Молекулярное сито

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Молекулы газов и паров различны по своим размерам. Например, молекулы метилового спирта или хлороформа в газообразном состоянии в несколько раз больше молекулы углекислоты, а молекула углекислоты, в свою очередь, больше молекулы азота. Последняя же имеет большие размеры, чем молекулы кислорода или водорода. Это-то и натолкнуло ученых на мысль воспользоваться для разделения газов ситами, аналогично тем, которые применяются для твердых сыпучих тел. Но как это осуществить? Ведь даже самые тонкие сита, через которые проходит, например, цинковая пыль, имеют отверстия размером в несколько тысячных долей сантиметра, а через бумажные фильтры проходят вирусы, которые в 1000 раз больше молекул газов. Как же в таком случае разделить по размерам молекулы газов и паров, величины которых меньше стомиллионной доли сантиметра? Сложная задача. Но она в настоящее время разрешена. Найдены методы «отсеивания» одних молекул от других при помощи своеобразных молекулярных сит.

Что же представляют собой эти сита? Как в них образуются отверстия молекулярных размеров? Материалом для мельчайших сит служит искусственно приготовленный алюмосиликат, который по своей химической природе подобен минеральным глинам или полевым шпатам. Такие минералы называются цеолитами. Кристаллы цеолитов содержат воду. Но если нагреть цеолит, то вода из него удаляется и, что очень важно, структура минерала при этом не изменится. Зато получаются кристаллы, пронизанные сетью пор молекулярных размеров, расположенных в строгой последовательности. Эти природные «дырки» занимают почти 50 процентов общего объема кристалла. (Наверняка молекулярное сито такое же замечательное изобретения, как например, электропростынь, согревающая в мороз).

Поры молекулярного сита обладают способностью захватывать молекулы воды. Но если воды в газе нет, то в них могут заходить и удерживаться другие молекулы. Правда, если в отверстие обычного сита проходят мелкие частицы, а более крупные удерживаются в нем, то здесь, в необычайно пористом молекулярном веществе, наоборот, крупные молекулы проходят мимо сита, а мелкие застревают. Естественно, что в зависимости от величины и химической природы молекул, которые должны быть отсеяны от смеси газов, изготавливаются сита различного физического и химического характера как для больших, так и для малых молекул.

Как же в производственных условиях работает такое молекулярное сито? Всем известна ценная пластмасса полиэтилен. Он получается полимеризацией газа этилена. Но, чтобы получить хороший полиэтилен, газ должен быть очищен от примесей, в частности от углекислоты, которая не должна превышать одной десятитысячной доли процента. Раньше очистка достигалась очень сложным и дорогим путем. Сперва этилен промывался специальным раствором, который поглощал углекислоту, только сотые доли процента ее оставались в газе. Далее газ промывался щелочью для полного поглощения углекислоты.

Но и специальный раствор, и щелочь в небольших количествах оставались в газе, и для удаления этих остатков этилен промывался еще водой. После этого производилась сушка газа. При помощи молекулярного сита процесс осуществляется в одну стадию. Аппараты не подвергаются действию таких коррозионных веществ, как щелочь, влага; благодаря этому они работают долго и без ремонта.

Очистка протекает так. В две стальные колонны — адсорберы — загружается в виде слоя таблеток цеолит — носитель молекулярных сит. Колонны работают попеременно (одна работает, другая подвергается восстановлению). При прохождении этилена через слой молекулярных сит происходит поглощение молекул углекислоты. А чистый этилен направляется в цех полимеризаций. Когда углекислота заполнит все поры молекулярных сит в одной колонне, она выключается, и в работу вводится другая. Освобождение молекулярных сит от углекислоты производится с помощью подогретого метана. Так при малых капиталовложениях и высокой степени автоматизации процесса быстро очищается этилен от углекислоты. Методом молекулярных сит можно также очищать аргон от остатков кислорода, азот от углекислоты, водород от влаги.

Молекулярные сита прочно захватывают молекулы в свои поры и отдают их обратно лишь при нагревании. Это дает возможность использовать сита. В качестве своеобразных хранилищ, «контейнеров» для летучих огнеопасных, ядовитых газов и паров. С «замурованными» в молекулярном сите газами и парами легко и безопасно работать. Извлекаются они оттуда простым нагревом цеолита в тот момент и в том месте, где это необходимо. Можно также «зарядить» молекулярное сито ускорителем того или иного химического процесса, например при вулканизации каучуков, при отвердевании некоторых видов смол…

Автор: Ю. Давыдов.