Un tamis moléculaire est un matériau comportant des pores (très petits trous) de taille uniforme

Un tamis moléculaire est un matériau comportant des pores (très petits trous) de taille uniforme. Ces diamètres de pores sont similaires en taille à ceux des petites molécules, et donc les grosses molécules ne peuvent pas entrer ou être adsorbées, contrairement aux molécules plus petites. Lorsqu'un mélange de molécules migre à travers le lit stationnaire de substance poreuse et semi-solide appelé tamis (ou matrice), les composants de poids moléculaire le plus élevé (qui sont incapables de passer dans les pores moléculaires) quittent le lit en premier, suivi de molécules successivement plus petites. 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 sont utilisés comme dessicants (quelques exemples incluent le charbon actif et le gel de silice).
Le diamètre des pores d'un tamis moléculaire est mesuré en ångströms (Å) ou en nanomètres (nm). Selon la notation IUPAC, les matériaux microporeux ont des diamètres de pores inférieurs à 2 nm (20 Å) et les matériaux macroporeux ont des diamètres de pores supérieurs à 50 nm (500 Å) ; la catégorie mésoporeuse se situe donc au milieu avec des diamètres de pores compris entre 2 et 50 nm (20 à 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 à 20 Å (0 à 2 nm) et plus
●Argiles
●Mélanges de montmorillonite
●Halloysite (endellite) : deux formes courantes sont trouvées, lorsqu'elle est hydratée, l'argile présente un espacement des couches de 1 nm et lorsqu'elle est déshydratée (méta-halloysite), l'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 à 50 nm)
Dioxyde de silicium (utilisé pour fabriquer du gel de silice) : 24 Å (2,4 nm)
Matériau macroporeux (>50 nm)
Silice macroporeuse, 200 à 1 000 Å (20 à 100 nm)
Applications
Les tamis moléculaires sont souvent utilisés dans l’industrie pétrolière, notamment pour sécher les 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 pour éviter les blocages causés par la glace ou le clathrate de méthane.
En laboratoire, des tamis moléculaires sont utilisés pour sécher le solvant. Les « tamis » se sont révélés supérieurs aux techniques de séchage traditionnelles, qui utilisent souvent des dessicants agressifs.
Sous le terme zéolites, les tamis moléculaires sont utilisés pour une large 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 fluide.
Ils sont également utilisés dans la filtration de l'air des appareils respiratoires, par exemple ceux utilisés par les plongeurs et les pompiers. Dans de telles applications, l'air est fourni par un compresseur d'air et passe à travers un filtre à cartouche qui, selon l'application, est rempli de tamis moléculaire et/ou de charbon actif, étant finalement utilisé pour charger les réservoirs d'air respirable. Une telle filtration peut éliminer les particules. et les produits d'échappement du compresseur provenant de l'alimentation en air respirable.
Approbation de la FDA.
Depuis le 1er avril 2012, la FDA américaine a approuvé l'aluminosilicate de sodium pour le contact direct avec des articles consommables sous 21 CFR 182.2727. Avant cette approbation, l'Union européenne avait utilisé des tamis moléculaires avec des 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 du gouvernement.
Régénération
Les méthodes de régénération des tamis moléculaires comprennent le changement 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 en le chauffant dans un four ordinaire à 120 °C (250 °F) pendant deux heures. Cependant, certains types de gel de silice « éclateront » lorsqu’ils sont exposés à suffisamment d’eau. Ceci est dû à la rupture des sphères de silice au contact de l’eau.

