Setacci molecolari: dalla separazione dei gas alla purificazione di sostanze chimiche

I setacci molecolari sono composti cristallini preparati artificialmente costituiti da alluminosilicati di sodio, potassio o calcio . Sono composti da una rete tridimensionale di pori di dimensioni definite, che permettono il passaggio selettivo delle molecole più piccole rispetto a quelle più grandi.

La chimica statunitense Edith Marie Flanigen nota per il suo lavoro sulla sintesi degli smeraldi, ottenne le zeoliti per setacci molecolari alla Union Carbide. Iniziò a lavorare su questa tecnologia emergente nel 1956 per ottenere strutture microporose cristalline con grandi volumi di pori di dimensioni molecolari.

L’efficacia di un setaccio molecolare dipende dalla dimensione e dalla forma dei suoi pori, nonché dalle interazioni chimiche tra le molecole da separare e il setaccio stesso. Queste caratteristiche possono essere modificate e adattate per ottimizzare le prestazioni del setaccio in base alle specifiche esigenze dell’applicazione.

Sono disponibili in varie forme e dimensioni e le più comuni sono sfere e pellet. Le sfere hanno diversi vantaggi come ad esempio che la loro densità di carico è superiore rispetto ai pellet, quindi nello stesso volume si può caricare una maggiore quantità di prodotto, allungandone il ciclo di vita.

Classificazione dei setacci molecolari

Possono essere classificati in base alla porosità, generalmente misurata in angstrom (Å), in tre categorie principali: microporosi, mesoporosi e macroporosi.

Microporosi che hanno pori con diametro inferiore a 2 Å. Questi pori sono estremamente piccoli e consentono la separazione selettiva di molecole di dimensioni ridotte. Le zeoliti sono un esempio comune di setacci molecolari microporosi.

Mesoporosi che hanno pori con diametro compreso tra 2 e 50 Å. Questa dimensione del poro è più ampia rispetto ai setacci microporosi e consente il passaggio di molecole di dimensioni leggermente maggiori.

Macroporosi che hanno pori con diametro superiore a 50 Å. Questi pori sono relativamente grandi e possono permettere il passaggio di molecole di dimensioni considerevoli. I setacci macroporosi sono utilizzati per applicazioni in cui è necessario separare particelle più grandi, come nella filtrazione industriale.

Sigle dei setacci molecolari

I più comuni sono denotati con le sigle 3A, 4A, 5A e 13X.

Setacci di tipo 3A costituiti da alluminosilicato di potassio cristallino con formula Na₁₂[(AlO₂)₁₂(SiO₂)₁₂]·X H₂O e una dimensione dei pori di circa 3 Å. Questo tipo è adatto per essiccare liquidi come acetone, acetonitrile, metanolo, etanolo e 2-propanolo e gas essiccanti come acetilene, biossido di carbonio, ammoniaca, propene e butadiene.

Setacci di tipo 4A costituiti da alluminosilicato di sodio cristallino con formula K₁₂[(AlO₂)₁₂(SiO₂)₁₂]·X H₂O e una dimensione dei pori di circa 4 Å, in modo che, oltre all’acqua, possano essere adsorbite molecole di etano. Questo tipo di setacci molecolari è adatto per essiccare cloroformio, diclorometano, etere etilico, dimetilformammide, acetato di etile, cicloesano, benzene, toluene, xilene, piridina e diisopropil etere.

Setacci di tipo 5A costituiti da alluminosilicato di calcio cristallino Ca_4.5Na₃[(AlO₂)₁₂(SiO₂)₁₂] ·X H₂O con una dimensione dei pori di circa 5 Å. Questi setacci assorbono molecole più grandi come, ad esempio, propano, butano, esano, butene, olefine superiori, alcool n -butilico e alcoli superiori a catena lineare e ciclopropano. Questo è il tipo generalmente utilizzato per l’essiccazione di gas, e solventi organici come tetraidrofurano e diossano.

Setacci di tipo 13X costituiti da alluminosilicato di sodio cristallino con formula Na₈₆[(AlO₂)₈₆(SiO₂)₁₀₆·X H₂O e una dimensione dei pori di circa 10 Å che permette l’adsorbimento di molti composti a catena ramificata e ciclici, oltre a tutte le sostanze rimosse dai setacci di tipo 5A.

Applicazioni dei setacci molecolari

A causa della loro selettività, i setacci molecolari offrono vantaggi rispetto al gel di silice, all’allumina o al carbone attivo, soprattutto per la loro altissima affinità per l’acqua, le piccole molecole polari e i composti organici insaturi.

Hanno numerosissime applicazioni in campo chimico, industriale e usati nella decontaminazione e purificazione. Possono essere usati nell’essiccazione di gas e liquidi contenenti tracce d’acqua, di gas a temperature elevate e nella rimozione selettiva delle impurità dai flussi di gas.

Possono essere usati in applicazioni innovative nella purificazione dell’acqua e nella pulizia ambientale, come è avvenuto nella decontaminazione dell’acqua nella centrale nucleare giapponese di Fukushima Daiichi.

Di recente i ricercatori dell’Università di Cambridge hanno sviluppato setacci molecolari avanzati che potrebbero essere utilizzati per filtrare l’anidride carbonica e altri gas serra dall’atmosfera

Dopo l’uso, possono essere rigenerati riscaldando a 300°-350° per diverse ore, preferibilmente in un flusso di gas inerte secco come azoto o preferibilmente sotto vuoto, quindi raffreddando in un essiccatore.

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