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

Ein Molekularsieb ist ein Material mit Poren (sehr kleinen Löchern) einheitlicher Größe. Der Durchmesser dieser Poren entspricht in etwa dem von kleinen Molekülen, sodass große Moleküle nicht eindringen oder adsorbiert werden können, kleinere hingegen schon. Wenn ein Molekülgemisch durch das stationäre Bett aus porösem, halbfestem Material, dem sogenannten Sieb (oder der Matrix), wandert, verlassen die Komponenten mit dem höchsten Molekulargewicht (die nicht in die Poren gelangen können) das Bett zuerst, gefolgt von den Molekülen mit abnehmender Molekularmasse. Einige Molekularsiebe werden in der Größenausschlusschromatographie eingesetzt, einem Trennverfahren, das Moleküle anhand ihrer Größe sortiert. Andere Molekularsiebe dienen als Trockenmittel (Beispiele hierfür sind Aktivkohle und Kieselgel).
Der Porendurchmesser eines Molekularsiebs wird in Ångström (Å) oder Nanometern (nm) gemessen. Gemäß der IUPAC-Notation weisen mikroporöse Materialien Porendurchmesser von weniger als 2 nm (20 Å) und makroporöse Materialien Porendurchmesser von mehr als 50 nm (500 Å) auf; die mesoporöse Kategorie liegt somit mit Porendurchmessern zwischen 2 und 50 nm (20–500 Å) dazwischen.
Materialien
Molekularsiebe können mikroporöse, mesoporöse oder makroporöse Materialien sein.
Mikroporöses Material (
●Zeolithe (Aluminosilicatminerale, 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 höher
●Ton
●Montmorillonit-Beimischungen
Halloysit (Endellit): Es gibt zwei häufige Formen. Im hydratisierten Zustand beträgt der Schichtabstand 1 nm, im dehydratisierten Zustand (Meta-Halloysit) 0,7 nm. Halloysit kommt natürlich 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)
Siliciumdioxid (wird zur Herstellung von Kieselgel verwendet): 24 Å (2,4 nm)
Makroporöses Material (>50 nm)
Makroporöses Siliciumdioxid, 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 verhindern.
Im Labor werden Molekularsiebe zum Trocknen von Lösungsmitteln eingesetzt. Molekularsiebe haben sich gegenüber herkömmlichen Trocknungsverfahren, bei denen häufig aggressive Trockenmittel verwendet werden, als überlegen erwiesen.
Unter dem Begriff Zeolithe werden Molekularsiebe für ein breites Spektrum katalytischer Anwendungen eingesetzt. Sie katalysieren Isomerisierung, Alkylierung und Epoxidierung und finden Anwendung in großtechnischen industriellen Prozessen, darunter Hydrocracken und Fluid Catalytic Cracking.
Sie werden auch zur Filtration der Atemluftversorgung von Atemgeräten eingesetzt, beispielsweise von Tauchern und Feuerwehrleuten. In solchen Anwendungen wird die Luft von einem Kompressor zugeführt und durch einen Patronenfilter geleitet, der je nach Anwendung mit Molekularsieb und/oder Aktivkohle gefüllt ist. Die so gewonnene Luft dient schließlich zum Befüllen von Atemluftflaschen. Durch diese Filtration lassen sich Partikel und Abgase des Kompressors aus der Atemluft entfernen.
FDA-Zulassung.
Die US-amerikanische Arzneimittelbehörde FDA hat Natriumaluminosilicat mit Wirkung vom 1. April 2012 für den direkten Kontakt mit Verbrauchsmaterialien gemäß 21 CFR 182.2727 zugelassen. Vor dieser Zulassung hatte die Europäische Union Molekularsiebe in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt, und unabhängige Tests deuteten darauf hin, dass Molekularsiebe alle staatlichen Anforderungen erfüllen. Die Industrie war jedoch nicht bereit, die für die staatliche Zulassung erforderlichen teuren Tests zu finanzieren.
Regeneration
Methoden zur Regeneration von Molekularsieben umfassen Druckänderung (wie in Sauerstoffkonzentratoren), Erhitzen und Spülen mit einem Trägergas (wie bei der Ethanol-Dehydratisierung) oder Erhitzen unter Hochvakuum. Die Regenerationstemperaturen liegen je nach Molekularsiebtyp zwischen 175 °C und 315 °C. Kieselgel hingegen kann durch Erhitzen in einem herkömmlichen Backofen auf 120 °C für zwei Stunden regeneriert werden. Allerdings können manche Kieselgelsorten bei Kontakt mit ausreichend Wasser „platzen“. Dies wird durch das Aufbrechen der Kieselgelkügelchen beim Kontakt mit Wasser verursacht.

