbesondere zur Trocknung von Gasströmen. Beispielsweise muss in der Flüssigerdgasindustrie (LNG) der Wassergehalt des Gases auf unter 1 ppmv reduziert werden, um Verstopfungen durch Eis oder Methanhydrat zu vermeiden.
Im Labor werden Molekularsiebe zum Trocknen von Lösungsmitteln eingesetzt. Siebe haben sich gegenüber herkömmlichen Trocknungstechniken, bei denen oft aggressive Trockenmittel zum Einsatz kommen, als überlegen erwiesen.
Unter dem Begriff Zeolithe werden Molekularsiebe für eine Vielzahl katalytischer Anwendungen eingesetzt. Sie katalysieren Isomerisierung, Alkylierung und Epoxidierung und werden in großindustriellen Prozessen wie Hydrocracken und Fluid Catalytic Cracking eingesetzt.
Sie werden auch zur Filterung der Luftversorgung von Atemgeräten eingesetzt, beispielsweise von Tauchern und Feuerwehrleuten. Dabei wird die Luft von einem Luftkompressor zugeführt und durch einen Patronenfilter geleitet, der je nach Anwendung mit Molekularsieb und/oder Aktivkohle gefüllt ist. Anschließend werden die Atemlufttanks befüllt. Durch eine solche Filterung können Partikel und Kompressorabgase aus der Atemluftversorgung entfernt werden.
FDA-Zulassung.
Die US-amerikanische FDA hat Natriumaluminosilikat am 1. April 2012 gemäß 21 CFR 182.2727 für den direkten Kontakt mit Verbrauchsgütern zugelassen. Vor dieser Zulassung hatte die Europäische Union Molekularsiebe bei Arzneimitteln verwendet und unabhängige Tests ergaben, dass Molekularsiebe alle behördlichen Anforderungen erfüllen. Die Industrie war jedoch nicht bereit, die für die behördliche Zulassung erforderlichen teuren Tests zu finanzieren.
Regeneration
Methoden zur Regeneration von Molekularsieben umfassen Druckänderungen (wie in Sauerstoffkonzentratoren), Erhitzen und Spülen mit einem Trägergas (wie bei der Ethanol-Dehydratation) oder Erhitzen unter Hochvakuum. Die Regenerationstemperaturen liegen je nach Molekularsiebtyp zwischen 175 °C (350 °F) und 315 °C (600 °F). Kieselgel hingegen kann durch zweistündiges Erhitzen in einem herkömmlichen Ofen auf 120 °C (250 °F) regeneriert werden. Einige Kieselgelarten platzen jedoch bei Kontakt mit ausreichend Wasser. Dies ist auf das Zerbrechen der Kieselgelkügelchen beim Kontakt mit Wasser zurückzuführen.
| Modell | Porendurchmesser (Ångström) | Schüttdichte (g/ml) | Adsorbiertes Wasser (% (Gew.)) | Abrieb oder Abrieb, W(Gew.-%) | Verwendung |
| 3 Å | 3 | 0,60–0,68 | 19–20 | 0,3–0,6 | TrocknungvonErdölcrackenGas und Alkene, selektive Adsorption von H2O inIsolierglas (IG)und Polyurethan, Trocknung vonEthanolkraftstoffzum Mischen mit Benzin. |
| 4Å | 4 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,6 | Adsorption von Wasser inNatriumaluminosilikatdas von der FDA zugelassen ist (sieheunten) wird als Molekularsieb in medizinischen Behältern verwendet, um den Inhalt trocken zu halten und alsLebensmittelzusatzstoffhabenE-NummerE-554 (Trennmittel); Bevorzugt für die statische Dehydratation in geschlossenen Flüssigkeits- oder Gassystemen, z. B. bei der Verpackung von Medikamenten, elektrischen Bauteilen und verderblichen Chemikalien; zur Wasserabscheidung in Druck- und Kunststoffsystemen sowie zur Trocknung gesättigter Kohlenwasserstoffströme. Adsorbierte Spezies sind SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 und C3H6. Gilt allgemein als universelles Trocknungsmittel in polaren und unpolaren Medien.[12]Trennung vonErdgasUndAlkene, Adsorption von Wasser in nicht stickstoffempfindlichenPolyurethan |
| 5Å-DW | 5 | 0,45–0,50 | 21–22 | 0,3–0,6 | Entfettung und Stockpunkterniedrigung vonLuftfahrt KerosinUndDieselund Alkentrennung |
| 5Å kleine sauerstoffangereicherte | 5 | 0,4–0,8 | ≥23 | Speziell für medizinische oder gesunde Sauerstoffgeneratoren entwickelt[Quellenangabe erforderlich] | |
