Explorando o que é uma peneira molecular: Análise em profundidade

Introdução às peneiras moleculares

Os crivos moleculares tornaram-se cada vez mais uma parte integrante dos processos modernos de purificação e separação industrial. Por exemplo, o mercado global de peneiras moleculares, que foi avaliado em US$ 5,1 bilhões em 2020, atingirá mais de US$ 6,8 bilhões em 2026 (MarketsandMarkets, 2021), enfatizando a importância desses materiais no crescimento de vários setores. No entanto, o que é uma peneira molecular. Uma peneira molecular é um material muito esponjoso e, portanto, como possui poros, é capaz de adsorver partículas, mas desta vez restringindo os tipos de partículas pelo seu tamanho e polaridade. Devido a esta caraterística singular, é possível separar diferentes gases e líquidos. Assim, as peneiras moleculares são componentes essenciais numa miríade de indústrias devido à sua capacidade de separar diferentes gases e líquidos, incluindo a limpeza de gás natural e a produção de produtos químicos de elevada pureza.

Composição química e estrutura

Zeólitos e o seu papel nos crivos moleculares

A maioria dos crivos moleculares é composta por zeólitos sintéticos, que são materiais cristalinos cúbicos com uma estrutura de intrincados canais ocos. Estes zeólitos, definidos pela sua estrutura cristalina, constituem a maioria dos dessecantes de crivos moleculares devido às suas propriedades de adsorção específicas e avançadas. A determinação das posições relativas do alumínio, do silício e do oxigénio que ocorrem na estrutura cristalina do zeólito, tal como descrito na sua fórmula química, leva à formação de poros de tamanho igual adequados para a filtração de pequenas partículas com base no tamanho molecular.

De todos os zeólitos sintéticos disponíveis, as variantes têm diferentes dimensões de poros, referentes ao tamanho dos poros do crivo molecular, e caraterísticas de adsorção selectiva. Os tipos A, X e Y são alguns dos zeólitos mais populares utilizados nos dispositivos de peneira molecular. A modificação especializada da síntese dos zeólitos na conceção ajuda a permitir que esses zeólitos satisfaçam os requisitos de diferentes aplicações. Por exemplo, a geometria dos poros do zeólito tipo A pode ser modificada dependendo da relação Si:Al inicial, e assim a empresa produz peneiras moleculares de zeólito, 3A, 4A e 5A.

Tamanhos de poros e sua importância

A estrutura dos poros de uma peneira molecular é, de longe, o modo mais seletivo de distinguir entre diferentes peneiras. As dimensões dos poros são valores calculados em angstroms (Å) na gama de 3 Å a, por vezes, 10Å ou mais. As peneiras moleculares comerciais são geralmente fabricadas com classes individuais de tamanho de poro, que incluem: 3A (3 Å), 4A (4 Å), 5A (5Å) e 13X (10Å).

O tamanho dos poros das peneiras moleculares varia entre cerca de 3 e 10 angstroms (isto é, ridiculamente muito pequeno - estamos a falar da bilionésima parte de um metro). Os diferentes poros são feitos para interagir com determinadas moléculas. Diferentes tipos de peneiras moleculares têm diferentes diâmetros de poros para satisfazer determinados requisitos, tais como 3A, 4A, 5A e 13X, que são bastante populares. Por exemplo, a peneira molecular 3A consiste em tamanhos de poros que podem absorver moléculas de água, mas passam através de moléculas maiores. Como tal, a seletividade ajuda muito em aplicações como a secagem de gás ou o fracionamento de hidrocarbonetos. Esta pergunta pode ser respondida por estes tamanhos de poros, que são fundamentais para responder como funcionam as peneiras moleculares em diferentes processos na indústria.

Como funcionam as peneiras moleculares

O Mecanismo de Adsorção

A beleza das peneiras moleculares é que são capazes de adsorver moléculas mais pequenas através de um mecanismo conhecido como fisissorção. A quimisorção, por outro lado, envolve a formação de ligações químicas entre as moléculas e o adsorvente, enquanto a fisisorção envolve a utilização de forças fracas de van der Waals para atrair e manter as moléculas dentro dos poros da peneira molecular. Num dessecante de peneiro molecular, se um fluxo de gás ou líquido passar através dele, as moléculas mais pequenas do que o tamanho dos poros podem entrar nos poros e ficar retidas. As moléculas maiores, que não podem entrar nos poros, simplesmente contornam a superfície. Este processo de adsorção selectiva permite que os crivos moleculares removam seletivamente impurezas, humidade ou gases específicos da mistura e produzam um fluxo purificado.

