Un tamis moléculaire est un matériau présentant des pores (très petits orifices) de taille uniforme. Le diamètre de ces pores est comparable à celui des petites molécules ; ainsi, les grosses molécules ne peuvent ni y pénétrer ni s’y adsorber, contrairement aux plus petites. Lorsqu’un mélange de molécules migre à travers le lit stationnaire de substance poreuse semi-solide, appelé tamis (ou matrice), les molécules de masse moléculaire la plus élevée (incapables de traverser les pores) quittent le lit en premier, suivies par les molécules de masse moléculaire décroissante. Certains tamis moléculaires sont utilisés en chromatographie d’exclusion stérique, une technique de séparation qui trie les molécules en fonction de leur taille. D’autres tamis moléculaires servent de dessiccants (par exemple, le charbon actif et le gel de silice).
Le diamètre des pores d'un tamis moléculaire se mesure en ångströms (Å) ou en nanomètres (nm). Selon la notation IUPAC, les matériaux microporeux ont des pores de diamètre inférieur à 2 nm (20 Å) et les matériaux macroporeux, des pores de diamètre supérieur à 50 nm (500 Å) ; la catégorie mésoporeuse se situe donc entre les deux, avec des pores de diamètre compris entre 2 et 50 nm (20–500 Å).
Matériels
Les tamis moléculaires peuvent être des matériaux microporeux, mésoporeux ou macroporeux.
Matériau microporeux (
●Zéolites (minéraux aluminosilicates, à ne pas confondre avec le silicate d'aluminium)
●Zéolite LTA : 3–4 Å
●Verre poreux : 10 Å (1 nm) et plus
● Charbon actif : 0–20 Å (0–2 nm) et plus
●Argiles
● Mélanges de montmorillonite
●Halloysite (endellite) : On la trouve sous deux formes courantes ; à l’état hydraté, l’argile présente un espacement de 1 nm entre les couches, et à l’état déshydraté (méta-halloysite), cet espacement est de 0,7 nm. L’halloysite se présente naturellement sous forme de petits cylindres d’un diamètre moyen de 30 nm et d’une longueur comprise entre 0,5 et 10 micromètres.
Matériau mésoporeux (2–50 nm)
Dioxyde de silicium (utilisé pour fabriquer du gel de silice) : 24 Å (2,4 nm)
Matériau macroporeux (>50 nm)
Silice macroporeuse, 200–1000 Å (20–100 nm)
Applications[modifier]
Les tamis moléculaires sont fréquemment utilisés dans l'industrie pétrolière, notamment pour le séchage des flux gazeux. Par exemple, dans l'industrie du gaz naturel liquéfié (GNL), la teneur en eau du gaz doit être réduite à moins de 1 ppmv afin d'éviter les obstructions causées par la glace ou les clathrates de méthane.
En laboratoire, on utilise des tamis moléculaires pour sécher les solvants. Ces tamis se sont révélés supérieurs aux techniques de séchage traditionnelles, qui font souvent appel à des dessiccants agressifs.
Sous le terme de zéolites, les tamis moléculaires sont utilisés dans une vaste gamme d'applications catalytiques. Ils catalysent l'isomérisation, l'alkylation et l'époxydation, et sont utilisés dans des procédés industriels à grande échelle, notamment l'hydrocraquage et le craquage catalytique en lit fluidisé.
Elles servent également à la filtration de l'air comprimé destiné aux appareils respiratoires, comme ceux utilisés par les plongeurs et les pompiers. Dans ce cas, l'air est fourni par un compresseur et passe à travers un filtre à cartouche qui, selon l'application, est rempli de tamis moléculaire et/ou de charbon actif. L'air ainsi filtré est ensuite utilisé pour remplir les bouteilles d'air respirable. Cette filtration permet d'éliminer les particules et les gaz d'échappement du compresseur présents dans l'air respirable.
Approbation de la FDA.
La FDA américaine a approuvé, le 1er avril 2012, l'aluminosilicate de sodium pour le contact direct avec les articles consommables en vertu de la norme 21 CFR 182.2727. Avant cette approbation, l'Union européenne utilisait des tamis moléculaires avec les produits pharmaceutiques et des tests indépendants suggéraient que les tamis moléculaires répondaient à toutes les exigences gouvernementales, mais l'industrie n'était pas disposée à financer les tests coûteux requis pour l'approbation gouvernementale.
