Explorando qué es un tamiz molecular: Análisis en profundidad

Introducción a los tamices moleculares

Los tamices moleculares se han convertido cada vez más en parte integrante de los procesos industriales modernos de purificación y separación. Por ejemplo, el mercado mundial de tamices moleculares, valorado en 5.100 millones de USD en 2020, superará los 6.800 millones de USD en 2026 (MarketsandMarkets, 2021), lo que subraya la importancia de estos materiales en el crecimiento de diversos sectores. Sin embargo, ¿qué es un tamiz molecular? Un tamiz molecular es un material muy esponjoso que, al poseer poros, es capaz de adsorber partículas, pero esta vez restringiendo los tipos de partículas por su tamaño y polaridad. Gracias a esta singular característica, es posible separar diferentes gases y líquidos. Así pues, los tamices moleculares son componentes esenciales en un sinfín de industrias debido a su capacidad para separar diferentes gases y líquidos, incluidos los de la limpieza del gas natural y la producción de productos químicos de alta pureza.

Composición química y estructura

Las zeolitas y su papel en los tamices moleculares

La mayoría de los tamices moleculares están compuestos por zeolitas sintéticas, que son materiales cristalinos cúbicos con un entramado de intrincados canales huecos. Estas zeolitas, definidas por su estructura cristalina, constituyen la mayoría de los desecantes de tamiz molecular debido a sus particulares y avanzadas propiedades de adsorción. La determinación de las posiciones relativas del aluminio, el silicio y el oxígeno que se da en la estructura cristalina de la zeolita, tal y como se esboza en su fórmula química, conduce a la formación de poros de igual tamaño adecuados para la filtración de partículas pequeñas basadas en el tamaño molecular.

De todas las zeolitas sintéticas disponibles, las variantes tienen diferentes dimensiones de poro, en referencia al tamaño de poro del tamiz molecular, y características de adsorción selectiva. Los tipos A, X e Y son algunas de las zeolitas más populares utilizadas en los dispositivos de tamiz molecular. La modificación especializada de la síntesis de las zeolitas en el diseño ayuda a que dichas zeolitas cumplan los requisitos de diferentes aplicaciones. Por ejemplo, la geometría de los poros de la zeolita de tipo A puede modificarse en función de la proporción Si:Al de partida, y así la empresa produce los tamices moleculares de zeolita 3A, 4A y 5A.

Tamaño de los poros y su importancia

La estructura de los poros de un tamiz molecular es, con mucho, el modo más selectivo de distinguir entre distintos tamices. Los tamaños de poro son valores calculados en angstroms (Å) dentro del intervalo de 3 Å a veces 10Å y más. Los tamices moleculares comerciales suelen fabricarse con clases individuales de tamaño de poro, entre las que se incluyen: 3A (3 Å), 4A (4 Å), 5A (5Å) y 13X (10Å).

El tamaño de los poros de los tamices moleculares oscila entre 3 y 10 angstroms (es decir, un tamaño ridículamente diminuto: estamos hablando de la milmillonésima parte de un metro). Los distintos poros están diseñados para interactuar con determinadas moléculas. Los distintos tipos de tamices moleculares tienen diámetros de poro diferentes para cumplir ciertos requisitos, como 3A, 4A, 5A y 13X, que son bastante populares. Por ejemplo, 3A tamiz molecular consiste en tamaños de poros que pueden absorber las moléculas de agua, pero passé a través de más grandes las moléculas. Esta selectividad ayuda mucho en aplicaciones como el secado de gases o el fraccionamiento de hidrocarburos. Estos tamaños de poro son clave para responder a la pregunta de cómo funcionan los tamices moleculares en distintos procesos de la industria.