Factores que influenciam a eficiência da adsorção

O desempenho de adsorção de uma peneira molecular é afetado por muitos factores. Um dos factores importantes é a temperatura; um aumento da temperatura diminui geralmente a adsorção, embora uma diminuição da temperatura aumente a adsorção. A pressão também é outro fator importante, sendo que pressões mais elevadas aumentam, em geral, a taxa de adsorção. A adsorção é também influenciada pela concentração das moléculas alvo no fluxo. Ou seja, se a concentração for aumentada, mais moléculas serão conduzidas para os poros.

As propriedades da própria peneira molecular, incluindo as dimensões dos poros, a área de superfície e o tamanho das esferas da peneira molecular, também afectam a eficiência do processo de adsorção. A área de superfície de adsorção é maior nas esferas mais pequenas, enquanto o poro maior não significa uma medida molecular menos eficiente, uma vez que a quantidade de moléculas que pode capturar será extensa. Melhorar estes aspectos para obter um determinado grau de purificação ou separação durante as aplicações industriais também é significativo.

Tipos de peneiras moleculares

Visão geral dos tipos comuns (3A, 4A, 5A, 13X)

Os crivos moleculares não têm uma solução universal. Embora os crivos tenham muitas propriedades fundamentais comuns, as suas diferenças justificam uma utilização diferente para cada tipo. Vamos examinar como são categorizados e quais são os mais utilizados. A primeira é a peneira molecular 3A, que tem um diâmetro de poro de cerca de 3 angstroms - a mais pequena de todas. Este tipo é ideal para a desidratação de líquidos e gases polares, uma vez que tem a capacidade de capturar moléculas de água, enquanto as moléculas maiores podem passar livremente.

Seguem-se as peneiras moleculares 4A e 5A, com poros um pouco mais largos. Estes são cavalos de batalha em muitas aplicações industriais, capazes de adsorver mais moléculas. O tipo 4A, por exemplo, é amplamente utilizado na desidratação de gás natural, enquanto o 5A pode ser utilizado para fracionar parafinas normais de hidrocarbonetos ramificados e cíclicos. Por último, mas não menos importante, a peneira molecular 13X é conhecida por ter os poros mais largos entre todos os outros tipos comerciais. Este facto facilita a adsorção de moléculas grandes, como o dióxido de carbono, de fluxos gasosos. O tipo 13x de peneira molecular também é amplamente aplicado em processos de separação de ar e também pode ser usado na remoção de compostos de enxofre do gás natural.

Peneiras moleculares de carbono e suas aplicações

Para além das peneiras moleculares à base de zeólito, as peneiras moleculares de carbono (CMS) também despertaram interesse devido às suas caraterísticas de adsorção distintas. Em contraste com os dessecantes de peneira molecular convencionais, que são geralmente inorgânicos, as peneiras moleculares de carbono são construídas com substâncias carbonáceas, por exemplo, carvão, cascas de coco e polímeros. A sua distribuição de poros é mais aleatória do que a dos zeólitos, com diâmetros de poros entre alguns angstrom e alguns nanómetros.

As CMS estão também incluídas em muitas indústrias, como a separação de gases, o sistema de purificação do ar para a recuperação de compostos orgânicos voláteis, etc. São especialmente úteis para a separação de azoto e oxigénio do ar e também para a absorção de compostos orgânicos voláteis das emissões de processos industriais. Além disso, os CMS podem ser utilizados em aplicações PSA para purificação de hidrogénio ou adsorção de CO2.

Aplicações industriais

Utilização em Petroquímica e Purificação de Gás

Uma destas várias indústrias é a indústria petrolífera, o que talvez não seja surpreendente. Estes filtros microscópicos são muito eficazes e eficientes quando se trata de purificar e separar vários gases e líquidos em refinarias e instalações de processamento. Isto é especialmente importante nos processos de refinação, e é por isso que o gás natural tem de ser tratado. O gás natural, quando extraído do poço, contém muitas vezes substâncias indesejadas, como vapor de água e dióxido de carbono, contribuindo para o teor global de água. Em conjunto com isto, as peneiras moleculares para remoção de água são utilizadas para secar o gás, evitando a corrosão das condutas e a formação de hidratos. Da mesma forma, as peneiras moleculares também podem ajudar na remoção de CO2 e iões metálicos, satisfazendo assim as especificações das condutas, mantendo a humidade relativa adequada e aumentando ainda mais o conteúdo energético do gás.

