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Un tamiz molecular es un material con poros (agujeros del tamaño de una molécula) de tamaño uniforme que unen el interior del sólido con su exterior. Estos materiales encarnan el efecto de tamiz molecular : "Con respecto a los sólidos porosos, la superficie asociada con los poros que se comunican con el espacio exterior puede llamarse superficie interna. Debido a que la accesibilidad de los poros puede depender del tamaño de las moléculas del fluido, la extensión de la superficie interna puede depender del tamaño de las moléculas que comprenden el fluido, y puede ser diferente para los diversos componentes de una mezcla de fluidos". [1] La especificación para los poros es que no solo se comunican desde el exterior hacia el interior, sino que los poros son uniformes en tamaño. Muchos tipos de materiales presentan algunos tamices moleculares, pero las zeolitas dominan el campo. Las zeolitas son casi siempre aluminosilicatos, o variantes donde algunos o todos los centros de Si o Al son reemplazados por elementos con carga similar. [2]
Los diámetros de los poros que componen los tamices moleculares son similares en tamaño a las moléculas pequeñas. 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 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. La mayoría de los tamices moleculares son aluminosilicatos ( zeolitas ) con una relación molar Si/Al inferior a 2, pero también hay ejemplos de carbón activado y gel de sílice . [2] [3] [4]
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). [5]
Las propiedades de tamizado de los tamices moleculares se clasifican como
Algunos tamices moleculares se utilizan en la cromatografía de exclusión por tamaño , una técnica de separación que clasifica las moléculas en función de su tamaño.
Otro uso importante es como desecante . A menudo se utilizan en la industria petroquímica 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.
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 Título 21 CFR 182.2727. [10] 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. [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 utiliza en la deshidratación de etanol ) o el calentamiento al vacío alto. Las temperaturas de regeneración varían de 175 °C (350 °F) a 315 °C (600 °F) según el tipo de tamiz molecular. [12] En cambio, 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 "estallarán" cuando se expongan a suficiente agua. Esto se debe a la rotura de las esferas de sílice al entrar en contacto con el agua. [13]
Los tamices moleculares 3A se producen mediante intercambio de cationes de potasio por sodio en tamices moleculares 4A (ver a continuación)
Los tamices moleculares 3A no adsorben moléculas con diámetros mayores 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 petroleras y químicas para refinar petróleo, polimerizar y secar en profundidad gases y líquidos químicos.
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 . Los tamices moleculares 3A se almacenan a temperatura ambiente, con una humedad relativa no superior al 90%. Se sellan a presión reducida y se mantienen alejados del agua, los ácidos y los álcalis.
Para la producción de tamices 4A, normalmente se combinan soluciones acuosas de silicato de sodio y aluminato de sodio a 80 °C. El producto se "activa" mediante "calentamiento" a 400 °C [15]. 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) [16] [17]
El uso principal de los tamices moleculares zeolíticos es en detergentes para ropa. En 2001, se estima que se produjeron 1200 kilotones de zeolita A para este fin, que implica la ablandación del agua . [2]
Los tamices moleculares 4A se utilizan ampliamente para secar solventes de laboratorio. [7] Pueden absorber agua y otras especies 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 .
Algunos 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 están disponibles en diversas formas y tamaños. Las perlas esféricas tienen la ventaja sobre otras formas, ya que ofrecen una menor caída de presión y son mecánicamente resistentes.