Funcionamiento de los tamices moleculares

El mecanismo de adsorción

Lo bueno de los tamices moleculares es que son capaces de adsorber moléculas más pequeñas mediante un mecanismo conocido como fisisorción. Por otra parte, la quimisorción implica la formación de enlaces químicos entre las moléculas y el adsorbente, mientras que la fisisorción implica el uso de fuerzas débiles de Van der Waals para atraer y mantener las moléculas dentro de los poros del tamiz molecular. En un desecante de tamiz molecular, si se hace pasar una corriente de gas o líquido a través de él, las moléculas más pequeñas que el tamaño de los poros pueden entrar en ellos y quedar retenidas. Las moléculas más grandes, que no pueden entrar en los poros, simplemente rodean la superficie. Este proceso de adsorción selectiva permite a los tamices moleculares eliminar selectivamente impurezas, humedad o gases específicos de la mezcla y producir una corriente purificada.

Factores que influyen en la eficacia de la adsorción

El rendimiento de adsorción de un tamiz molecular se ve afectado por muchos factores. Uno de los factores importantes es la temperatura; un aumento de la temperatura suele disminuir la adsorción, aunque una disminución de la temperatura la aumenta. La presión también es otro factor importante, ya que las presiones más altas suelen aumentar la velocidad de adsorción. La adsorción también se ve influida por la concentración de las moléculas objetivo en la corriente. Es decir, si aumenta la concentración, más moléculas entrarán en los poros.

Las propiedades del propio tamiz molecular, incluidas las dimensiones de los poros, la superficie y el tamaño de las perlas del tamiz molecular, también afectan a la eficacia del proceso de adsorción. La superficie de adsorción es mayor en las perlas más pequeñas, mientras que un poro más grande no significa una medida molecular menos eficaz, ya que la cantidad de moléculas que puede captar será amplia. Mejorar estos aspectos para obtener un determinado grado de purificación o separación durante las aplicaciones industriales también es significativo.

Tipos de tamices moleculares

Resumen de los tipos más comunes (3A, 4A, 5A, 13X)

Los tamices moleculares no tienen una solución universal. Aunque los tamices tienen muchas propiedades fundamentales comunes, sus diferencias justifican el uso diferente de cada tipo. Examinemos cómo se clasifican y cuáles son los más utilizados. El primero es el tamiz molecular 3A, que tiene un diámetro de poro de unos 3 angstroms, el más pequeño de todos. Este tipo es ideal para la deshidratación de líquidos y gases polares, ya que tiene la capacidad de capturar moléculas de agua, mientras que las moléculas más grandes pueden pasar libremente.

Le siguen los tamices moleculares 4A y 5A, con una anchura de poro algo mayor. Son los caballos de batalla de muchas aplicaciones industriales, ya que pueden adsorber más moléculas. El tipo 4A, por ejemplo, se emplea mucho en la deshidratación de gas natural, mientras que el 5A puede utilizarse para fraccionar parafinas normales de hidrocarburos ramificados y cíclicos. Por último, pero no por ello menos importante, está el tamiz molecular 13X, conocido por tener los poros más anchos de todos los demás tipos comerciales. Esto facilita la adsorción de grandes moléculas, como el dióxido de carbono, de corrientes gaseosas. El tipo 13x de tamices moleculares también se aplica ampliamente en los procesos de separación del aire y también puede utilizarse para eliminar los compuestos de azufre del gas natural.

Tamices moleculares de carbono y sus aplicaciones

Además de los tamices moleculares basados en zeolitas, los tamices moleculares de carbono (CMS) también han suscitado interés debido a sus características distintivas de adsorción. A diferencia de los desecantes de tamiz molecular convencionales, que suelen ser inorgánicos, los tamices moleculares de carbono se construyen con sustancias carbonosas, por ejemplo, carbón, cáscaras de coco y polímeros. La distribución de sus poros es más aleatoria que la de las zeolitas, con diámetros de poro que oscilan entre unos pocos angstrom y unos pocos nanómetros.

Los CMS también se incluyen en muchas industrias, como la separación de gases, el sistema de purificación del aire para la recuperación de compuestos orgánicos volátiles, etc. Son especialmente útiles para la separación de nitrógeno y oxígeno del aire y también para la absorción de compuestos orgánicos volátiles de las emisiones de procesos industriales. Además, los CMS pueden utilizarse en aplicaciones PSA para la purificación de hidrógeno o la adsorción de CO2.

