Erforschen, was ein Molekularsieb ist: Eingehende Analyse

Einführung in Molekularsiebe

Molekularsiebe sind zunehmend zu einem festen Bestandteil der modernen industriellen Reinigungs- und Trennverfahren geworden. So wird der Weltmarkt für Molekularsiebe, der im Jahr 2020 auf 5,1 Mrd. US$ geschätzt wurde, bis 2026 auf über 6,8 Mrd. US$ anwachsen (MarketsandMarkets, 2021), was die Bedeutung dieser Materialien für das Wachstum verschiedener Sektoren unterstreicht. Doch was ist ein Molekularsieb? Ein Molekularsieb ist ein Material, das sehr schwammig ist und daher, da es Poren besitzt, in der Lage ist, Partikel zu adsorbieren, wobei die Art der Partikel durch ihre Größe und Polarität eingeschränkt wird. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaft ist es möglich, verschiedene Gase und Flüssigkeiten zu trennen. Daher sind Molekularsiebe aufgrund ihrer Fähigkeit, verschiedene Gase und Flüssigkeiten zu trennen, in einer Vielzahl von Industriezweigen unverzichtbar, u. a. bei der Erdgasreinigung und der Herstellung hochreiner Chemikalien.

Chemische Zusammensetzung und Struktur

Zeolithe und ihre Rolle bei Molekularsieben

Die meisten Molekularsiebe bestehen aus synthetischen Zeolithen, kubisch kristallinen Materialien mit einem Gerüst aus verschlungenen Hohlkanälen. Diese Zeolithe, die durch ihre Kristallstruktur definiert sind, stellen aufgrund ihrer besonderen und fortschrittlichen Adsorptionseigenschaften die meisten Molekularsieb-Trockenmittel dar. Die Bestimmung der relativen Positionen von Aluminium, Silizium und Sauerstoff in der kristallinen Struktur von Zeolithen, wie sie in der chemischen Formel beschrieben ist, führt zur Bildung von gleich großen Poren, die für die Filtration kleiner Partikel auf der Grundlage der Molekülgröße geeignet sind.

Von allen verfügbaren synthetischen Zeolithen haben die Varianten unterschiedliche Porengrößen, die sich auf die Porengröße des Molekularsiebs beziehen, und selektive Adsorptionseigenschaften. Die Typen A, X und Y gehören zu den beliebtesten Zeolithen, die in Molekularsieben verwendet werden. Durch eine spezielle Modifikation der Zeolithe bei der Synthese können diese Zeolithe den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht werden. So kann beispielsweise die Porengeometrie des Zeolith-Typs A in Abhängigkeit vom Si:Al-Ausgangsverhältnis modifiziert werden, so dass das Unternehmen die Zeolith-Molekularsiebe 3A, 4A und 5A herstellt.

Porengrößen und ihre Bedeutung

Die Porenstruktur eines Molekularsiebs ist das bei weitem selektivste Unterscheidungsmerkmal zwischen verschiedenen Sieben. Porengrößen sind in Angström (Å) berechnete Werte im Bereich von 3 Å bis manchmal 10Å und mehr. Im Handel erhältliche Molekularsiebe werden in der Regel nach einzelnen Porengrößenklassen hergestellt, darunter: 3A (3 Å), 4A (4 Å), 5A (5Å) und 13X (10Å).

Die Porengröße von Molekularsieben reicht von etwa 3 bis 10 Angström (das ist lächerlich winzig - wir sprechen hier von einem Milliardstel eines Meters). Verschiedene Poren sind für die Wechselwirkung mit bestimmten Molekülen ausgelegt. Verschiedene Arten von Molekularsieben haben unterschiedliche Porendurchmesser, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen, wie z. B. 3A, 4A, 5A und 13X, die sehr beliebt sind. Das Molekularsieb 3A beispielsweise hat Porengrößen, die Wassermoleküle absorbieren können, aber größere Moleküle durchlassen. Diese Selektivität ist bei Anwendungen wie der Gastrocknung oder der Fraktionierung von Kohlenwasserstoffen von großem Nutzen. Die Frage, wie Molekularsiebe in verschiedenen Prozessen in der Industrie funktionieren, könnte durch diese Porengrößen beantwortet werden.

