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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 lo 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.
Los tamices moleculares están disponibles en diversas formas y tamaños. El tamiz molecular se puede utilizar directamente en su forma motorizada en muchas aplicaciones, como en vidrio aislante o revestimientos . Sin embargo, para hacer que el manejo del material sea más manejable, especialmente para procesos regenerativos, el polvo de tamiz molecular comúnmente se mezcla con un material aglutinante de arcilla y se le da forma de extruido o perla antes de activarlo. [10]
Originalmente, la mezcla de aglutinante de arcilla y zeolita de tamiz molecular se extruía en forma de gránulos. Si bien los gránulos todavía se usan comúnmente, los fabricantes eventualmente comenzaron a darle a la mezcla forma de perlas, lo que proporciona características de adsorción más favorables . Dependiendo de las condiciones del proceso y del tamaño de la cámara de proceso, tanto los extruidos como las perlas están disponibles en una variedad de tamaños nominales . Por ejemplo, los procesos industriales de deshidratación de etanol utilizan una malla de 4x8 más grande porque las cámaras de proceso son grandes, de hasta 40 pies de altura o más. [11] En el otro extremo, un concentrador de oxígeno portátil utiliza un tamaño de perla más pequeño, aproximadamente 20x40 de malla, lo que permite un mayor rendimiento en un tamaño de recipiente más pequeño al mejorar la tasa de adsorción/ desorción del tamiz molecular. [12]
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 otras formas, por lo que, para un requisito de adsorción determinado, el volumen de tamiz molecular requerido es menor. Mientras se eliminan los cuellos de botella , se pueden utilizar tamices moleculares de cuentas para cargar más adsorbente en el mismo volumen y evitar modificaciones en los recipientes. [13]
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. [14] 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. [15]
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. [dieciséis]
Las zeolitas son minerales cautivadores que pueden ocurrir naturalmente o crearse sintéticamente para satisfacer necesidades industriales específicas. La formación natural de la zeolita implica una fascinante combinación de actividad volcánica y agua subterránea . Se origina a partir de cenizas volcánicas que interactúan con aguas subterráneas alcalinas durante miles de años, lo que da como resultado la creación de estructuras cristalinas porosas, lo que dota a este material de propiedades únicas que lo hacen valioso en diversos procesos industriales. La ceniza volcánica, rica en sílice y alúmina , actúa como componente básico de las estructuras porosas de los tamices moleculares. A medida que el agua se filtra a través de estos depósitos de cenizas, disuelve gradualmente algunos de los minerales y los arrastra. Con el tiempo, estos minerales disueltos se recombinan en condiciones específicas para formar la estructura cristalina que define las estructuras de las zeolitas. Este proceso natural da lugar a las notables capacidades de adsorción por las que es famosa la zeolita. Debido a su estructura natural, la zeolita tiene una alta afinidad por las moléculas de agua, lo que la hace particularmente útil en aplicaciones donde la eliminación de agua es esencial, como los procesos de secado de gases. [18]
Los tamices moleculares 3A se producen mediante el intercambio catiónico de potasio por sodio en tamices moleculares 4A.
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 .
3Se utiliza un tamiz molecular 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. Debido a la formación de un azeótropo a una concentración de aproximadamente 95,6 por ciento en peso, la destilación normal por sí sola no puede eliminar toda el agua (un subproducto indeseable de la producción de etanol) de las corrientes del proceso de etanol. Para romper el azeótropo, se utiliza un tamiz molecular para separar el etanol y el agua a nivel molecular adsorbiendo agua en el cristal del tamiz molecular 3A mientras se permite que el etanol pase libremente. Una vez que el tamiz molecular está saturado con agua, se puede manipular la temperatura o la presión para permitir que el agua se libere del tamiz molecular en un proceso llamado regeneración. [19]
Los tamices moleculares 3A deben almacenarse 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. [20]
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). [21] [22] En efecto, este intercambio iónico permite que la selectividad del tamiz molecular diferencie dónde el tamiz molecular 3A es más selectivo que el tamiz molecular 4A, mientras que el tamiz molecular 5A es menos selectivo que el tamiz molecular 4A y puede adsorber moléculas más grandes. [23]
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. Los tamices moleculares 4A también se han utilizado 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.
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.
Se han desarrollado métodos de síntesis especializados para adaptar las propiedades de la zeolita a diversas aplicaciones industriales. Al controlar cuidadosamente la composición química y las condiciones de reacción, los fabricantes pueden modificar el tamaño, la forma y las propiedades de la superficie de la zeolita para crear un tamiz molecular sintético 13X, lo que permite optimizarlo para funciones específicas. Para los procesos de separación de aire, se puede diseñar un tamiz molecular 13X cuidadosamente sintetizado para adsorber selectivamente ciertas moléculas de gas y permitir el paso de otras, lo que lo hace invaluable para separar y purificar gases a escala industrial. [24]
Los cristales de tipo X tienen una forma diferente a la de los cristales de tipo A y tienden a ofrecer tamaños de poro mucho más grandes, alrededor de 9 angstroms de diámetro. [25]
En las industrias del gas natural y del biogás, la presencia de impurezas como el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno puede afectar significativamente la calidad y usabilidad de estos valiosos recursos. La zeolita 13X es un componente clave para eliminar estas impurezas. Aprovechando su alta selectividad para el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, 13X purifica eficazmente el gas natural y el biogás, garantizando que estos recursos cumplan con estrictos estándares de pureza para una utilización segura. Además, en aplicaciones de separación de aire , las capacidades de adsorción selectiva del 13X entran en juego al eliminar eficazmente las impurezas del aire. Esto es particularmente crucial en industrias donde los gases de alta pureza son esenciales para diversos procesos. La capacidad de la zeolita 13X para capturar selectivamente moléculas de agua y otras impurezas contribuye a lograr los niveles de pureza deseados y requeridos para las aplicaciones industriales. Más allá de la separación y purificación de gases, la zeolita 13X también sirve como un activo invaluable en el secado de diversos gases y líquidos. Su excepcional capacidad de adsorción de agua lo convierte en una herramienta indispensable para eliminar la humedad de los procesos industriales. Ya sea secando gas natural, biogás o corrientes líquidas, la zeolita 13X desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la pureza y la integridad de estas sustancias esenciales. [26]