Aplicaciones industriales

Uso en petroquímica y depuración de gases

Una de estas diversas industrias es la petrolera, y quizá esto no sea sorprendente. Estos filtros microscópicos son muy eficaces y eficientes a la hora de purificar y separar diversos gases y líquidos en refinerías y plantas de procesamiento. Esto es especialmente importante en los procesos de refinado, y por eso hay que tratar el gas natural. El gas natural, cuando se extrae del pozo, contiene muy a menudo sustancias no deseadas, como vapor de agua y dióxido de carbono, que contribuyen al contenido total de agua. Junto con esto, los tamices moleculares para la eliminación de agua se utilizan para secar el gas, evitando la corrosión de las tuberías y la formación de hidratos. Del mismo modo, los tamices moleculares también pueden ayudar a eliminar el CO2 y los iones metálicos, satisfaciendo así las especificaciones de los gasoductos, manteniendo la humedad relativa adecuada y mejorando aún más el contenido energético del gas.

Sin embargo, esto es sólo el principio de lo que pueden aportar los tamices moleculares. Los tamices moleculares también se emplean en la producción de hidrógeno de alta pureza, necesario para muchos procesos de refinado. El empleo de sistemas de adsorción por cambio de presión (PSA) permitió añadir tamices moleculares que eliminan impurezas, incluidas pequeñas moléculas, en el gas hidrógeno hasta un 99,9%. Al producir olefinas como el etileno y el propileno, los tamices moleculares alivian los contaminantes que pueden causar el envenenamiento del catalizador en las fases posteriores del proceso. La multifuncionalidad de los tamices moleculares para hacer frente a diversos tipos de moléculas los hace esenciales en la industria, ya que los productos petroquímicos son bastante más complicados.

Aplicaciones en la industria farmacéutica y alimentaria

Los tamices moleculares se emplean mucho en las industrias farmacéutica y alimentaria porque hay una mayor necesidad de proteger la calidad y la seguridad del producto. En la industria farmacéutica, los tamices moleculares se emplean en los disolventes para secarlos, en las materias primas para eliminar la humedad y para purificar los principios activos farmacéuticos (API). Estos medicamentos permanecen estables y eficaces, ya que se evita la degradación por la humedad.

Los tamices moleculares desempeñan un papel fundamental en las industrias alimentarias, donde es necesario secar aceites comestibles, tratar impurezas como azúcares y jarabes y purificar productos alcohólicos. Con su ayuda, se alarga inmejorablemente la vida útil de los productos, se mejora su sabor y se cumplen todas las normativas de protección alimentaria. Además, un desecante de tamiz molecular para el envasado de productos alimentarios controla el nivel de humedad en el envase para evitar el deterioro de los productos alimentarios.

Selección del tamiz molecular adecuado

Consideraciones basadas en el tamaño de los poros y el tipo de molécula

Para hacer una selección eficaz de un tamiz molecular concreto, hay que tener en cuenta tanto el tamaño de los poros como la forma de las moléculas objetivo concretas. Los poros de un tamiz molecular específico deben diseñarse en función del tamaño de las moléculas objetivo. Si el tamaño de los poros es demasiado pequeño, a las moléculas objetivo les resultará imposible entrar en el tamiz y adsorberse. Por el contrario, si los poros de segmentación son demasiado grandes, también adsorberán moléculas no deseadas, lo que repercutirá en la eficacia del proceso de separación. La polaridad de las moléculas también entra en juego a la hora de decidir qué tamiz molecular utilizar. El agua y los alcoholes, que son moléculas polares, tenderán a ocupar espacio en la zeolita de tipo A más fácilmente que otros adsorbatos no polares. Los hidrocarburos no polares serán absorbidos mejor por la silicalita o los tamices moleculares de carbono, que son estructuralmente lineales.