Wie Molekularsiebe funktionieren

Der Mechanismus der Adsorption

Das Schöne an Molekularsieben ist, dass sie in der Lage sind, kleinere Moleküle durch einen als Physisorption bekannten Mechanismus zu adsorbieren. Bei der Chemisorption bilden sich chemische Bindungen zwischen den Molekülen und dem Adsorptionsmittel, während bei der Physisorption schwache Van-der-Waals-Kräfte die Moleküle anziehen und in den Poren des Molekularsiebs halten. Wenn ein Gas- oder Flüssigkeitsstrom durch ein Molekularsieb-Trockenmittel geleitet wird, können Moleküle, die kleiner als die Porengröße sind, in die Poren eindringen und dort festgehalten werden. Größere Moleküle, die nicht in die Poren eindringen können, wandern einfach an der Oberfläche vorbei. Durch diesen selektiven Adsorptionsprozess können Molekularsiebe selektiv Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder bestimmte Gase aus dem Gemisch entfernen und einen gereinigten Strom erzeugen.

Faktoren, die die Adsorptionseffizienz beeinflussen

Die Adsorptionsleistung eines Molekularsiebs wird von vielen Faktoren beeinflusst. Einer der wichtigsten Faktoren ist die Temperatur; ein Anstieg der Temperatur verringert in der Regel die Adsorption, während ein Rückgang der Temperatur die Adsorption erhöht. Auch der Druck ist ein wichtiger Faktor, wobei höhere Drücke im Allgemeinen die Adsorptionsrate erhöhen. Die Adsorption wird auch durch die Konzentration der Zielmoleküle im Strom beeinflusst. Das heißt, wenn die Konzentration erhöht wird, werden mehr Moleküle in die Poren getrieben.

Die Eigenschaften des Molekularsiebs selbst, einschließlich der Porengröße, der Oberfläche und der Größe der Molekularsiebkügelchen, beeinflussen ebenfalls die Effizienz des Adsorptionsprozesses. Die adsorbierende Oberfläche ist bei kleineren Perlen größer, während eine größere Pore nicht gleichbedeutend mit einer weniger effizienten molekularen Maßnahme ist, da die Menge der Moleküle, die sie einfangen kann, umfangreich ist. Die Verbesserung dieser Aspekte zur Erreichung eines bestimmten Reinigungs- oder Trennungsgrades bei industriellen Anwendungen ist ebenfalls von Bedeutung.

Arten von Molekularsieben

Übersicht über die gängigen Typen (3A, 4A, 5A, 13X)

Für Molekularsiebe gibt es keine Universallösung. Die Siebe haben zwar viele gemeinsame grundlegende Eigenschaften, aber ihre Unterschiede rechtfertigen eine unterschiedliche Verwendung für jeden Typ. Untersuchen wir, wie sie kategorisiert werden und welche die am häufigsten verwendeten sind, auf die Sie stoßen werden. Das erste Molekularsieb ist das 3A-Molekularsieb mit einem Porendurchmesser von etwa 3 Angström - das kleinste von allen. Dieser Typ ist ideal für die Entwässerung polarer Flüssigkeiten und Gase, da er Wassermoleküle einfangen kann, während größere Moleküle ungehindert durchgelassen werden.

