Молекулярне сито
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Молекули газів і парів різні за своїми розмірами. Наприклад, молекули метилового спирту або хлороформу у газоподібному стані в кілька разів більше молекули вуглекислоти, а молекула вуглекислоти, у свою чергу, більше молекули азоту. Остання ж має більші розміри, ніж молекули кисню або водню. Це-то і наштовхнуло вчених на думку скористатися для розділення газів ситами, аналогічно тим, які застосовуються для твердих сипучих тіл. Але як це здійснити? Адже навіть найтонші сита, через які проходить, наприклад, цинковий пил, мають отвори розміром у кілька тисячних часток сантиметра, а через паперові фільтри проходять віруси, які в 1000 разів більше молекул газів. Як же в такому випадку розділити за розмірами молекули газів і парів, величини яких менше стомільйонної частки сантиметра? Складне завдання. Але воно в даний час вирішене. Знайдено методи «відсіювання» одних молекул від інших за допомогою своєрідних молекулярних сит.
Що ж являють собою ці сита? Як у них утворюються отвори молекулярних розмірів? Матеріалом для найдрібніших сит служить штучно приготовлений алюмосилікат, який за своєю хімічною природою подібний мінеральним глинам або польовим шпатам. Такі мінерали називаються цеолітами. Кристали цеолітів містять воду. Але якщо нагріти цеоліт, то вода з нього віддаляється і, що дуже важливо, структура мінералу при цьому не зміниться. Зате виходять кристали, пронизані мережею пір молекулярних розмірів, розташованих у суворій послідовності. Ці природні «дірки» займають майже 50 відсотків загального обсягу кристала.
Пори молекулярного сита мають здатність захоплювати молекули води. Але якщо води в газі немає, то в них можуть заходити і утримуватися інші молекули. Правда, якщо в отвір звичайного сита проходять дрібні частинки, а більші утримуються в ньому, то тут, в надзвичайно пористій молекулярній речовині, навпаки, великі молекули проходять повз сита, а дрібні застрягають. Природно, що залежно від величини і хімічної природи молекул, які повинні бути відсіяні від суміші газів, виготовляються сита різного фізичного і хімічного характеру як для великих, так і для малих молекул.
Як же у виробничих умовах працює таке молекулярне сито? Всім відома цінна пластмаса поліетилен. Вона отримується полімеризацією газу етилену. Але, щоб отримати хороший поліетилен, газ повинен бути очищений від домішок, зокрема від вуглекислоти, яка не повинна перевищувати однієї десятитисячної частки відсотка. Раніше очищення досягалася дуже складним і дорогим шляхом. Спершу етилен промивався спеціальним розчином, який поглинав вуглекислоту, тільки соті частки відсотка її залишалися в газі. Далі газ промивалися лугом для повного поглинання вуглекислоти.
Але й спеціальний розчин, і луг в невеликих кількостях залишалися в газі, і для видалення цих залишків етилен промивався ще водою. Після цього проводилась сушка газу. За допомогою молекулярного сита процес здійснюється в одну стадію. Апарати не піддаються дії таких корозійних речовин, як луг, волога; завдяки цьому вони працюють довго і без ремонту.
Очищення протікає так. У дві сталеві колони – адсорбери – завантажується у вигляді шару таблеток цеоліт – носій молекулярних сит. Колони працюють поперемінно (одна працює, інша піддається відновленню). При проходженні етилену через шар молекулярних сит відбувається поглинання молекул вуглекислоти. А чистий етилен направляється в цех полімеризації. Коли вуглекислота заповнить всі пори молекулярних сит в одній колоні, вона вимикається, і в роботу вводиться інша. Звільнення молекулярних сит від вуглекислоти виробляється за допомогою підігрітого метану. Так при малих капіталовкладеннях і високого ступеня автоматизації процесу швидко очищається етилен від вуглекислоти. Методом молекулярних сит можна також очищати аргон від залишків кисню, азот від вуглекислоти, водень від вологи.
Молекулярні сита міцно захоплюють молекули в свої пори і віддають їх назад лише при нагріванні. Це дає можливість використовувати сита. В якості своєрідних сховищ, «контейнерів» для летючих вогненебезпечних, отруйних газів і парів. З «замурованими» у молекулярному ситі газами і парами легко і безпечно працювати. Витягуються вони звідти простим нагріванням цеоліту в той момент і в тому місці, де це необхідно. Можна також «зарядити» молекулярне сито прискорювачем того чи іншого хімічного процесу, наприклад при вулканізації каучуків, при твердінні деяких видів смол.
Автор: Ю. Давидов.