Modell	Porendurchmesser (Ångström)	Schüttdichte (g/ml)	Adsorbiertes Wasser (% w/w)	Abrieb oder Abrasion, W(% Gew./Gew.)	Verwendung
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	TrocknungvonErdölcrackenGase und Alkene, selektive Adsorption von H2O inIsolierglas (IG)und Polyurethan, Trocknung vonEthanol-Kraftstoffzum 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 zur statischen Trocknung in geschlossenen Flüssigkeits- oder Gassystemen, z. B. bei der Verpackung von Arzneimitteln, elektrischen Bauteilen und leicht verderblichen Chemikalien; zur Wasserbindung in Druck- und Kunststoffsystemen und zur Trocknung gesättigter Kohlenwasserstoffströme. Adsorbierte Spezies umfassen 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 Alkenetrennung
5Å kleine sauerstoffangereicherte	5	0,4–0,8	≥23		Speziell entwickelt für medizinische oder gesunde Sauerstoffgeneratoren[Quellenangabe erforderlich]
5Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Trocknung und Reinigung der Luft;DehydrationUndEntschwefelungvon Erdgas undFlüssiggas;SauerstoffUndWasserstoffProduktion vonDruckwechseladsorptionVerfahren
10x	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Hocheffiziente Sorption, eingesetzt bei der Trocknung, Entkohlung, Entschwefelung von Gasen und Flüssigkeiten sowie bei der Trennung vonaromatische Kohlenwasserstoffe
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 und Sauerstoff in Sauerstoffkonzentratoren
Cu-13X	10	0,50–0,60	23–24	0,3–0,5	Süßung(Entfernung vonThiole) vonFlugkraftstoffund entsprechendeflüssige 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 hergestellt.KaliumfürNatriumin 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 hohe Adsorptionsgeschwindigkeit, häufige Regenerierbarkeit und gute Druckfestigkeit.VerschmutzungsresistenzDiese Eigenschaften können sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer des Siebs verbessern. 3-Å-Molekularsiebe sind in der Erdöl- und Chemieindustrie das notwendige Trockenmittel für die Ölraffination, Polymerisation und Tiefentrocknung von chemischen Gas-Flüssigkeits-Gemischen.

3Å-Molekularsiebe werden zum Trocknen einer Reihe von Materialien verwendet, wie zum BeispielEthanol, Luft,Kältemittel,ErdgasUndungesättigte KohlenwasserstoffeLetztere umfassen Crackgas,Acetylen,Ethylen,PropylenUndButadien.

Ein 3-Å-Molekularsieb wird zur Wasserentfernung aus Ethanol eingesetzt, das anschließend direkt als Biokraftstoff oder indirekt zur Herstellung verschiedener Produkte wie Chemikalien, Lebensmittel, Pharmazeutika und mehr verwendet werden kann. Da die herkömmliche Destillation aufgrund der Bildung eines 3-Å-Molekularsiebs nicht das gesamte Wasser (ein unerwünschtes Nebenprodukt der Ethanolproduktion) aus den Ethanolprozessströmen entfernen kann, wird dieses Verfahren angewendet.AzeotropBei einer Konzentration von etwa 95,6 Gewichtsprozent werden Molekularsiebkügelchen zur Trennung von Ethanol und Wasser auf molekularer Ebene eingesetzt. Dabei wird das Wasser an die Kügelchen adsorbiert, während das Ethanol ungehindert passieren kann. Sobald die Kügelchen mit Wasser gesättigt sind, kann durch Temperatur- oder Druckveränderung das Wasser wieder freigesetzt werden.[15]

3Å-Molekularsiebe werden bei Raumtemperatur und einer relativen Luftfeuchtigkeit von maximal 90 % gelagert. Sie werden unter reduziertem Druck versiegelt und 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 4-Å-Sieben ist relativ einfach, da weder hohe Drücke noch besonders hohe Temperaturen erforderlich sind. Typischerweise werden wässrige Lösungen vonNatriumsilikatUndNatriumaluminatwerden bei 80 °C kombiniert. Das mit Lösungsmittel imprägnierte Produkt wird durch „Backen“ bei 400 °C „aktiviert“. 4A-Siebe dienen als Vorstufe für 3A- und 5A-Siebe.KationenaustauschvonNatriumfürKalium(für 3A) oderKalzium(für 5A)

Verwendung

Trocknungsmittel

4-Å-Molekularsiebe werden häufig zur Trocknung von Laborlösungsmitteln eingesetzt. Sie können Wasser und andere Moleküle mit einem kritischen Durchmesser von weniger als 4 Å, wie z. B. NH₃, H₂S, SO₂, CO₂, C₂H₅OH, C₂H₆ und C₂H₄, absorbieren. Sie finden breite Anwendung bei der Trocknung, Raffination und Reinigung von Flüssigkeiten und Gasen (z. B. bei der Argonherstellung).

