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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 o ser adsorbidas , mientras que las moléculas más pequeñas sí pueden. A medida que una mezcla de moléculas migra a través del lecho estacionario de sustancia porosa y semisólida denominado tamiz (o matriz), los componentes de mayor peso molecular (que no pueden pasar a los poros moleculares) abandonan el lecho primero, seguidos por moléculas sucesivamente más pequeñas. Algunos tamices moleculares se utilizan en cromatografía de exclusión por tamaño , una técnica de separación que clasifica las moléculas en función de 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 poro de un tamiz molecular se mide en ångströms (Å) o nanómetros (nm). Según la notación IUPAC , los materiales microporosos tienen diámetros de poro de menos de 2 nm (20 Å) y los materiales macroporosos tienen diámetros de poro de más de 50 nm (500 Å); 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 disolventes. 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 , la alquilación y la epoxidación , y se utilizan en procesos industriales a gran escala, incluidos 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 buceadores y bomberos . En tales aplicaciones, el aire es suministrado por un compresor de aire y pasa a través de un filtro de cartucho que, dependiendo de la aplicación, se llena con tamiz molecular y/o carbón activado , y finalmente se utiliza para cargar 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 en polvo en muchas aplicaciones, como en vidrio aislante o revestimientos . Sin embargo, para que el manejo del material sea más manejable, especialmente para procesos regenerativos, el polvo de tamiz molecular se mezcla comúnmente con un material aglutinante de arcilla y se forma un extruido o una perla antes de activarse. [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 finalmente comenzaron a formar la mezcla en forma de perlas, que proporciona características de adsorción más favorables . Dependiendo de las condiciones del proceso y el tamaño de la cámara de proceso, tanto los extruidos como las perlas están disponibles en una variedad de tamaños nominales . Por ejemplo, los procesos de deshidratación de etanol industrial utilizan una perla de malla 4x8 más grande porque las cámaras de proceso son grandes, hasta 40 pies de alto 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 una mayor producción 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 perlas ofrecen una menor capacidad térmica , por lo tanto, menores requisitos de energía durante la regeneración. La otra ventaja de usar tamices moleculares de perlas es que la densidad aparente suele ser mayor que otras formas, por lo que para un requisito de adsorción dado, el volumen de tamiz molecular requerido es menor. Mientras se eliminan los cuellos de botella [ desambiguación necesaria ] , se pueden usar tamices moleculares de perlas para cargar más adsorbente en el mismo volumen mientras se evitan las modificaciones del recipiente. [13]
El 1 de abril de 2012, la FDA de los Estados Unidos aprobó el aluminosilicato de sodio para el contacto directo con artículos consumibles de conformidad con el 21 CFR 182.2727. [14] Antes de esta aprobación, la Unión Europea había utilizado tamices moleculares con productos farmacéuticos y pruebas independientes sugirieron que los tamices moleculares cumplían con todos los requisitos gubernamentales, pero la industria no había estado dispuesta a financiar las costosas pruebas requeridas 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 utiliza en la deshidratación de etanol ) o el calentamiento a alto vacío. Las temperaturas de regeneración varían de 175 °C (350 °F) a 315 °C (600 °F) según el tipo de tamiz molecular. [16]
Las zeolitas son minerales fascinantes que pueden existir de forma natural o crearse de forma sintética para satisfacer necesidades industriales específicas. La formación natural de la zeolita implica una combinación fascinante de actividad volcánica y agua subterránea . Se origina a partir de la interacción de cenizas volcánicas con aguas subterráneas alcalinas durante miles de años, lo que da como resultado la creación de estructuras cristalinas porosas, lo que otorga a este material propiedades únicas que lo hacen valioso en varios procesos industriales. La ceniza volcánica, rica en sílice y alúmina , actúa como los bloques de construcción para las estructuras porosas de los tamices moleculares. A medida que el agua se filtra a través de estos depósitos de ceniza, disuelve gradualmente algunos de los minerales y los arrastra. Con el tiempo, estos minerales disueltos se recombinan en condiciones específicas para formar el marco cristalino que define las estructuras de la zeolita. Este proceso natural da lugar a las notables capacidades de adsorción por las que la zeolita es famosa. 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 intercambio de cationes de potasio por sodio en tamices moleculares 4A.
Los tamices moleculares 3A no adsorben moléculas cuyos diámetros sean mayores de 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 petroleras y químicas 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 . Entre estos últimos se incluyen el gas de craqueo, el acetileno , el etileno , el propileno y el butadieno .
El tamiz molecular 3A se utiliza para eliminar el agua del etanol, que luego se puede utilizar 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 el 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 de procesamiento de etanol. Para romper el azeótropo, se utiliza un tamiz molecular para separar el etanol y el agua a nivel molecular mediante la adsorción de 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%. Se almacenan herméticamente a presión reducida y se mantienen alejados del agua, los ácidos y los álcalis.
La producción de tamices 4A es relativamente sencilla, ya que no requiere presiones elevadas ni temperaturas especialmente altas. Normalmente, se combinan soluciones acuosas de silicato de sodio y aluminato de sodio a 80 °C. El producto impregnado con disolvente se "activa" mediante "horneado" a 400 °C. [20]
Los tamices 4A sirven como precursores de los tamices 3A y 5A a través del intercambio de cationes de sodio por potasio (para 3A) o calcio (para 5A). [21] [22] En efecto, este intercambio iónico permite la selectividad del tamiz molecular para diferenciar 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 menor 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, refinación 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 a través del intercambio de iones de calcio , eliminar y prevenir la deposición de suciedad. Se utilizan ampliamente para reemplazar el fósforo . El tamiz molecular 4A juega un papel importante para reemplazar el tripolifosfato de sodio como auxiliar del detergente con el fin de mitigar el impacto ambiental del detergente. También se puede utilizar como agente formador de jabón y en la pasta de dientes .
Los tamices moleculares 4A pueden purificar las aguas residuales de especies catiónicas como iones de amonio , Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ y Cd 2+ . Debido a la alta selectividad para NH 4 + se han aplicado con éxito en el campo para combatir la eutrofización y otros efectos en las 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 intercambio de cationes 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 químico para separar compuestos y secar materiales de partida de reacciones. Contienen poros diminutos de un tamaño preciso y uniforme y se utilizan principalmente como adsorbentes de gases y líquidos.
Los tamices moleculares de cinco ångström se utilizan para secar 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 ramificados y policíclicos.
Los tamices moleculares de 5 ångström se almacenan a temperatura ambiente, con una humedad relativa inferior al 90%, en barriles o envases de cartón. Los tamices moleculares no deben exponerse directamente al aire ni al agua, y deben evitarse los ácidos y los 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 13X sintético, 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 los cristales de tipo A y tienden a ofrecer tamaños de poro mucho más grandes, de aproximadamente 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 la 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, la zeolita 13X purifica eficazmente el gas natural y el biogás, lo que garantiza que estos recursos cumplan con los estrictos estándares de pureza para una utilización segura. Además, en aplicaciones de separación de aire , las capacidades de adsorción selectiva de la zeolita 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 varios procesos. La capacidad de la zeolita 13X para capturar selectivamente moléculas de agua y otras impurezas contribuye a lograr los niveles de pureza deseados requeridos para aplicaciones industriales. Más allá de la separación y purificación de gases, la zeolita 13X también sirve como un activo invaluable en el secado de varios gases y líquidos. Su excepcional capacidad de adsorción de agua la convierte en una herramienta indispensable para eliminar la humedad de los procesos industriales. Ya sea que se trate del secado de 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]
