Tamices Moleculares: el arte de separar según el tamaño de las moléculas

Un grupo de adsorbentes que son especialmente apasionantes son los tamices moleculares. Estos materiales se caracterizan por poseer una estructura cristalina perfectamente diseñada que nos permite separar moléculas en función de su tamaño, al quedarse éstas adsorbidas en los poros del tamiz molecular que utilicemos.

La estructura cristalina base es una zeolita, un alúmino silicato cuya estructura cristalográfica está formada por tetraedros de AlO4 y SiO4. En una de sus etapas de fabricación, la de cristalización, se desprende agua, formando los distintos poros que adquieren afinidad por adsorber moléculas. Gracias a la presencia de distintos cationes como son el sodio, el potasio y el calcio y a una elevadísima área superficial, de alrededor de 900- 1000 m2/g, se consigue que los tamices adsorban gran cantidad de agua y otras sustancias que deseamos separar.

¿Qué tipos de tamices moleculares existen?

Existen principalmente cuatro tipos de tamices moleculares: 3A, 4A, 5A y 13X, si bien hay otros varios tamices.

Para la fabricación de estos cuatro tamices moleculares se parte de dos zeolitas base: la Zeolita tipo A, cuya forma sódica es directamente el tamiz molecular 4A, y la Zeolita tipo X, cuya forma sódica es el tamiz molecular 13X.

Veamos uno por uno:

Tamiz Molecular 3A

El tamiz molecular 3A corresponde a un tamaño de poros de la estructura cristalina de 3Å.

Su composición química es la siguiente: K12[(AlO2)12(SiO2)12]•X H2O

Se obtiene mediante la sustitución de los iones Sodio en la estructura del tamiz molecular de 4A (forma sódica de la zeolita tipo A) por iones Potasio, de modo que se consigue disminuir el tamaño efectivo de poro a 3Å.

 

Se emplea en la eliminación de agua del etanol y metanol, así como en la deshidratación de corrientes de hidrocarburos insaturados como son propileno, butadieno, acetileno, gas craqueado, etc. También puede adsorber tanto agua como amoníaco en corrientes de nitrógeno e hidrógeno.

Tamiz Molecular 4A

El tamiz molecular 4A corresponde a un tamaño de poros de la estructura cristalina de 4Å.

Su composición química es la siguiente: Na12[(AlO2)12(SiO2)12]•X H2O

Se trata de la zeolita tipo A en su forma sódica:

 

A partir de esta forma, se obtienen los tamices de tamaños de poros 3Å y 5Å, intercambiando los iones Sodio por iones Potasio y Calcio, respectivamente.

Se emplea también para la eliminación de agua en sistemas cerrados de líquidos o de gases, por ejemplo, en envasado de químicos, materiales eléctricos, etc. Empleado para secar tanto medios polares como no polares. Respecto a otras moléculas, adsorbe: H2S, SO2, CO2, etileno, etano y propileno.

Tamiz Molecular 5A

El tamiz molecular 5A corresponde a un tamaño de poros de la estructura cristalina de 5Å.

Su composición química es la siguiente: Ca4,5Na3[(AlO2)12(SiO2)12]•X H2O

Se obtiene mediante la sustitución de los iones Sodio en la estructura del tamiz molecular de 4A por iones Calcio, de modo que se consigue aumentar el tamaño efectivo de poro a 5Å.

 

Se emplea para la eliminación de CO2, CO, H2S y otras moléculas débilmente polares, en el gas natural, gracias a la fuerza del ion calcio divalente. También se emplea en la separación de normal parafinas de las parafinas ramificadas e hidrocarburos cíclicos, por ejemplo en la fabricación del LAB (linear alkyl benzene).

Tamiz Molecular 13X

El tamiz molecular 13X corresponde a un tamaño de poros de la estructura cristalina de 10Å.

Su composición química es la siguiente: Na86[(AlO2)86(SiO2)106]•X H2O

Es la forma sódica de la zeolita X, cuyos poros son de mayor tamaño que los de la zeolita tipo A (el tamiz molecular de 4A).

 

Se emplea para separar el nitrógeno del aire para obtener oxígeno de alta pureza. Asimismo, se emplea para secado y eliminación de H2S en el gas natural y del GLP y eliminación del CO2.

Otros tipos de tamices moleculares menos comunes son el Tamiz Molecular 10X, que tiene un tamaño de poro de 8A y que se emplea para el secado y desulfuración de gases y líquidos y separación de hidrocarburos aromáticos. Asimismo, podemos encontrar tamices moleculares más específicos diseñados sobre otras zeolitas.

Formas de los tamices moleculares

Los tamices moleculares están disponibles varias formas, y tamaño de sus partículas, siendo las formas más comunes las esferas y los pellets. Las esferas presentan varias ventajas como son que su densidad de carga es mayor respecto a los pellets, por lo que en el mismo volumen cargamos más producto, alargando el ciclo de vida del adsorbedor. Asimismo, al no tener bordes afilados, son más resistentes al desgaste, por lo que dan lugar a menor atrición y formación de finos, evitando aumento de la delta de presión en el lecho.

Proceso de fabricación de los tamices moleculares

Los distintos tamices moleculares se obtienen a partir de las zeolitas sintéticas de 4A (zeolita A) o de 13X (zeolita X), siendo su fabricación muy similar entre estas dos zeolitas, variando únicamente la velocidad de mezcla de los componentes.

Para la fabricación de la zeolita sintética de 4A se emplea Al(OH)3, solución de Na2SiO3 (vidrio soluble), NaOH y agua. Las etapas de fabricación consisten en la preparación de estos materiales, mezcla, cristalización, filtrado, lavado y secado, obteniéndose la zeolita 4A en polvo.

El proceso de producción de polvo de zeolita sintética 3A y 5A, es muy similar al de la zeolita sintética 4A. Una vez obtenidos los cristales de tamaño 4A, se realiza un intercambio iónico con una solución de KCl o con una solución de CaCl2, para obtener el tamiz molecular de 3A o de 5A, respectivamente.

Para fabricar el tamiz molecular a partir de la zeolita correspondiente, se agrega un aglutinante al polvo de zeolita, y a continuación se peletiza y se calcina, obteniéndose el producto terminado. El aglutinante puede ser una arcilla de caolín o arcilla de atapulgita, sepiolita o bentonita.

Existe la opción de producir tamices moleculares “binder free”, es decir, sin aglutinante, de modo que se sustituye en la última etapa el aglutinante por más zeolita. Con esta opción, se consigue aumenta la capacidad de adsorción del tamiz molecular.

Operación con tamices moleculares

Dependiendo de cada unidad y de cada tamiz molecular, las condiciones de operación variarán. Generalmente, los tamices moleculares, presentan largos ciclos de vida, si se respeta su correcta operación y condiciones de regeneración.

La temperatura de regeneración es crítica para eliminar los compuestos adsorbidos en cada ciclo, pero sin someter al tamiz a una temperatura que lo deteriore innecesariamente. Es muy importante respetar las indicaciones de cada suministrador en cuanto a la máxima temperatura y las velocidades de calentamiento y enfriamiento de los lechos de tamices moleculares, para obtener el máximo rendimiento de estos adsorbentes.

Desde MERYT os podemos suministrar todo tipo de tamices moleculares que preciséis para vuestras unidades, así como atenderos para cualquier duda que tengáis respecto a estos interesantísimos adsorbentes.

Esperamos que este boletín técnico haya sido de vuestro interés.