No entanto, este é apenas o início do que pode ser fornecido pelas peneiras moleculares. Este é também o caso das peneiras moleculares, na medida em que são utilizadas na produção de hidrogénio de elevada pureza, necessária para muitos processos de refinação. A utilização de sistemas de adsorção por oscilação de pressão (PSA) permitiu a adição de peneiras moleculares que removem impurezas, incluindo pequenas moléculas, no hidrogénio gasoso até um valor de 99,9%. Durante a produção de olefinas, como o etileno e o propileno, as peneiras moleculares eliminam os contaminantes que podem causar envenenamento do catalisador nas fases seguintes do processo. A multifuncionalidade dos crivos moleculares para lidar com vários tipos de moléculas torna-os essenciais na indústria, uma vez que os produtos petroquímicos são significativamente mais complicados.

Aplicações nas indústrias farmacêutica e alimentar

Os crivos moleculares são amplamente utilizados nas indústrias farmacêutica e alimentar, uma vez que existe uma maior necessidade de proteger a qualidade e a segurança do produto. Na indústria farmacêutica, os crivos moleculares são utilizados nos solventes para os secar, nas matérias-primas para remover a humidade e para purificar os ingredientes farmacêuticos activos (API). Estes medicamentos permanecem estáveis e eficazes, uma vez que a degradação por humidade é evitada.

Os crivos moleculares desempenham um papel fundamental nas indústrias alimentares, onde os óleos comestíveis têm de ser secos, as impurezas, como os açúcares e os xaropes, têm de ser tratadas e os produtos alcoólicos têm de ser purificados. Com a sua ajuda, a duração insuperável do prazo de validade dos produtos, o melhor sabor dos produtos e todos os regulamentos de proteção alimentar são cumpridos. Além disso, um dessecante de peneira molecular para a embalagem de produtos alimentares controla o nível de humidade na embalagem para evitar a deterioração dos produtos alimentares.

Seleção da peneira molecular correta

Considerações baseadas no tamanho do poro e no tipo de molécula

Para selecionar eficazmente um crivo molecular específico, é necessário ter em conta a dimensão e a forma dos poros das moléculas-alvo específicas. Os poros de um crivo molecular específico devem ser concebidos de acordo com o tamanho das moléculas pretendidas. Se a dimensão dos poros for demasiado pequena, as moléculas visadas não conseguirão penetrar no crivo e ser adsorvidas. Pelo contrário, se os poros de segmentação forem demasiado grandes, os poros de segmentação também adsorverão moléculas indesejadas, o que terá impacto na eficiência do processo de separação. A polaridade das moléculas também entra em jogo quando se considera qual peneira molecular utilizar. A água e os álcoois, que são moléculas polares, tendem a ocupar espaço no zeólito de tipo A mais facilmente do que outros adsorventes não polares. Os hidrocarbonetos não polares serão melhor absorvidos por crivos moleculares de silicalite ou carbono, que são estruturalmente lineares.

Adequação dos tipos de crivos às necessidades industriais

Diferentes sectores utilizam peneiras moleculares de diferentes tipos, dependendo dos processos específicos e das purezas a alcançar. No sector petroquímico, uma vez que a eliminação da humidade é imperativa, são utilizados dessecantes de crivos moleculares com poros de tamanho 3A ou 4A. No caso da purificação do gás natural, as peneiras moleculares 4A são preferidas, uma vez que podem extrair dióxido de carbono e sulfureto de hidrogénio. No caso do sector farmacêutico, onde a secagem de solventes é frequentemente necessária, os crivos 3A são comuns. Para a separação de gases como o azoto ou o oxigénio, que são necessários em estado puro, são utilizados eficazmente vários zeólitos 13X. Na indústria alimentar, pode ser necessário utilizar uma combinação de mais do que um tipo de crivo molecular, uma vez que a utilização pode variar consoante, por exemplo, 3A para a secagem de óleos e 4A para a decantação de açúcares.

Vantagens dos crivos moleculares

Elevada capacidade de adsorção

Talvez a principal desvantagem no que respeita à utilização de peneiras moleculares seja a elevada capacidade de adsorção. Vale a pena comparar com outros absorventes, como o gel de sílica ou a alumina activada, que, por conseguinte, adsorvem menos humidade ou moléculas alvo numa determinada unidade de massa. Esta elevada capacidade resulta da área de superfície porosa e elevada do material adsorvente.