Es folgen die Molekularsiebe 4A und 5A mit etwas größeren Porenweiten. Diese sind die Arbeitspferde in vielen industriellen Anwendungen, da sie mehr Moleküle adsorbieren können. Das 4A-Molekularsieb wird beispielsweise in großem Umfang zur Dehydratisierung von Erdgas eingesetzt, während das 5A-Molekularsieb zur Fraktionierung normaler Paraffine aus verzweigten und zyklischen Kohlenwasserstoffen verwendet werden kann. Nicht zuletzt ist das Molekularsieb 13X dafür bekannt, dass es von allen anderen handelsüblichen Typen die weitesten Poren hat. Dies erleichtert die Adsorption großer Moleküle wie Kohlendioxid aus gasförmigen Strömen. Molekularsiebe des Typs 13x werden auch in großem Umfang in Luftzerlegungsprozessen eingesetzt und können auch zur Entfernung von Schwefelverbindungen aus Erdgas verwendet werden.

Kohlenstoffmolekularsiebe und ihre Anwendungen

Neben Molekularsieben auf Zeolithbasis haben auch Kohlenstoffmolekularsiebe (CMS) aufgrund ihrer besonderen Adsorptionseigenschaften Interesse geweckt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Molekularsieben, die in der Regel anorganisch sind, bestehen die Kohlenstoffmolekularsiebe aus kohlenstoffhaltigen Substanzen, z. B. Kohle, Kokosnussschalen und Polymeren. Ihre Porenverteilung ist zufälliger als die der Zeolithe, mit Porendurchmessern zwischen wenigen Angström und einigen Nanometern.

CMS werden auch in vielen Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Gastrennung, in Luftreinigungssystemen zur Rückgewinnung flüchtiger organischer Verbindungen usw. Sie sind besonders nützlich für die Abtrennung von Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft und auch für die Absorption flüchtiger organischer Verbindungen aus den Emissionen industrieller Prozesse. CMS können auch in PSA-Anwendungen zur Wasserstoffreinigung oder CO2-Adsorption eingesetzt werden.

Industrielle Anwendungen

Verwendung in der Petrochemie und Gasreinigung

Einer dieser verschiedenen Industriezweige ist die Erdölindustrie, und das ist vielleicht nicht überraschend. Diese mikroskopisch kleinen Filter sind sehr effektiv und effizient, wenn es darum geht, verschiedene Gase und Flüssigkeiten in Raffinerien und Verarbeitungsanlagen zu reinigen und zu trennen. Dies ist besonders wichtig bei Raffinerieprozessen, und deshalb muss auch Erdgas aufbereitet werden. Erdgas enthält bei der Förderung aus dem Bohrloch sehr oft unerwünschte Stoffe wie Wasserdampf und Kohlendioxid, die zum Gesamtwassergehalt beitragen. In diesem Zusammenhang werden Molekularsiebe zur Wasserentfernung eingesetzt, um das Gas zu trocknen und Korrosion in den Pipelines sowie die Bildung von Hydraten zu verhindern. Auf die gleiche Weise können Molekularsiebe auch bei der Entfernung von CO2 und Metallionen helfen und so die Spezifikationen von Pipelines erfüllen, die angemessene relative Luftfeuchtigkeit aufrechterhalten und den Energiegehalt des Gases weiter erhöhen.

Dies ist jedoch nur der Anfang dessen, was Molekularsiebe leisten können. Dies gilt auch für Molekularsiebe, die bei der Herstellung von hochreinem Wasserstoff eingesetzt werden, der für viele Raffinerieprozesse erforderlich ist. Der Einsatz von Druckwechseladsorptionssystemen (PSA) ermöglichte die Zugabe von Molekularsieben, die Verunreinigungen, einschließlich kleiner Moleküle, im Wasserstoffgas bis zu einem Wert von 99,9% entfernen. Bei der Herstellung von Olefinen wie Ethylen und Propylen verringern Molekularsiebe Verunreinigungen, die in den weiteren Prozessschritten zu Katalysatorvergiftungen führen können. Die Multifunktionalität der Molekularsiebe für verschiedene Molekülarten macht sie für die Industrie unverzichtbar, da die Petrochemie wesentlich komplizierter ist.