| 5 Å | 5 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,5 | Trocknung und Reinigung der Luft;DehydrationUndEntschwefelungvon Erdgas undFlüssiggas;SauerstoffUndWasserstoffProduktion durchDruckwechseladsorptionVerfahren |
| 10X | 8 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,6 | Hocheffiziente Sorption, verwendet bei der Trocknung, Entkohlung, Entschwefelung von Gasen und Flüssigkeiten und der Trennung vonaromatischer Kohlenwasserstoff |
| 13X | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Trocknung, Entschwefelung und Reinigung von Erdöl- und Erdgas |
| 13X-AS | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Entkohlungund Trocknung in der Luftzerlegungsindustrie, Trennung von Stickstoff und Sauerstoff in Sauerstoffkonzentratoren |
| Cu-13X | 10 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,5 | Süßung(Entfernung vonThiole) vonFlugbenzinund entsprechendeflüssige Kohlenwasserstoffe |
Adsorptionsfähigkeiten
3 Å
Ungefähre chemische Formel: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O
Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Verhältnis: SiO2/Al2O3≈2
Produktion
3A Molekularsiebe werden durch Kationenaustausch vonKaliumfürNatriumin 4A-Molekularsieben (siehe unten)
Verwendung
3Å-Molekularsiebe adsorbieren keine Moleküle mit einem Durchmesser von mehr als 3 Å. Zu den Eigenschaften dieser Molekularsiebe gehören eine schnelle Adsorptionsgeschwindigkeit, häufige Regenerationsfähigkeit, gute Druckfestigkeit undVerschmutzungsbeständigkeit. Diese Eigenschaften können sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer des Siebes verbessern. 3Å-Molekularsiebe sind das notwendige Trockenmittel in der Erdöl- und Chemieindustrie zur Ölraffination, Polymerisation und chemischen Tiefentrocknung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen.
3Å-Molekularsiebe werden zum Trocknen einer Reihe von Materialien verwendet, wie zum BeispielEthanol, Luft,Kältemittel,ErdgasUndungesättigte KohlenwasserstoffeZu letzteren zählen Crackgas,Acetylen,Ethylen,PropylenUndButadien.
3Å-Molekularsiebe werden verwendet, um Wasser aus Ethanol zu entfernen, das später direkt als Biokraftstoff oder indirekt zur Herstellung verschiedener Produkte wie Chemikalien, Lebensmitteln, Pharmazeutika und mehr verwendet werden kann. Da die normale Destillation aufgrund der Bildung einesAzeotropMit einer Konzentration von etwa 95,6 Gewichtsprozent werden Molekularsiebkügelchen verwendet, um Ethanol und Wasser auf molekularer Ebene zu trennen. Dabei adsorbieren sie das Wasser und lassen den Ethanol ungehindert passieren. Sobald die Kügelchen mit Wasser gefüllt sind, können Temperatur oder Druck manipuliert werden, wodurch das Wasser aus den Molekularsiebkügelchen freigesetzt wird.[15]
3Å-Molekularsiebe werden bei Raumtemperatur und einer relativen Luftfeuchtigkeit von höchstens 90 % gelagert. Sie werden unter reduziertem Druck versiegelt und von Wasser, Säuren und Basen ferngehalten.
4Å
Chemische Formel: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O
Silizium-Aluminium-Verhältnis: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)
Produktion
Die Herstellung von 4Å-Sieben ist relativ einfach, da weder hoher Druck noch besonders hohe Temperaturen erforderlich sind. Typischerweise werden wässrige Lösungen vonNatriumsilikatUndNatriumaluminatwerden bei 80 °C kombiniert. Das lösungsmittelimprägnierte Produkt wird durch Backen bei 400 °C aktiviert. 4A-Siebe dienen als Vorläufer für 3A- und 5A-Siebe.KationenaustauschvonNatriumfürKalium(für 3A) oderKalzium(für 5A)
Verwendung
Trocknende Lösungsmittel
4-Å-Molekularsiebe werden häufig zum Trocknen von Laborlösungsmitteln verwendet. Sie können Wasser und andere Moleküle mit einem kritischen Durchmesser von weniger als 4 Å absorbieren, wie z. B. NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 und C2H4. Sie werden häufig zum Trocknen, Raffinieren und Reinigen von Flüssigkeiten und Gasen (z. B. zur Argonherstellung) eingesetzt.