Modèle	Diamètre des pores (Angström)	Densité apparente (g/ml)	Eau adsorbée (% p/p)	Attrition ou abrasion, W(% p/p)	Usage
3Å	3	0,60-0,68	19-20	0,3 à 0,6	Dessiccationdecraquage du pétrolegaz et alcènes, adsorption sélective de H2O dansverre isolant (IG)et polyuréthane, séchage decarburant à l'éthanolà mélanger avec de l'essence.
4Å	4	0,60-0,65	20-21	0,3 à 0,6	Adsorption de l'eau dansaluminosilicate de sodiumqui est approuvé par la FDA (voirci-dessous) utilisé comme tamis moléculaire dans les récipients médicaux pour garder le contenu sec et commeadditif alimentaireayantNuméro EE-554 (agent antiagglomérant); Préféré pour la déshydratation statique dans des systèmes liquides ou gazeux fermés, par exemple dans l'emballage de médicaments, de composants électriques et de produits chimiques périssables ; l'élimination de l'eau dans les systèmes d'impression et de plasturgie et 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 de séchage universel dans les milieux polaires et non polaires ;[12]séparation degaz natureletalcènes, adsorption de l'eau dans des milieux non sensibles à l'azotepolyuréthane
5Å-DW	5	0,45 à 0,50	21-22	0,3 à 0,6	Dégraissage et abaissement du point d'écoulement desaviation kérosèneetdiesel, et séparation des alcènes
5Å petit enrichi en oxygène	5	0,4 à 0,8	≥23		Spécialement conçu pour les générateurs d'oxygène médicaux ou sains.citation nécessaire]
5Å	5	0,60-0,65	20-21	0,3 à 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 à 0,6	Ssorption à haut rendement, utilisée dans la dessiccation, la décarburation, la désulfuration des gaz et des liquides et la séparation deshydrocarbure aromatique
13X	10	0,55-0,65	23-24	0,3 à 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 à 0,5	Décarburationet dessiccation dans l'industrie de la séparation de l'air, séparation de l'azote de l'oxygène dans les concentrateurs d'oxygène
Cu-13X	10	0,50-0,60	23-24	0,3 à 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 des tamis moléculaires 4A (Voir ci-dessous)

Usage

Les tamis moléculaires 3Å n'adsorbent pas les molécules dont le diamètre est supérieur à 3 Å. Les caractéristiques de ces tamis moléculaires comprennent une vitesse d'adsorption rapide, une capacité de régénération fréquente, une bonne résistance à l'écrasement etrésistance à la pollution. Ces fonctionnalités peuvent améliorer à la fois l’efficacité et la durée de vie du tamis. Les tamis moléculaires 3Å sont le dessicant nécessaire dans les industries pétrolières et chimiques pour le raffinage du pétrole, la polymérisation et le séchage chimique en profondeur gaz-liquide.

Les tamis moléculaires 3Å sont utilisés pour sécher une gamme de matériaux, tels queéthanol, air,réfrigérants,gaz naturelethydrocarbures insaturés. Ces derniers comprennent les gaz de craquage,acétylène,éthylène,propylèneetbutadiène.

Le tamis moléculaire 3Å est utilisé pour éliminer l'eau de l'éthanol, qui peut ensuite être utilisée directement comme biocarburant ou indirectement pour produire divers produits tels que des produits chimiques, des aliments, des produits pharmaceutiques, etc. Étant donné que la distillation normale ne peut pas éliminer toute l'eau (un sous-produit indésirable de la production d'éthanol) des flux de traitement de l'éthanol en raison de la formation d'unazéotropeà une concentration d'environ 95,6 pour cent en poids, des billes de tamis moléculaire sont utilisées pour séparer l'éthanol et l'eau au niveau moléculaire en adsorbant l'eau dans les billes et en permettant à l'éthanol de passer librement. Une fois que les billes sont remplies d’eau, la température ou la pression peuvent être manipulées, permettant à l’eau d’être libérée des billes du tamis moléculaire.[15]

Les tamis moléculaires 3Å sont stockés à température ambiante, avec une humidité relative ne dépassant pas 90 %. Ils sont scellés sous pression réduite, à l’écart de l’eau, des acides et des alcalis.