Anwendungen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie

Molekularsiebe werden in der pharmazeutischen und der Lebensmittelindustrie in großem Umfang eingesetzt, da die Qualität und Sicherheit der Produkte geschützt werden muss. In der pharmazeutischen Industrie werden Molekularsiebe in den Lösungsmitteln eingesetzt, um diese zu trocknen, in den Rohstoffen, um Feuchtigkeit zu entfernen, und um die aktiven pharmazeutischen Inhaltsstoffe (APIs) zu reinigen. Solche Arzneimittel bleiben stabil und wirksam, da der Abbau durch Feuchtigkeit vermieden wird.

Molekularsiebe spielen eine Schlüsselrolle in der Lebensmittelindustrie, wo Speiseöle getrocknet, Verunreinigungen wie Zucker und Sirup behandelt und alkoholische Produkte gereinigt werden müssen. Mit ihrer Hilfe wird die unübertroffene Länge der Haltbarkeit von Produkten, der bessere Geschmack der Produkte und die Einhaltung aller Lebensmittelschutzvorschriften erreicht. Außerdem kontrolliert ein Molekularsieb-Trockenmittel für die Verpackung von Lebensmitteln den Feuchtigkeitsgehalt in der Verpackung, um den Verderb von Lebensmitteln zu vermeiden.

Die Auswahl des richtigen Molekularsiebs

Überlegungen auf der Grundlage von Porengröße und Molekültyp

Bei der Auswahl eines bestimmten Molekularsiebs müssen sowohl die Porengröße als auch die Form der jeweiligen Zielmoleküle berücksichtigt werden. Die Poren eines bestimmten Molekularsiebs sollten entsprechend der Größe der gewünschten Moleküle gestaltet werden. Wenn die Porengröße zu klein ist, können die Zielmoleküle nicht in das Sieb eindringen und adsorbiert werden. Sind die Segmentierungsporen dagegen zu groß, werden auch unerwünschte Moleküle adsorbiert, was die Effizienz des Trennprozesses beeinträchtigt. Auch die Polarität der Moleküle spielt bei der Wahl des Molekularsiebs eine Rolle. Wasser und Alkohole, die polare Moleküle sind, neigen dazu, den Platz im A-Typ-Zeolith leichter einzunehmen als andere unpolare Adsorbate. Unpolare Kohlenwasserstoffe werden besser von Silicalit- oder Kohlenstoffmolekularsieben absorbiert, die strukturell linear sind.

Anpassung von Siebtypen an industrielle Bedürfnisse

In verschiedenen Sektoren werden Molekularsiebe unterschiedlicher Art eingesetzt, je nach den jeweiligen Verfahren und den zu erreichenden Reinheiten. In der Petrochemie werden Molekularsiebe mit einer Porengröße von 3A oder 4A verwendet, da die Beseitigung von Feuchtigkeit unerlässlich ist. Bei der Reinigung von Erdgas werden 4A-Molekularsiebe bevorzugt, da sie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff extrahieren können. Im pharmazeutischen Sektor, wo die Trocknung von Lösungsmitteln häufig erforderlich ist, sind 3A-Siebe üblich. Für die Abtrennung von Gasen wie Stickstoff oder Sauerstoff, die in reiner Form benötigt werden, kommen mehrere 13X-Zeolithe zum Einsatz. In der Lebensmittelindustrie kann es erforderlich sein, mehrere Molekularsiebe zu kombinieren, da beispielsweise 3A für die Trocknung von Ölen und 4A für die Dekantierung von Zuckern verwendet werden kann.

Vorteile der Molekularsiebe

Hohe Adsorptionskapazität

Der vielleicht größte Nachteil bei der Verwendung von Molekularsieben ist ihre hohe Adsorptionskapazität. Es lohnt sich, sie mit anderen Absorptionsmitteln wie Kieselgel oder aktiviertem Aluminiumoxid zu vergleichen, die daher weniger Feuchtigkeit oder Zielmoleküle in einer gegebenen Masseneinheit adsorbieren. Diese hohe Kapazität ergibt sich aus der porösen und großen Oberfläche des Adsorptionsmaterials.