Polyester-Agent-Additive[bearbeiten]
Diese Molekularsiebe werden zur Unterstützung von Reinigungsmitteln eingesetzt, da sie demineralisiertes Wasser produzieren können durchKalziumIonenaustausch, entfernen und verhindern die Ablagerung von Schmutz. Sie werden häufig verwendet, um zu ersetzenPhosphorDas 4Å-Molekularsieb spielt eine wichtige Rolle beim Ersatz von Natriumtripolyphosphat als Waschmittelhilfsmittel, um die Umweltbelastung des Waschmittels zu verringern. Es kann auch alsSeifeFormmittel und inZahnpasta.
Behandlung gefährlicher Abfälle
4Å-Molekularsiebe können Abwasser von kationischen Spezies reinigen, wie zum BeispielAmmoniumIonen, Pb2+, Cu2+, Zn2+ und Cd2+. Aufgrund der hohen Selektivität für NH4+ wurden sie erfolgreich im Feld eingesetzt, umEutrophierungund andere Auswirkungen auf Wasserwege aufgrund übermäßiger Ammoniumionen. 4-Å-Molekularsiebe wurden auch verwendet, um Schwermetallionen zu entfernen, die aufgrund industrieller Aktivitäten im Wasser vorhanden waren.
Andere Zwecke
Dermetallurgische Industrie: Trennmittel, Trennung, Extraktion von Sole-Kalium,Rubidium,Cäsium, usw.
Petrochemische Industrie,Katalysator,Trockenmittel, Adsorbens
Landwirtschaft:Bodenverbesserer
Medizin: Silber ladenZeolithantibakterielles Mittel.
5 Å
Chemische Formel: 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2 •4,5H2O
Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Verhältnis: SiO2/Al2O3≈2
Produktion
5A Molekularsiebe werden durch Kationenaustausch vonKalziumfürNatriumin 4A Molekularsieben (siehe oben)
Verwendung
Fünf-Ångström(5Å) Molekularsiebe werden oft verwendet in derPetroleumIndustrie, insbesondere zur Reinigung von Gasströmen und im Chemielabor zur TrennungVerbindungenund Trocknen von Reaktionsausgangsstoffen. Sie enthalten winzige Poren von präziser und gleichmäßiger Größe und werden hauptsächlich als Adsorptionsmittel für Gase und Flüssigkeiten verwendet.
Fünf-ångström-Molekularsiebe werden zum Trocknen verwendetErdgas, zusammen mit der DurchführungEntschwefelungUndEntkarbonisierungdes Gases. Sie können auch verwendet werden, um Gemische aus Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sowie Öl-Wachs-n-Kohlenwasserstoffe von verzweigten und polyzyklischen Kohlenwasserstoffen zu trennen.
Fünf-ångström-Molekularsiebe werden bei Raumtemperatur gelagert, mit einemrelative Luftfeuchtigkeitweniger als 90 % in Pappfässern oder Kartonverpackungen. Die Molekularsiebe sollten nicht direkt der Luft und Wasser ausgesetzt werden, Säuren und Laugen sind zu vermeiden.
Morphologie von Molekularsieben
Molekularsiebe sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Kugelförmige Molekularsiebe haben jedoch gegenüber anderen Formen den Vorteil, dass sie einen geringeren Druckabfall aufweisen, abriebfest sind, da sie keine scharfen Kanten haben, und eine hohe Festigkeit aufweisen, d. h. die benötigte Druckkraft pro Flächeneinheit ist höher. Bestimmte Molekularsiebe in Kugelform haben eine geringere Wärmekapazität und somit einen geringeren Energiebedarf bei der Regeneration.
Ein weiterer Vorteil von Molekularsieben mit Perlen ist die üblicherweise höhere Schüttdichte als bei anderen Formen. Dadurch ist bei gleichem Adsorptionsbedarf ein geringeres Molekularsiebvolumen erforderlich. So können bei der Engpassbeseitigung Molekularsiebe mit Perlen verwendet, mehr Adsorbent bei gleichem Volumen geladen und Behältermodifikationen vermieden werden.
Beitragszeit: 18. Juli 2023
