Ein Molekularsieb ist ein Material mit Poren (sehr kleinen Löchern) einheitlicher Größe

Ein Molekularsieb ist ein Material mit Poren (sehr kleinen Löchern) einheitlicher Größe. Diese Porendurchmesser sind ähnlich groß wie kleine Moleküle, sodass große Moleküle nicht eindringen oder adsorbiert werden können, kleinere Moleküle hingegen schon. Während eine Mischung von Molekülen durch das stationäre Bett aus poröser, halbfester Substanz, das als Sieb (oder Matrix) bezeichnet wird, wandert, verlassen die Komponenten mit dem höchsten Molekulargewicht (die nicht in die Molekülporen gelangen können) das Bett zuerst. gefolgt von immer kleineren Molekülen. Einige Molekularsiebe werden in der Größenausschlusschromatographie verwendet, einer Trenntechnik, bei der Moleküle nach ihrer Größe sortiert werden. Als Trockenmittel werden auch andere Molekularsiebe verwendet (z. B. Aktivkohle und Kieselgel).
Der Porendurchmesser eines Molekularsiebs wird in Ångström (Å) oder Nanometern (nm) gemessen. Gemäß 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 im Mittelfeld 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 mehr
●Aktivkohle: 0–20 Å (0–2 nm) und mehr
●Tone
●Montmorillonit vermischt sich
●Halloysit (Endellit): Es gibt zwei häufig vorkommende Formen: Im hydratisierten Zustand weist der Ton einen Schichtabstand von 1 nm auf, im dehydrierten Zustand (Meta-Halloysit) beträgt der Abstand 0,7 nm. Halloysit kommt in der Natur in Form kleiner 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)
Makroporöses Siliziumdioxid, 200–1000 Å (20–100 nm)
Bewerbungen
Molekularsiebe werden häufig in der Erdölindustrie eingesetzt, insbesondere zum Trocknen von Gasströmen. Beispielsweise muss in der Flüssigerdgasindustrie (LNG) der Wassergehalt des Gases auf weniger als 1 ppmv reduziert werden, um Verstopfungen durch Eis oder Methanclathrat zu verhindern.
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 vielfältige katalytische Anwendungen eingesetzt. Sie katalysieren Isomerisierung, Alkylierung und Epoxidierung und werden in großtechnischen Industrieprozessen eingesetzt, darunter Hydrocracken und katalytisches Wirbelschichtcracken.
Sie werden auch bei der Filterung von Luftvorräten für Atemgeräte eingesetzt, beispielsweise für Geräte von Sporttauchern und Feuerwehrleuten. Bei solchen Anwendungen wird Luft von einem Luftkompressor zugeführt und durch einen Patronenfilter geleitet, der je nach Anwendung mit Molekularsieb und/oder Aktivkohle gefüllt ist und schließlich zur Befüllung von Atemlufttanks verwendet wird. Durch eine solche Filtration können Partikel entfernt werden und Kompressorabgase aus der Atemluftversorgung.
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 mit Arzneimitteln verwendet und unabhängige Tests ergaben, dass Molekularsiebe alle staatlichen Anforderungen erfüllen Die Industrie war nicht bereit, die teuren Tests zu finanzieren, die für die staatliche Genehmigung erforderlich waren.
Regeneration
Zu den Methoden zur Regeneration von Molekularsieben gehören Druckänderungen (wie bei Sauerstoffkonzentratoren), Erhitzen und Spülen mit einem Trägergas (wie bei der Ethanoldehydratisierung) oder Erhitzen unter Hochvakuum. Die Regenerationstemperaturen liegen je nach Molekularsiebtyp zwischen 175 °C (350 °F) und 315 °C (600 °F). Im Gegensatz dazu kann Kieselgel regeneriert werden, indem man es zwei Stunden lang in einem normalen Ofen auf 120 °C (250 °F) erhitzt. Allerdings „platzen“ einige Arten von Kieselgel, wenn sie ausreichend Wasser ausgesetzt werden. Dies wird dadurch verursacht, dass die Silikatkügelchen beim Kontakt mit Wasser zerbrechen.