Tipos de tamices adaptados a las necesidades industriales

Los distintos sectores utilizan tamices moleculares de diferentes tipos en función de los procesos concretos y de las purezas que deban alcanzarse. En el sector petroquímico, dado que la eliminación de la humedad es imperativa, se utilizan desecantes de tamiz molecular con tamaños de poro 3A o 4A. En el caso de la purificación del gas natural, se prefieren los tamices moleculares 4A, ya que pueden extraer el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno. En el caso del sector farmacéutico, donde se requiere con frecuencia el secado de disolventes, son habituales los tamices 3A. Para la separación de gases como el nitrógeno o el oxígeno, que se requieren en forma pura, se emplean eficazmente varias zeolitas 13X. En la industria alimentaria, puede ser necesario utilizar una combinación de más de un tipo de tamiz molecular, ya que el uso puede variar en función de, por ejemplo, 3A para secar aceites y 4A para decantar azúcares.

Ventajas de los tamices moleculares

Alta capacidad de adsorción

Quizá el principal inconveniente a la hora de utilizar tamices moleculares sea su elevada capacidad de adsorción. Merece la pena compararla con otros absorbentes como el gel de sílice o la alúmina activada, que por tanto adsorben menos humedad o moléculas objetivo en una unidad de masa dada. Esta elevada capacidad se debe a la porosidad y a la elevada superficie del material adsorbente.

La elevada capacidad de adsorción de los tamices moleculares presenta varias ventajas en cualquier proceso de fabricación. Significa que el nivel requerido de purificación puede alcanzarse con menores cantidades de desecantes de tamiz molecular, reduciendo así las cantidades de material y las dimensiones de los equipos Los materiales adsorbentes verdes serán, por tanto, más eficientes económicamente, mientras que los procesos no térmicos garantizarán un daño mínimo de los materiales. Una alta capacidad también significa períodos más largos de operaciones entre la regeneración o la sustitución, reduciendo así el tiempo de inactividad y optimizando el proceso.

Regeneración y reutilización

Otro rasgo positivo notable de los tamices moleculares es su capacidad para ser recuperados y empleados de nuevo. Algunos adsorbentes se utilizan una vez y se tiran. Sin embargo, éste no es el caso de los tamices moleculares, ya que pueden regenerarse mediante calentamiento o sistemas de oscilación de presión que permiten la desorción de las moléculas adsorbidas y posibilitan la recuperación de la capacidad de adsorción.

Los métodos de regeneración térmica implican elevar la temperatura de la adsorción saturada a más de 200 grados Celsius para que se eliminen las moléculas adsorbidas. La regeneración por adsorción por oscilación de presión (PSA) implica la aplicación de un ciclo de presión junto con un ciclo de vacío en el tamiz molecular. Gracias a este ciclo entre las etapas de adsorción y desorción, los tamices moleculares pueden utilizarse una y otra vez, con lo que disminuyen los residuos y se reducen los gastos de explotación.

Retos y soluciones

Contaminantes

A pesar de que los tamices moleculares son muy eficientes en lo que están diseñados para hacer, no son invulnerables a los problemas. Uno de los mayores retos es la manipulación de contaminantes que pueden afectar a la eficacia de los dispositivos a largo plazo. Algunas moléculas, como las de mayor tamaño o las de alta polaridad, pueden quedar fuertemente adsorbidas y, por tanto, ser difíciles de desabsorber durante la regeneración normal. Esto puede provocar una reducción progresiva de la capacidad y eficacia del tamiz. A veces, los contaminantes también pueden obstruir los poros e impedir el acceso a los lugares de adsorción internos.

¿Cómo podemos hacer frente a este reto? Una de ellas es el pretratamiento de la corriente de alimentación para minimizar la posibilidad de que los contaminantes lleguen al tamiz molecular. Esto podría incluir el uso de filtros u otras técnicas de separación previas. Otro enfoque consiste en emplear varios tamices moleculares de distintos tipos en secuencia, cada uno de los cuales está diseñado para eliminar determinadas impurezas. También es posible controlar el rendimiento del tamiz y determinar cuándo es necesaria una regeneración más intensiva o su sustitución. En algunos casos, es posible aplicar métodos de regeneración específicos, como el lavado químico o el aumento de la temperatura y el mantenimiento del tamiz durante más tiempo.