4Å

Formule chimique : Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

Rapport silicium-aluminium : 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)

Production

La production d'un tamis 4Å est relativement simple car elle ne nécessite ni pressions ni températures particulièrement élevées. Des solutions généralement 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 précurseur aux tamis 3A et 5A à traverséchange de cationsdesodiumpourpotassium(pour 3A) oucalcium(pour 5A)

Usage

Solvants de séchage

Les tamis moléculaires 4Å sont largement utilisés pour sécher les solvants de laboratoire. Ils peuvent absorber l'eau et d'autres molécules d'un diamètre critique inférieur à 4 Å telles que NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 et C2H4. Ils sont largement utilisés dans le séchage, le raffinage et la purification des liquides et des gaz (comme la préparation de l'argon).

 

Additifs pour agents polyester[modifier]

Ces tamis moléculaires sont utilisés pour assister les détergents car ils peuvent produire de l'eau déminéralisée à traverscalciuméchange d'ions, élimine et empêche le dépôt de saletés. Ils sont largement utilisés pour remplacerphosphore. Le tamis moléculaire 4Å joue un rôle majeur pour remplacer le tripolyphosphate de sodium comme auxiliaire de détergent afin d'atténuer l'impact environnemental du détergent. Il peut également être utilisé commesavonagent de formage 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+. En raison de leur haute sélectivité pour le NH4+, ils ont été appliqués avec succès sur le terrain pour combattreeutrophisationet d'autres effets dans les cours d'eau dus à un excès d'ions ammonium. Des tamis moléculaires 4Å ont également été utilisés pour éliminer les ions de métaux lourds présents dans l'eau en raison des activités industrielles.

Autres fins

Leindustrie métallurgique: agent de séparation, séparation, extraction du potassium des saumures,rubidium,césium, etc.

Industrie pétrochimique,catalyseur,déshydratant, adsorbant

Agriculture:amendement du sol

Médecine : charger de l'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 des tamis moléculaires 4A (Voir ci-dessus)

Usage

Cinq-angström(5Å) des tamis moléculaires sont souvent utilisés dans lepétrolel'industrie, notamment pour l'épuration des flux gazeux et dans les laboratoires de chimie pour la séparationcomposéset le séchage des matières premières de réaction. Ils contiennent de minuscules pores de taille précise et uniforme et sont principalement utilisés comme adsorbants pour les gaz et les liquides.

Des tamis moléculaires à cinq angström sont utilisés pour séchergaz naturel, en plus d'effectuerdésulfurationetdécarbonatationdu gaz. Ils peuvent également être utilisés pour séparer des mélanges d’oxygène, d’azote et d’hydrogène, ainsi que des n-hydrocarbures huile-cire des hydrocarbures ramifiés et polycycliques.

Les tamis moléculaires à cinq angström sont stockés à température ambiante, avec unhumidité relativemoins de 90 % dans des fûts en carton ou des emballages en carton. Les tamis moléculaires ne doivent pas être directement exposés à l'air et à l'eau, les acides et les alcalis doivent être évités.

Morphologie des tamis moléculaires

Les tamis moléculaires sont disponibles dans diverses formes et tailles. Mais les billes sphériques présentent un avantage par rapport aux autres formes car elles offrent une perte de charge plus faible, sont résistantes à l'attrition car elles n'ont pas d'arêtes vives et ont une bonne résistance, c'est-à-dire que la force d'écrasement requise par unité de surface est plus élevée. Certains tamis moléculaires à billes offrent une capacité thermique plus faible, ce qui réduit les besoins énergétiques lors de la régénération.

L'autre avantage de l'utilisation de tamis moléculaires en perles est que la densité apparente est généralement plus élevée que celle des autres formes, donc pour les mêmes exigences d'adsorption, le volume de tamis moléculaire requis est moindre. Ainsi, lors du dégoulottage, on peut utiliser des tamis moléculaires à billes, charger plus d'adsorbant dans le même volume et éviter toute modification du récipient.