Régénération
Les méthodes de régénération des tamis moléculaires comprennent la variation de pression (comme dans les concentrateurs d'oxygène), le chauffage et la purge avec un gaz vecteur (comme lors de la déshydratation de l'éthanol), ou le chauffage sous vide poussé. Les températures de régénération varient de 175 °C (350 °F) à 315 °C (600 °F) selon le type de tamis moléculaire. En revanche, le gel de silice peut être régénéré par chauffage dans un four classique à 120 °C (250 °F) pendant deux heures. Cependant, certains types de gel de silice « éclatent » au contact de l'eau. Ce phénomène est dû à la rupture des sphères de silice.
| Modèle | Diamètre des pores (Ångström) | Masse volumique apparente (g/ml) | Eau adsorbée (% m/m) | Attrition ou abrasion, W(% m/m) | Usage |
| 3Å | 3 | 0,60–0,68 | 19–20 | 0,3–0,6 | Dessiccationdecraquage du pétrolegaz et alcènes, adsorption sélective de H2O dansvitrage isolant (VI)et polyuréthane, séchage decarburant à base d'éthanolpour le mélange avec l'essence. |
| 4Å | 4 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,6 | Adsorption de l'eau dansaluminosilicate de sodiumqui est approuvé par la FDA (voirci-dessous) utilisé comme tamis moléculaire dans les contenants médicaux pour maintenir le contenu au sec et commeadditif alimentaireayantNuméro EE-554 (agent anti-agglomérant) ; privilégié pour la déshydratation statique dans les systèmes liquides ou gazeux clos, par exemple pour le conditionnement de médicaments, de composants électriques et de produits chimiques périssables ; pour la capture de l’eau dans les systèmes d’impression et de plasturgie et pour le séchage des flux d’hydrocarbures saturés. Les espèces adsorbées comprennent le SO₂, le CO₂, le H₂S, le C₂H₄, le C₂H₆ et le C₃H₆. Généralement considéré comme un agent desséchant universel dans les milieux polaires et non polaires.[12]séparation degaz natureletalcènes, adsorption d'eau dans les matériaux non sensibles à l'azotepolyuréthane |
| 5Å-DW | 5 | 0,45–0,50 | 21–22 | 0,3–0,6 | Dégraissage et abaissement du point d'écoulement deaviation kérosèneetdieselet séparation des alcènes |
| 5Å petit enrichi en oxygène | 5 | 0,4–0,8 | ≥23 | Spécialement conçu pour les générateurs d'oxygène médicaux ou de santé[citation nécessaire] | |
| 5Å | 5 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,5 | Dessiccation et purification de l'air ;déshydratationetdésulfurationde gaz naturel etgaz de pétrole liquéfié;oxygèneethydrogèneproduction paradsorption modulée en pressionprocessus |
| 10X | 8 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,6 | Sorption à haute efficacité, utilisée dans la dessiccation, la décarburation, la désulfuration des gaz et des liquides et la séparation dehydrocarbure aromatique |
| 13X | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Dessiccation, désulfuration et purification du gaz de pétrole et du gaz naturel |
| 13X-AS | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Décarburationet la dessiccation dans l'industrie de la séparation de l'air, la séparation de l'azote et de l'oxygène dans les concentrateurs d'oxygène |
| Cu-13X | 10 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,5 | Édulcorant(suppression dethiols) decarburant aviationet correspondanthydrocarbures liquides |
capacités d'adsorption
3Å
Formule chimique approximative : ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O
Rapport silice/alumine : SiO2/Al2O3 ≈ 2
Production
Les tamis moléculaires 3A sont produits par échange de cations depotassiumpoursodiumdans les tamis moléculaires 4A (voir ci-dessous)
Usage
Les tamis moléculaires 3Å n'adsorbent pas les molécules dont le diamètre est supérieur à 3 Å. Leurs caractéristiques comprennent une vitesse d'adsorption rapide, une capacité de régénération fréquente et une bonne résistance à l'écrasement.résistance à la pollutionCes caractéristiques permettent d'améliorer à la fois l'efficacité et la durée de vie du tamis. Les tamis moléculaires 3Å sont des dessiccants indispensables dans les industries pétrolières et chimiques pour le raffinage du pétrole, la polymérisation et le séchage en profondeur des mélanges gaz-liquide.
Les tamis moléculaires 3Å sont utilisés pour sécher une gamme de matériaux, tels queéthanol, air,réfrigérants,gaz naturelethydrocarbures insaturésCes derniers comprennent le craquage du gaz,acétylène,éthylène,propylèneetbutadiène.
Un tamis moléculaire 3Å est utilisé pour éliminer l'eau de l'éthanol, qui peut ensuite être utilisé directement comme biocarburant ou indirectement pour produire divers produits tels que des produits chimiques, alimentaires, pharmaceutiques, etc. La distillation classique ne permettant pas d'éliminer toute l'eau (un sous-produit indésirable de la production d'éthanol) des flux de procédé de l'éthanol en raison de la formation d'une couche d'eau, un procédé spécifique est utilisé.azéotropeÀ une concentration d'environ 95,6 % en poids, les billes de tamis moléculaire permettent de séparer l'éthanol et l'eau au niveau moléculaire. L'eau est adsorbée sur les billes, tandis que l'éthanol passe librement. Une fois les billes saturées d'eau, on peut moduler la température ou la pression pour libérer l'eau.[15]
Les tamis moléculaires 3Å sont conservés à température ambiante, avec une humidité relative ne dépassant pas 90 %. Ils sont scellés sous pression réduite et tenus à l'écart de l'eau, des acides et des bases.
