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Un tamiz molecular es un material con poros 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 sí pueden. A medida que una mezcla de moléculas migra a través del lecho estacionario de una sustancia semisólida porosa denominada tamiz (o matriz), los componentes de mayor peso molecular (que no pueden pasar a los poros moleculares) abandonan primero el lecho. seguidas de moléculas sucesivamente más pequeñas. Algunos tamices moleculares se utilizan en cromatografía de exclusión por tamaño , una técnica de separación que clasifica las moléculas según su tamaño. Otro uso importante es como desecante . La mayoría de los tamices moleculares son zeolitas de aluminosilicato con una relación molar Si/Al inferior a 2, pero también hay ejemplos de carbón activado y gel de sílice . [1]
El diámetro de los poros de un tamiz molecular se mide en ångströms (Å) o nanómetros (nm). Según la notación IUPAC , los materiales microporosos tienen diámetros de poros inferiores a 2 nm (20 Å) y los materiales macroporosos tienen diámetros de poros superiores a 50 nm (500 Å); por tanto, la categoría mesoporosa se encuentra en el medio con diámetros de poro entre 2 y 50 nm (20–500 Å). [2]
Los tamices moleculares pueden ser de material microporoso , mesoporoso o macroporoso .
Los tamices moleculares se utilizan a menudo en la industria petrolera , 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 o el clatrato de metano .
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 buzos y bomberos . En tales aplicaciones, el aire es suministrado por un compresor de aire y pasa a través de un filtro de cartucho que, según la aplicación, se llena con tamiz molecular y/o carbón activado , y finalmente se utiliza para cargar los tanques de aire respirable. [9] Dicha filtración puede eliminar partículas y productos de escape del compresor del suministro de aire respirable.
La FDA de EE. UU. aprobó el 1 de abril de 2012 el aluminosilicato de sodio para el contacto directo con artículos consumibles según 21 CFR 182.2727. [10] Antes de esta aprobación, la Unión Europea había utilizado tamices moleculares con productos farmacéuticos y 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 gubernamental. [11]
Los métodos para la regeneración de tamices moleculares incluyen el cambio de presión (como en los concentradores de oxígeno), el calentamiento y la purga con un gas portador (como cuando se usa en la deshidratación de etanol ) o el calentamiento a alto vacío. Las temperaturas de regeneración oscilan entre 175 °C (350 °F) y 315 °C (600 °F), según el 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 "explotan" cuando se exponen a suficiente agua. Esto se produce por la rotura de las esferas de sílice al entrar en contacto con el agua. [13]
Los tamices moleculares 3A se producen mediante el intercambio catiónico de potasio por sodio en tamices moleculares 4A (ver más abajo)
Los tamices moleculares 3A no adsorben moléculas cuyos diámetros sean superiores a 3 Å. Las características de estos tamices moleculares incluyen una rápida velocidad de adsorción, 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 3A son el desecante necesario en las industrias química y petrolera para refinar petróleo, polimerizar y secar en profundidad gas-líquido químico.
Los tamices moleculares 3A 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 .
Se utiliza un tamiz molecular 3A para eliminar el agua del etanol, que luego puede usarse directamente como biocombustible o indirectamente para producir diversos productos como productos químicos, alimentos, productos 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 del proceso de etanol debido a la formación de un azeótropo con una concentración de alrededor del 95,6 por ciento en peso, se utilizan perlas de tamiz molecular para separar el etanol y el agua a nivel molecular mediante adsorber el agua en las perlas y permitir que el etanol pase libremente. Una vez que las perlas están llenas de agua, se puede manipular la temperatura o la presión, permitiendo que el agua se libere de las perlas del tamiz molecular. [15]
Los tamices moleculares 3A 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.
La producción del tamiz 4A es relativamente sencilla ya que no requiere altas presiones ni temperaturas particularmente altas. Normalmente, las soluciones acuosas de silicato de sodio y aluminato de sodio se combinan a 80 °C. El producto impregnado de disolvente se "activa" mediante "horneado" a 400 °C [16] Los tamices 4A sirven como precursores de los tamices 3A y 5A mediante el intercambio catiónico de sodio por potasio (para 3A) o calcio (para 5A) [17 ] [18]
Los tamices moleculares 4A 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 . Se utilizan ampliamente en el secado, refinado y purificación de líquidos y gases (como la preparación de argón).
Estos tamices moleculares se utilizan para ayudar a los detergentes, ya que pueden producir agua desmineralizada mediante el intercambio de iones de calcio , eliminar y prevenir la deposición de suciedad. Son muy utilizados para sustituir el fósforo . El tamiz molecular 4A desempeña un papel importante al reemplazar el tripolifosfato de sodio como auxiliar del detergente para mitigar el impacto ambiental del detergente. También se puede utilizar como agente formador de jabón y en pasta de dientes .
Los tamices moleculares 4A pueden purificar aguas residuales de especies catiónicas como 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 vías fluviales debido al exceso de iones de amonio. También se han utilizado tamices moleculares 4A para eliminar iones de metales pesados presentes en el agua debido a actividades industriales.
Los tamices moleculares 5A se producen mediante el intercambio catiónico de calcio por sodio en tamices moleculares 4A (ver arriba)
Los tamices moleculares de cinco ångström (5A) se utilizan a menudo en la industria petrolera , especialmente para la purificación de corrientes de gas y en el laboratorio de química para separar compuestos y secar materiales de partida de reacciones. Contienen poros diminutos de tamaño preciso y uniforme y se utilizan principalmente como adsorbentes de gases y líquidos.
Los tamices moleculares de cinco ångström se utilizan para secar el gas natural , además de realizar la desulfuración y descarbonatación del gas. También se pueden utilizar para separar mezclas de oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, y n-hidrocarburos de cera de aceite de hidrocarburos policíclicos y ramificados.
Los tamices moleculares de cinco 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 al agua, se deben evitar ácidos y álcalis.
Los tamices moleculares están disponibles en diversas formas y tamaños. Pero las perlas esféricas tienen ventajas sobre otras formas ya que ofrecen una menor caída de presión, son resistentes al desgaste ya que no tienen bordes afilados y tienen buena resistencia, es decir, la fuerza de aplastamiento requerida por unidad de área es mayor. Ciertos tamices moleculares de cuentas ofrecen una menor capacidad calorífica y, por lo tanto, menores requisitos de energía durante la regeneración.
La otra ventaja de utilizar tamices moleculares de cuentas es que la densidad aparente suele ser mayor que la de otras formas, por lo que, para el mismo requisito de adsorción, el volumen requerido de tamiz molecular es menor. Por lo tanto, al eliminar los cuellos de botella, se pueden utilizar tamices moleculares de cuentas, cargar más adsorbente en el mismo volumen y evitar modificaciones en el recipiente.
