Sito molekularne 3A, 4A, 5A, 13X (Molecular Sieve)

Cząsteczki gazów i par różnią się wielkością. Na przykład cząsteczki alkoholu metylowego lub chloroformu w stanie gazowym są kilkakrotnie większe niż cząsteczka dwutlenku węgla, a cząsteczka dwutlenku węgla z kolei większa niż cząsteczka azotu. Ten ostatni jest większy niż cząsteczki tlenu lub wodoru. To właśnie skłoniło naukowców do myślenia o użyciu sit do oddzielania gazów, podobnych do tych stosowanych w ciałach stałych. Ale jak to zrobić? Przecież nawet najcieńsze sita, przez które przechodzi np. pył cynkowy, mają otwory wielkości kilku tysięcznych centymetra, a przez filtry papierowe przechodzą wirusy, które są 1000 razy większe od cząsteczek gazu. Jak w takim przypadku podzielić wielkość cząsteczki gazów i par, których wielkość jest mniejsza niż sto milionowych części centymetra? Trudne zadanie. Ale teraz jest rozwiązany. Znaleziono metody „odsiewania” niektórych cząsteczek od innych za pomocą oryginalnych sit molekularnych.

Czym są te sita? Jak tworzą dziury o wielkości cząsteczkowej? Materiałem na najmniejsze sita jest sztucznie przygotowany glinokrzemian, który jest chemicznie podobny do glinek mineralnych czy skaleni. Takie minerały nazywane są zeolami. Kryształy zeolitu zawierają wodę. Ale jeśli podgrzejesz zeolit, woda zostanie z niego usunięta i, co bardzo ważne, struktura minerału nie ulegnie zmianie. Uzyskuje się jednak kryształy przesiąknięte siecią porów o wielkości cząsteczkowej, ulokowanych w ścisłej kolejności. Te naturalne „dziury” zajmują prawie 50 procent całkowitej objętości kryształów.

Pory sit molekularnych mają zdolność wychwytywania cząsteczek wody. Ale jeśli w gazie nie ma wody, mogą wejść i zatrzymać inne cząsteczki. Jeśli jednak małe cząsteczki przejdą do otworu zwykłego sita, a większe zostaną w nim zatrzymane, to tutaj, w niezwykle porowatej substancji molekularnej, przeciwnie, duże cząsteczki przechodzą przez sito, a małe utkną. Naturalnie, w zależności od wielkości i charakteru chemicznego cząsteczek, które mają być wyeliminowane z mieszaniny gazów, wykonuje się sita o różnym charakterze fizycznym i chemicznym zarówno dla dużych, jak i małych cząsteczek.

Jak takie sito molekularne działa w warunkach produkcyjnych? Wszyscy znają cenny plastikowy polietylen. Otrzymuje się go przez polimeryzację gazu etylenowego. Ale aby uzyskać dobry polietylen, gaz musi zostać oczyszczony z zanieczyszczeń, w szczególności z dwutlenku węgla, który nie powinien przekraczać jednej dziesiątej tysięcznej procenta. Wcześniej czyszczenie odbywało się w bardzo trudny i kosztowny sposób. Najpierw etylen został przemyty specjalnym roztworem, który pochłonął dwutlenek węgla, tylko jedna setna procenta pozostała w gazie. Następnie gaz przemyto alkaliami, aby całkowicie zaabsorbować dwutlenek węgla.

Jednak w gazie pozostał zarówno specjalny roztwór, jak i zasada w niewielkich ilościach, i aby usunąć te pozostałości, etylen przemyto większą ilością wody. Następnie gaz został wysuszony. Za pomocą sita molekularnego proces odbywa się jednoetapowo. Urządzenia nie są narażone na działanie substancji żrących, takich jak zasady, wilgoć; dzięki temu pracują długo i bez naprawy.

Czyszczenie jest następujące. W dwóch stalowych kolumnach – adsorberach – ładowany jest w postaci warstwy tabletek zeolit – nośnik sit molekularnych. Kolumny działają naprzemiennie (jedna działa, druga może zostać przywrócona). Kiedy etylen przechodzi przez warstwę sit molekularnych, cząsteczki dwutlenku węgla są absorbowane. A czysty etylen jest wysyłany do zakładu polimeryzacji. Gdy dwutlenek węgla wypełni wszystkie pory sit molekularnych w jednej kolumnie, zostaje ona wyłączona, a druga zostaje uruchomiona. Uwalnianie sit molekularnych z dwutlenku węgla jest wytwarzane przez ogrzany metan. Tak więc przy niewielkich inwestycjach i wysokim stopniu automatyzacji procesu etylen jest szybko oczyszczany z dwutlenku węgla. Sita molekularne mogą być również stosowane do oczyszczania argonu z pozostałości tlenu, azotu z dwutlenku węgla, wodoru z wilgoci.

Sita molekularne mocno wychwytują cząsteczki w porach i oddają je dopiero po podgrzaniu. Umożliwia to zastosowanie sit. Jako rodzaj magazynu „pojemniki” na lotne palne, toksyczne gazy i pary. Łatwa i bezpieczna praca z gazami i oparami „zamurowanymi” na sicie molekularnym. Są one stamtąd wydobywane przez proste ogrzewanie zeolitu w miejscu i czasie, w którym jest on potrzebny. Można też „naładować” sito molekularne akceleratorem procesu chemicznego, np. wulkanizacji gum, utwardzania niektórych rodzajów żywic.