4Å
Formule chimique : Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O
Rapport silicium-aluminium : 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)
Production
La production de tamis de 4 Å est relativement simple car elle ne nécessite ni hautes pressions ni températures particulièrement élevées. Généralement, on utilise des solutions aqueuses desilicate de sodiumetaluminate de sodiumsont combinés à 80 °C. Le produit imprégné de solvant est « activé » par « cuisson » à 400 °C. Les tamis 4A servent de précurseurs aux tamis 3A et 5A.échange de cationsdesodiumpourpotassium(pour 3A) oucalcium(pour 5A)
Usage
Solvants de séchage
Les tamis moléculaires 4Å sont largement utilisés pour le séchage des solvants de laboratoire. Ils absorbent l'eau et d'autres molécules de diamètre critique inférieur à 4 Å, telles que NH₃, H₂S, SO₂, CO₂, C₂H₅OH, C₂H₆ et C₂H₄. Ils sont couramment utilisés pour le séchage, le raffinage et la purification des liquides et des gaz (notamment pour la préparation de l'argon).
Additifs pour agents polyester[modifier]
Ces tamis moléculaires sont utilisés comme auxiliaires des détergents car ils peuvent produire de l'eau déminéralisée par leur action.calciumLes systèmes d'échange d'ions éliminent et préviennent le dépôt de saletés. Ils sont largement utilisés pour remplacerphosphoreLe tamis moléculaire 4Å joue un rôle majeur en remplaçant le tripolyphosphate de sodium comme auxiliaire de détergent afin d'atténuer l'impact environnemental de ce dernier. Il peut également être utilisé comme…savonagent de formation et dansdentifrice.
Traitement des déchets nocifs
Les tamis moléculaires 4Å peuvent purifier les eaux usées des espèces cationiques telles queammoniumions, Pb2+, Cu2+, Zn2+ et Cd2+. Grâce à leur haute sélectivité pour NH4+, ils ont été appliqués avec succès sur le terrain pour lutter contreeutrophisationet d'autres effets sur les cours d'eau dus à une concentration excessive d'ions ammonium. Des tamis moléculaires 4Å ont également été utilisés pour éliminer les ions de métaux lourds présents dans l'eau en raison d'activités industrielles.
Autres fins
Leindustrie métallurgique: agent de séparation, séparation, extraction de potassium en saumure,rubidium,césium, etc.
Industrie pétrochimique,catalyseur,dessiccant, adsorbant
Agriculture:amendement du sol
Médicament : charger en argentzéoliteagent antibactérien.
5Å
Formule chimique : 0,7CaO•0,30Na2O•Al2O3•2,0SiO2•4,5H2O
Rapport silice/alumine : SiO2/Al2O3 ≈ 2
Production
Les tamis moléculaires 5A sont produits par échange de cations decalciumpoursodiumdans les tamis moléculaires 4A (voir ci-dessus)
Usage
Cinq-ångströmLes tamis moléculaires (5Å) sont souvent utilisés dans lepétroledans l'industrie, notamment pour la purification des flux gazeux et dans les laboratoires de chimie pour la séparationcomposéset les matières premières des réactions de séchage. Elles contiennent de minuscules pores de taille précise et uniforme, et sont principalement utilisées comme adsorbants pour les gaz et les liquides.
Des tamis moléculaires de cinq ångström sont utilisés pour séchergaz naturel, ainsi que des performancesdésulfurationetdécarbonatationdu gaz. Elles peuvent également être utilisées pour séparer les mélanges d'oxygène, d'azote et d'hydrogène, ainsi que les n-hydrocarbures huile-cire des hydrocarbures ramifiés et polycycliques.
Les tamis moléculaires de cinq ångström sont conservés à température ambiante, avec unhumidité relativeMoins de 90 % dans les fûts ou emballages en carton. Les tamis moléculaires ne doivent pas être exposés directement à l'air et à l'eau ; les acides et les bases sont à éviter.
Morphologie des tamis moléculaires
Les tamis moléculaires sont disponibles en diverses formes et tailles. Cependant, les billes sphériques présentent des avantages par rapport aux autres formes : elles offrent une perte de charge plus faible, une meilleure résistance à l’abrasion grâce à l’absence d’arêtes vives et une résistance mécanique élevée (la force d’écrasement requise par unité de surface est plus importante). Certains tamis moléculaires à billes présentent une capacité thermique plus faible, ce qui réduit les besoins énergétiques lors de la régénération.
L'un des avantages des tamis moléculaires à billes réside dans leur densité apparente généralement supérieure à celle des tamis d'autres formes. Ainsi, pour une même capacité d'adsorption, le volume de tamis moléculaire nécessaire est moindre. Par conséquent, lors de l'optimisation des procédés, l'utilisation de tamis moléculaires à billes permet de charger davantage d'adsorbant dans un même volume et d'éviter toute modification du récipient.
Date de publication : 18 juillet 2023