 

Polyester-Verbundmittelzusätzebearbeiten]

Diese Molekularsiebe werden zur Unterstützung von Waschmitteln eingesetzt, da sie durch die Verwendung von Molekularsieben demineralisiertes Wasser erzeugen können.KalziumIonenaustauscher entfernen und verhindern die Ablagerung von Schmutz. Sie werden häufig als Ersatz verwendet.PhosphorDas 4-Å-Molekularsieb spielt eine wichtige Rolle beim Ersatz von Natriumtripolyphosphat als Waschmittelhilfsmittel, um die Umweltbelastung durch das Waschmittel zu verringern. Es kann auch als … verwendet werden.SeifeBildungsmittel und inZahnpasta.

Behandlung schädlicher Abfälle

4Å-Molekularsiebe können Abwasser von kationischen Spezies wie z. B. reinigenAmmoniumIonen, Pb2+, Cu2+, Zn2+ und Cd2+. Aufgrund der hohen Selektivität für NH4+ wurden sie erfolgreich im Feld zur Bekämpfung vonEutrophierungund andere Auswirkungen in Gewässern aufgrund eines Überschusses an Ammoniumionen. 4Å-Molekularsiebe wurden auch zur Entfernung von Schwermetallionen eingesetzt, die aufgrund industrieller Aktivitäten im Wasser vorhanden sind.

Sonstige Zwecke

Dermetallurgische Industrie: Trennmittel, Trennung, Extraktion von Kaliumchlorid aus Salzlösung,Rubidium,Cäsium, usw.

Petrochemische IndustrieKatalysator,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 hergestellt.KalziumfürNatriumin 4A Molekularsieben (siehe oben)

Verwendung

Fünf-ångström(5Å) Molekularsiebe werden häufig in derPetroleumIndustrie, insbesondere zur Reinigung von Gasströmen, und im Chemielabor zur Trennung vonVerbindungenund trocknen Reaktionsausgangsmaterialien. Sie enthalten winzige Poren von präziser und einheitlicher Größe und werden hauptsächlich als Adsorptionsmittel für Gase und Flüssigkeiten verwendet.

Fünf-Ångström-Molekularsiebe werden zum Trocknen verwendetErdgas, zusammen mit der AufführungEntschwefelungUndDekarbonisierungdes Gases. Sie können auch zur Trennung von Gemischen aus Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sowie von Öl-Wachs-n-Kohlenwasserstoffen von verzweigten und polyzyklischen Kohlenwasserstoffen verwendet werden.

Fünf-Ångström-Molekularsiebe werden bei Raumtemperatur gelagert, mit einemrelative LuftfeuchtigkeitWeniger als 90 % in Kartonfässern oder Kartonverpackungen. Die Molekularsiebe dürfen nicht direkt mit Luft und Wasser in Berührung kommen; Säuren und Laugen sind zu vermeiden.

Morphologie von Molekularsieben

Molekularsiebe sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Kugelförmige Kügelchen bieten gegenüber anderen Formen Vorteile, da sie einen geringeren Druckverlust aufweisen, abriebfest sind, da sie keine scharfen Kanten besitzen, und eine hohe Festigkeit aufweisen, d. h. die pro Flächeneinheit erforderliche Druckkraft ist höher. Bestimmte kugelförmige Molekularsiebe bieten eine geringere Wärmekapazität und somit einen geringeren Energiebedarf bei der Regeneration.

Ein weiterer Vorteil von perlenförmigen Molekularsieben liegt in ihrer in der Regel höheren Schüttdichte im Vergleich zu anderen Formen. Dadurch ist für die gleiche Adsorptionsanforderung ein geringeres Molekularsiebvolumen erforderlich. Bei der Optimierung von Prozesskapazitäten können daher perlenförmige Molekularsiebe eingesetzt werden, wodurch mehr Adsorptionsmittel im gleichen Volumen aufgebracht und jegliche Modifikationen am Behälter vermieden werden können.