Optimización de las condiciones para lograr la máxima eficacia

El uso adecuado de los tamices moleculares no sólo depende de su correcta selección, sino también del buen funcionamiento del tamiz. Factores como la temperatura, la presión, el caudal y la concentración de las moléculas objetivo determinan el grado de rendimiento de cada tamiz molecular. Por ejemplo, se sabe que las altas temperaturas tienden a disminuir la capacidad de adsorción, sin embargo, esto podría aumentar la velocidad de adsorción y podría mejorar el rendimiento general de los sistemas dinámicos.

Alcanzar estas condiciones suele requerir compromisos. En los sistemas de adsorción por oscilación de presión, por ejemplo, una mayor presión de trabajo durante la etapa de adsorción también puede conducir a una mejora del rendimiento del sistema debido a su capacidad con respecto al adsorbato implicado en el proceso. Muy a menudo se trata de encontrar el procedimiento de separación óptimo en términos de máxima eficacia de separación con los costes operativos más bajos. Normalmente, para ello es necesario combinar la modelización teórica con la experimentación práctica. Los sistemas avanzados de automatización de procesos permiten mantener los parámetros de trabajo adecuados en los procesos industriales, cambiándolos en función de la composición de la alimentación y del producto deseado en tiempo real, y supervisando dichos cambios. A medida que hemos ido perfeccionando nuestros conocimientos sobre el comportamiento de los tamices moleculares, se nos han ido ocurriendo cada vez más opciones sobre cómo explotar aún más estos materiales.

Tamices moleculares frente a otros desecantes

Análisis comparativo con gel de sílice y alúmina activada

Cuando se trata de secar gases y líquidos, puede estar seguro de que los tamices moleculares no son los únicos. Otros materiales novedosos y muy utilizados son la alúmina activada y el gel de sílice. ¿Qué tal están estos materiales? Empecemos comparando el tamiz molecular y el gel de sílice. El gel de sílice es famoso por su retención de agua a niveles de humedad más altos y también por la capacidad de regenerarse a bajas temperaturas. Sin embargo, es menos caro que los tamices moleculares. Por eso es más suave con los materiales delicados. Por otro lado, los tamices moleculares tienen una gran capacidad de absorción de agua en primer lugar, pero pueden alcanzar puntos de rocío mucho más bajos en el secado, lo que los hace ideales en la mayoría de los procesos que requieren un secado casi completo.

Sin embargo, en el caso de la alúmina activada, se sitúa entre el gel de sílice y el tamiz molecular. Es mejor que el gel de sílice, pero menos que los tamices moleculares. Uno de los puntos fuertes de la alúmina activada es su potencial para eliminar algo más que agua. Las resinas de intercambio iónico son útiles en situaciones en las que se requiere la eliminación de más de un tipo de impureza. Aunque está claro que la alúmina activada tiene sus limitaciones y desventajas en cuanto al contenido de humedad del aire ambiente y a la separación de moléculas de distintos tamaños, aquí es donde entran en juego los tamices moleculares.

Conclusión

En resumen, los tamices moleculares pueden considerarse materiales asombrosos que han cambiado muchas industrias gracias a sus características de adsorción selectiva. Gracias a las complejas estructuras de las zeolitas y a la variedad de tamaños de sus poros, los desecantes de tamiz molecular constituyen un medio eficaz de secado, limpieza y separación.

Comprender los principios básicos de los tamices moleculares, incluida su composición química y los fundamentos sobre cómo mejorar su uso en la industria, es una actividad importante. Para ello es necesario utilizar la variedad adecuada de tamiz molecular, la forma y el tamaño de los poros, y que dichas moléculas se ajusten a una aplicación industrial concreta para que resulten eficaces.