Die hohe Adsorptionskapazität der Molekularsiebe hat mehrere Vorteile für die Herstellung. Es bedeutet, dass der erforderliche Reinigungsgrad mit geringeren Mengen an Molekularsieb-Trockenmitteln erreicht werden kann, wodurch die Materialmengen und die Abmessungen der Anlagen reduziert werden. Eine hohe Kapazität bedeutet auch längere Betriebszeiten zwischen Regeneration oder Austausch, wodurch die Ausfallzeiten verringert und der Prozess optimiert wird.

Regeneration und Wiederverwendbarkeit

Ein weiterer positiver Aspekt der Molekularsiebe ist ihre Fähigkeit, wiedergewonnen und erneut eingesetzt zu werden. Manche Adsorptionsmittel werden einmal verwendet und dann weggeworfen. Bei Molekularsieben ist dies jedoch nicht der Fall, da sie durch Erhitzen oder Druckwechsel-Systeme regeneriert werden können, was die Desorption der adsorbierten Moleküle und die Wiederherstellung der Adsorptionskapazität ermöglicht.

Bei thermischen Regenerationsverfahren wird die Temperatur der gesättigten Adsorption auf über 200 Grad Celsius erhöht, so dass die adsorbierten Moleküle entfernt werden. Bei der Regeneration durch Druckwechseladsorption (PSA) wird ein Druckzyklus zusammen mit einem Vakuumzyklus auf das Molekularsieb angewendet. Durch diesen Wechsel zwischen Adsorptions- und Desorptionsphasen können die Molekularsiebe immer wieder verwendet werden, was den Abfall verringert und die Betriebskosten senkt.

Herausforderungen und Lösungen

Umgang mit Verunreinigungen

Obwohl Molekularsiebe ihre Aufgabe sehr effizient erfüllen, sind sie nicht unempfindlich gegen Probleme. Eine der größten Herausforderungen ist der Umgang mit Verunreinigungen, die die Effizienz der Geräte auf Dauer beeinträchtigen können. Einige der Moleküle, z. B. größere Moleküle oder solche mit hoher Polarität, können stark adsorbiert werden und lassen sich daher während der normalen Regeneration nur schwer desorbieren. Dies kann zu einer fortschreitenden Verringerung der Kapazität und Wirksamkeit des Siebs führen. Mitunter können die Verunreinigungen auch die Poren verstopfen und so den Zugang zu den internen Adsorptionsstellen verwehren.

Wie gehen wir nun mit dieser Herausforderung um? Eine davon ist die Vorbehandlung des Zufuhrstroms, um die Möglichkeit zu minimieren, dass die Verunreinigungen auf das Molekularsieb gelangen. Dies könnte den Einsatz von Filtern oder anderen Trennverfahren im Vorfeld beinhalten. Ein anderer Ansatz besteht darin, eine Reihe von Molekularsieben verschiedener Typen nacheinander einzusetzen, von denen jedes für die Entfernung bestimmter Verunreinigungen ausgelegt ist. Es ist auch möglich, die Leistung des Siebs zu überwachen und festzustellen, wann eine intensivere Regeneration oder ein Austausch erforderlich ist. In einigen Fällen ist es möglich, spezielle Regenerationsmethoden anzuwenden, wie z. B. chemisches Waschen oder Erhöhen der Temperatur und längeres Halten des Siebs.

Optimierung der Bedingungen für maximale Effizienz

Die ordnungsgemäße Verwendung von Molekularsieben hängt nicht nur von der richtigen Auswahl, sondern auch von der ordnungsgemäßen Funktionsweise des Siebs ab. Faktoren wie Temperatur, Druck, Durchflussmenge und Konzentration der Zielmoleküle bestimmen das Ausmaß, in dem jedes Molekularsieb funktioniert. So ist beispielsweise bekannt, dass hohe Temperaturen die Adsorptionsfähigkeit verringern, was jedoch die Geschwindigkeit der Adsorption erhöhen und die Gesamtleistung dynamischer Systeme verbessern kann.