Modell	Porendurchmesser (Ångström)	Schüttdichte (g/ml)	Adsorbiertes Wasser (% w/w)	Abrieb oder Abrieb, W(% w/w)	Verwendung
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	TrocknungvonCracken von ErdölGas und Alkene, selektive Adsorption von H2O inIsolierglas (IG)und Polyurethan, Trocknen 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 (Antibackmittel); Bevorzugt für die statische Dehydrierung in geschlossenen Flüssigkeits- oder Gassystemen, z. B. bei der Verpackung von Medikamenten, elektrischen Bauteilen und verderblichen Chemikalien; Wasserabscheidung in Druck- und Kunststoffsystemen und Trocknung gesättigter Kohlenwasserstoffströme. Zu den adsorbierten Spezies gehören 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 stickstoffempfindlichen BereichenPolyurethan
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Entfettung und Stockpunkterniedrigung vonLuftfahrt KerosinUndDieselund Alkentrennung
5Å klein, mit Sauerstoff angereichert	5	0,4–0,8	≥23		Speziell für medizinische oder gesunde Sauerstoffgeneratoren entwickelt[Zitat erforderlich]
5Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Trocknung und Reinigung der Luft;DehydrierungUndEntschwefelungvon Erdgas undFlüssiggas;SauerstoffUndWasserstoffProduktion vonDruckwechseladsorptionVerfahren
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Hocheffiziente Sorption zur Trocknung, Entkohlung, Entschwefelung von Gasen und Flüssigkeiten sowie zur Trennung vonaromatischer Kohlenwasserstoff
13X	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Trocknung, Entschwefelung und Reinigung von Erdölgas und Erdgas
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Entkohlungund Trocknung in der Luftzerlegungsindustrie, Trennung von Stickstoff von Sauerstoff in Sauerstoffkonzentratoren
Cu-13X	10	0,50–0,60	23–24	0,3–0,5	Süßung(Entfernung vonThiole) vonFlugbenzinund entsprechendflüssige Kohlenwasserstoffe

Adsorptionsfähigkeiten

3Å

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 hergestelltKaliumfürNatriumin 4A-Molekularsieben (siehe unten)

Verwendung

3Å-Molekularsiebe adsorbieren keine Moleküle, deren Durchmesser größer als 3 Å ist. Zu den Eigenschaften dieser Molekularsiebe gehören eine schnelle Adsorptionsgeschwindigkeit, häufige Regenerationsfähigkeit, gute Zerkleinerungsbeständigkeit uswVerschmutzungsresistenz. Diese Merkmale können sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer des Siebs verbessern. 3Å-Molekularsiebe sind das notwendige Trockenmittel in der Erdöl- und Chemieindustrie zur Ölraffinierung, Polymerisation und chemischen Gas-Flüssigkeits-Tiefentrocknung.

3Å-Molekularsiebe werden zum Trocknen einer Reihe von Materialien verwendet, zEthanol, Luft,Kältemittel,ErdgasUndungesättigte Kohlenwasserstoffe. Zu letzteren zählen Spaltgas,Acetylen,Ethylen,PropylenUndButadien.

3Å-Molekularsieb wird verwendet, um Wasser aus Ethanol zu entfernen, das später direkt als Biokraftstoff oder indirekt zur Herstellung verschiedener Produkte wie Chemikalien, Lebensmittel, Pharmazeutika und mehr verwendet werden kann. Da bei der normalen Destillation nicht das gesamte Wasser (ein unerwünschtes Nebenprodukt der Ethanolproduktion) aus den Ethanolprozessströmen entfernt werden kann, da sich ein Wasser bildetAzeotropBei einer Konzentration von etwa 95,6 Gewichtsprozent werden Molekularsiebkügelchen zur Trennung von Ethanol und Wasser auf molekularer Ebene verwendet, indem das Wasser in den Kügelchen adsorbiert wird und das Ethanol ungehindert passieren kann. Sobald die Perlen mit Wasser gefüllt sind, können Temperatur oder Druck manipuliert werden, sodass das Wasser aus den Molekularsiebperlen freigesetzt werden kann.[15]

3Å-Molekularsiebe werden bei Raumtemperatur und einer relativen Luftfeuchtigkeit von nicht mehr als 90 % gelagert. Sie werden unter Unterdruck versiegelt und sind so von Wasser, Säuren und Laugen 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 hohe Drücke noch besonders hohe Temperaturen erforderlich sind. Typischerweise wässrige Lösungen vonNatriumsilikatUndNatriumaluminatwerden bei 80 °C zusammengegeben. Das mit Lösungsmittel imprägnierte Produkt wird durch „Backen“ bei 400 °C „aktiviert“. 4A-Siebe dienen als Vorstufe für 3A- und 5A-SiebeKationenaustauschvonNatriumfürKalium(für 3A) oderKalzium(für 5A)

Verwendung

Trocknende Lösungsmittel

4Å-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 NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 und C2H4. Sie werden häufig zum Trocknen, Raffinieren und Reinigen von Flüssigkeiten und Gasen (z. B. zur Herstellung von Argon) eingesetzt.

