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

Un tamis moléculaire est un matériau doté de pores (très petits trous) de taille uniforme. Leur diamètre est similaire à celui des petites molécules ; les grosses molécules ne peuvent donc pas pénétrer ni être adsorbées, 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 composants de masse moléculaire la plus élevée (incapables de passer dans les pores moléculaires) quittent le lit en premier, suivis par les molécules de plus petite taille. 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 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 un diamètre de pores inférieur à 2 nm (20 Å) et les matériaux macroporeux, un diamètre de pores supérieur à 50 nm (500 Å) ; la catégorie mésoporeuse se situe donc au milieu, avec des diamètres de pores compris entre 2 et 50 nm (20–500 Å).
Matériels
Les tamis moléculaires peuvent être constitués de 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 trouve deux formes courantes : 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 (2–50 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 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 les solvants. Ces « tamis » se sont avérés supérieurs aux techniques de séchage traditionnelles, qui utilisent souvent des dessiccants agressifs.
Sous le terme zéolithes, les tamis moléculaires sont utilisés pour un large éventail 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 pour la filtration de l'air des appareils respiratoires, notamment ceux des plongeurs et des pompiers. Dans ces applications, 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, avant d'être utilisé pour charger les bouteilles d'air respirable. Cette filtration permet d'éliminer les particules et les gaz d'échappement du compresseur de 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 des articles consommables en vertu du 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 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 pour 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 classique à 120 °C (250 °F) pendant deux heures. Cependant, certains types de gel de silice éclatent lorsqu'ils sont exposés à une quantité suffisante d'eau. Ce phénomène est dû à la rupture des billes de silice au contact de l'eau.

Modèle	Diamètre des pores (Angström)	Masse volumique apparente (g/ml)	Eau adsorbée (% p/p)	Attrition ou abrasion, W(% p/p)	Usage
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Dessiccationdecraquage du pétrolegaz et alcènes, adsorption sélective de H2O dansverre isolant (IG)et polyuréthane, séchage decarburant à l'éthanolpour le mélange avec l'essence.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Adsorption d'eau dansaluminosilicate de sodiumqui est approuvé par la FDA (voirci-dessous) utilisé comme tamis moléculaire dans les conteneurs médicaux pour garder le contenu au sec et commeadditif alimentaireayantNuméro EE-554 (agent antiagglomérant) ; privilégié pour la déshydratation statique dans les systèmes fermés de liquides ou de gaz, par exemple pour le conditionnement de médicaments, de composants électriques et de produits chimiques périssables ; pour la déshydratation dans les systèmes d'impression et de plasturgie, et pour le séchage des flux d'hydrocarbures saturés. Les espèces adsorbées comprennent SO₂, CO₂, H₂S, C₂H₄, C₂H₄ et C₃H₄. Généralement considéré comme un agent de séchage universel en milieux polaires et apolaires.[12]séparation degaz natureletalcènes, adsorption d'eau dans des milieux 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 desaviation kérosèneetdiesel, et la séparation des alcènes
5 Å petit enrichi en oxygène	5	0,4–0,8	≥23		Spécialement conçu pour les générateurs d'oxygène médicaux ou sains[citation nécessaire]
5 Å	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 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	0,3–0,5	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 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 d'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 cationspotassiumpoursodiumdans les tamis moléculaires 4A (voir ci-dessous)

Usage

Les tamis moléculaires 3 Å n'adsorbent pas les molécules dont le diamètre est supérieur à 3 Å. Ces tamis moléculaires se caractérisent par une vitesse d'adsorption rapide, une capacité de régénération fréquente, une bonne résistance à l'écrasement etrésistance à la pollutionCes caractéristiques peuvent améliorer à la fois l'efficacité et la durée de vie du tamis. Les tamis moléculaires 3Å sont le dessiccant nécessaire dans les industries pétrolières et chimiques pour le raffinage du pétrole, la polymérisation et le séchage en profondeur des gaz-liquides chimiques.

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

Le 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 peut éliminer toute l'eau (un sous-produit indésirable de la production d'éthanol) des flux de production d'éthanol en raison de la formation d'unazéotropeÀ une concentration d'environ 95,6 % en poids, les billes de tamis moléculaires permettent de séparer l'éthanol et l'eau au niveau moléculaire en absorbant l'eau et en laissant l'éthanol passer librement. Une fois les billes remplies d'eau, la température ou la pression peut être modifiée pour libérer l'eau des billes.[15]

Les tamis moléculaires 3Å sont conservés à température ambiante, avec une humidité relative ne dépassant pas 90 %. Ils sont scellés sous pression réduite, à l'abri 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 d'un tamis de 4 Å est relativement simple, car elle ne nécessite ni pressions élevées ni températures particulièrement élevées. Les 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 précurseur aux tamis 3A et 5A.échange de cationsdesodiumpourpotassium(pour 3A) oucalcium(pour 5A)

Usage

Solvants de séchage

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

 

Additifs d'agents polyester[modifier]

Ces tamis moléculaires sont utilisés pour aider les détergents car ils peuvent produire de l'eau déminéralisée grâce àcalciuméchange d'ions, éliminent et préviennent le dépôt de saleté. Ils sont largement utilisés pour remplacerphosphoreLe tamis moléculaire 4 Å joue un rôle majeur en remplaçant le tripolyphosphate de sodium comme auxiliaire détergent afin de réduire l'impact environnemental du détergent. Il peut également être utilisé commesavonagent 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 forte sélectivité pour NH4+, ils ont été utilisés avec succès sur le terrain pour lutter contreeutrophisationet d'autres effets sur les cours d'eau en raison d'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 d'activités industrielles.

Autres fins

Leindustrie métallurgique: agent de séparation, séparation, extraction de potassium de saumure,rubidium,césium, etc.

Industrie pétrochimique,catalyseur,déshydratant, adsorbant

Agriculture:conditionneur de sol

Médecine : charge d'argentzéoliteagent antibactérien.

5 Å

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 cationscalciumpoursodiumdans les tamis moléculaires 4A (voir ci-dessus)

Usage

Cinq-AngströmLes tamis moléculaires (5Å) sont souvent utilisés dans lepétrolel'industrie, notamment pour la purification des flux gazeux et dans le laboratoire de chimie pour la séparationcomposéset les matières premières de réaction de séchage. 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 de cinq ångström sont utilisés pour séchergaz naturel, en plus de jouerdésulfurationetdécarbonatationdu gaz. Ils peuvent également être utilisés pour séparer les mélanges d'oxygène, d'azote et d'hydrogène, ainsi que les n-hydrocarbures huileux et cireux des hydrocarbures ramifiés et polycycliques.

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

Morphologie des tamis moléculaires

Les tamis moléculaires sont disponibles en différentes formes et tailles. Cependant, les billes sphériques présentent l'avantage de présenter une perte de charge plus faible, une résistance à l'attrition grâce à leur absence d'arêtes vives et une bonne résistance mécanique (force d'écrasement par unité de surface plus élevée). Certains tamis moléculaires à billes présentent une capacité thermique plus faible, réduisant ainsi les besoins énergétiques lors de la régénération.

L'autre avantage des tamis moléculaires à billes réside dans leur masse volumique apparente généralement supérieure à celle des autres formes. Ainsi, pour une même adsorption, le volume requis est moindre. Ainsi, lors du dégoulottage, les tamis moléculaires à billes permettent de charger davantage d'adsorbant dans le même volume et d'éviter toute modification du récipient.