Um diese Bedingungen zu erreichen, müssen in der Regel Kompromisse eingegangen werden. Bei Druckwechseladsorptionssystemen kann beispielsweise ein höherer Arbeitsdruck während des Adsorptionsschritts auch zu einer Verbesserung der Systemleistung führen, da er sich auf das am Prozess beteiligte Adsorbat bezieht. Dies ist häufig der Fall, wenn es darum geht, ein optimales Trennverfahren im Sinne einer maximalen Trennleistung bei geringsten Betriebskosten zu finden. Dies erfordert in der Regel, dass die theoretische Modellierung mit praktischen Experimenten kombiniert werden muss. Fortschrittliche Prozessautomatisierungssysteme ermöglichen es, die richtigen Betriebsparameter in den industriellen Prozessen beizubehalten, sie in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschickung und dem gewünschten Produkt in Echtzeit zu ändern und diese Änderungen zu überwachen. In dem Maße, in dem wir unser Wissen über das Verhalten von Molekularsieben vervollkommnet haben, haben wir immer mehr Möglichkeiten gefunden, diese Materialien weiter zu nutzen.

Molekularsiebe vs. andere Trockenmittel

Vergleichende Analyse mit Kieselgel und aktivierter Tonerde

Wenn es um die Trocknung von Gasen und Flüssigkeiten geht, sind Molekularsiebe sicher nicht die einzige Lösung, die es gibt. Andere neuartige und weit verbreitete Materialien sind aktivierte Tonerde und Kieselgel. Wie schneiden diese also ab? Beginnen wir mit den beiden Molekularsieben und dem Kieselgel zum Vergleich. Kieselgel ist dafür bekannt, dass es bei höherer Luftfeuchtigkeit Wasser zurückhält und auch bei niedrigen Temperaturen regeneriert werden kann. Es ist jedoch weniger teuer als Molekularsiebe. Deshalb ist es auch schonender für empfindliche Materialien. Andererseits haben Molekularsiebe in erster Linie eine hohe Wasseraufnahmekapazität, können aber beim Trocknen viel niedrigere Taupunkte erreichen, was sie für die meisten Prozesse, die eine fast vollständige Trocknung erfordern, ideal macht.

Bei aktivierter Tonerde liegt dieser Wert jedoch irgendwo zwischen Kieselgel und Molekularsieb. Es ist besser als Kieselgel, aber weniger gut als Molekularsiebe. Eine der Stärken von aktivierter Tonerde ist ihr Potenzial, mehr als nur Wasser zu entfernen. Ionenaustauschharze sind nützlich, wenn mehr als eine Art von Verunreinigung entfernt werden muss. Es ist zwar klar, dass aktiviertes Aluminiumoxid seine Grenzen und Nachteile in Bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft und bei der Abtrennung von Molekülen unterschiedlicher Größe hat, aber genau hier kommen Molekularsiebe ins Spiel.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend kann man sagen, dass Molekularsiebe erstaunliche Materialien sind, die aufgrund ihrer selektiven Adsorptionseigenschaften viele Branchen verändert haben. Dank der komplexen Strukturen der Zeolithe und einer Vielzahl von Porengrößen bieten Molekularsiebe ein wirksames Mittel zum Trocknen, Reinigen und Trennen.

Es ist wichtig, die grundlegenden Prinzipien der Molekularsiebe zu verstehen, einschließlich ihrer chemischen Zusammensetzung und der Grundlagen zur Verbesserung ihrer Verwendung in der Industrie. Dies erfordert die Verwendung der geeigneten Sorte von Molekularsieben, der Form und Größe der Poren und der Moleküle, die für eine bestimmte industrielle Anwendung geeignet sein müssen, um wirksam zu sein.