 

Additive für Polyesterwirkstoffe[bearbeiten]

Diese Molekularsiebe werden zur Unterstützung von Reinigungsmitteln verwendet, da sie entmineralisiertes Wasser erzeugen könnenKalziumIonenaustausch, entfernen und verhindern die Ablagerung von Schmutz. Sie werden häufig als Ersatz verwendetPhosphor. Das 4Å-Molekularsieb spielt eine wichtige Rolle beim Ersatz von Natriumtripolyphosphat als Waschmittelhilfsmittel, um die Umweltbelastung des Waschmittels zu verringern. Es kann auch als verwendet werdenSeifeFormungsmittel und inZahnpasta.

Schädliche Abfallbehandlung

4Å-Molekularsiebe können Abwasser von kationischen Spezies wie reinigenAmmoniumIonen, Pb2+, Cu2+, Zn2+ und Cd2+. Aufgrund der hohen Selektivität für NH4+ wurden sie erfolgreich im Feldeinsatz zur Bekämpfung eingesetztEutrophierungund andere Auswirkungen in Wasserstraßen aufgrund übermäßiger Ammoniumionen. 4Å-Molekularsiebe wurden auch verwendet, um Schwermetallionen zu entfernen, die aufgrund industrieller Aktivitäten im Wasser vorhanden sind.

Andere Zwecke

Dermetallurgische Industrie: Trennmittel, Trennung, Gewinnung von Solekalium,Rubidium,Cäsium, usw.

Petrochemische Industrie,Katalysator,Trockenmittel, Adsorptionsmittel

Landwirtschaft:Bodenverbesserer

Medizin: Silber ladenZeolithantibakterielles Mittel.

5Å

Chemische Formel: 0,7CaO·0,30Na2O·Al2O3·2,0SiO2·4,5H2O

Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Verhältnis: SiO2/Al2O3≈2

Produktion

5A-Molekularsiebe werden durch Kationenaustausch hergestelltKalziumfürNatriumin 4A-Molekularsieben (siehe oben)

Verwendung

Fünf-Ångström(5Å)-Molekularsiebe werden häufig in der verwendetPetroleumIndustrie, insbesondere zur Reinigung von Gasströmen und im Chemielabor zur TrennungVerbindungenund Trocknungsreaktionsausgangsmaterialien. Sie enthalten winzige Poren von präziser und gleichmäßiger Größe und werden hauptsächlich als Adsorptionsmittel für Gase und Flüssigkeiten verwendet.

Zum Trocknen werden Fünf-Ångström-Molekularsiebe verwendetErdgas, zusammen mit der AufführungEntschwefelungUndDekarbonisierungdes 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 sollten vermieden werden.

Morphologie von Molekularsieben

Molekularsiebe sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Die kugelförmigen Perlen haben jedoch Vorteile gegenüber anderen Formen, da sie einen geringeren Druckabfall bieten, abriebfest sind, da sie keine scharfen Kanten haben, und eine gute Festigkeit aufweisen, dh die pro Flächeneinheit erforderliche Druckkraft ist höher. Bestimmte perlförmige Molekularsiebe bieten eine geringere Wärmekapazität und somit einen geringeren Energiebedarf bei der Regeneration.

Der andere Vorteil der Verwendung von perlförmigen Molekularsieben besteht darin, dass die Schüttdichte normalerweise höher ist als bei anderen Formen, sodass bei gleichen Adsorptionsanforderungen weniger Molekularsiebvolumen erforderlich ist. Daher kann man bei der Beseitigung von Engpässen perlenbesetzte Molekularsiebe verwenden, mehr Adsorptionsmittel in das gleiche Volumen einfüllen und Gefäßmodifikationen vermeiden.