A elevada capacidade de adsorção das peneiras moleculares tem várias vantagens em qualquer processo de fabrico. Significa que o nível de purificação exigido pode ser alcançado com menores quantidades de dessecantes de crivo molecular, reduzindo assim as quantidades de material e as dimensões do equipamento. Os materiais adsorventes verdes serão, por conseguinte, mais eficientes do ponto de vista económico, enquanto os processos não térmicos garantirão danos mínimos nos materiais. Uma capacidade elevada significa também períodos mais longos de funcionamento entre regeneração ou substituição, reduzindo assim o tempo de paragem e optimizando o processo.

Regeneração e reutilização

Outra caraterística positiva notável dos crivos moleculares é a sua capacidade de serem recuperados e utilizados novamente. Alguns adsorventes são utilizados uma vez e deitados fora. No entanto, este não é o caso dos crivos moleculares, uma vez que podem ser regenerados através de sistemas de aquecimento ou de oscilação de pressão, o que permite a dessorção das moléculas adsorvidas e a recuperação da capacidade de adsorção.

Os métodos de regeneração térmica envolvem o aumento da temperatura da adsorção saturada para mais de 200 graus Celsius, de modo a que as moléculas adsorvidas sejam removidas. A regeneração por adsorção por oscilação de pressão (PSA) implica a aplicação de um ciclo de pressão juntamente com um ciclo de vácuo no crivo molecular. Devido a este ciclo entre as fases de adsorção e dessorção, os crivos moleculares podem ser utilizados várias vezes, diminuindo assim os resíduos e as despesas de funcionamento.

Desafios e soluções

Lidar com contaminantes

Apesar do facto de as peneiras moleculares serem muito eficientes naquilo para que foram concebidas, não são invulneráveis a problemas. Um dos maiores desafios é o manuseamento de contaminantes que podem afetar a eficiência dos dispositivos a longo prazo. Algumas das moléculas, como as maiores ou as de elevada polaridade, podem ficar fortemente adsorvidas e, por conseguinte, difíceis de dessorver durante a regeneração normal. Isto pode resultar numa redução progressiva da capacidade e da eficácia do crivo. Por vezes, os contaminantes podem também obstruir os poros, impedindo assim o acesso aos locais de adsorção internos.

Bem, como é que lidamos com este desafio? Uma delas é o pré-tratamento do fluxo de alimentação para minimizar a possibilidade de os contaminantes chegarem à peneira molecular. Isso pode incluir o uso de filtros ou outras técnicas de separação a montante. Outra abordagem é empregar uma série de peneiras moleculares de diferentes tipos em sequência, cada uma delas concebida para remover determinadas impurezas. Também é possível monitorizar o desempenho da peneira e determinar quando é necessária uma regeneração ou substituição mais intensiva. Em alguns casos, é possível aplicar métodos de regeneração específicos, incluindo a lavagem química ou o aumento da temperatura e a manutenção do crivo durante mais tempo.

Otimização das condições para uma eficiência máxima

A utilização adequada das peneiras moleculares não depende apenas da sua seleção correta, mas também do funcionamento adequado da peneira. Factores como a temperatura, a pressão, o caudal e a concentração das moléculas alvo determinam o grau de desempenho de cada peneira molecular. Sabe-se, por exemplo, que as temperaturas elevadas tendem a diminuir a capacidade de adsorção, o que, no entanto, pode aumentar a velocidade de adsorção e melhorar o desempenho global dos sistemas dinâmicos.

Para atingir estas condições, são normalmente necessárias soluções de compromisso. Nos sistemas de adsorção por oscilação de pressão, por exemplo, uma pressão de trabalho mais elevada durante a fase de adsorção pode também conduzir a uma melhoria do desempenho do sistema devido à sua capacidade relativamente ao adsorvato envolvido no processo. Muitas vezes, é este o caso em que é necessário encontrar um procedimento de separação ótimo em termos de eficiência máxima de separação com custos operacionais mais baixos. Normalmente, isto requer que a modelação teórica seja combinada com experiências práticas. Os sistemas avançados de automatização de processos permitem manter os parâmetros de trabalho adequados nos processos industriais, alterando-os em função da composição da alimentação e do produto desejado em tempo real, e monitorizando essas alterações. À medida que temos vindo a aperfeiçoar os nossos conhecimentos sobre o comportamento das peneiras moleculares, temos vindo a encontrar cada vez mais opções sobre a forma de explorar melhor estes materiais.

Peneiras moleculares vs. outros dessecantes

Análise comparativa com sílica gel e alumina activada

Quando se trata de secagem de gases e líquidos, pode ter-se a certeza de que as peneiras moleculares não são o único jogo na cidade. Outros materiais novos e amplamente utilizados são a alumina activada e o gel de sílica. Então, como é que estes se comportam? Comecemos com estes dois tipos de peneira molecular e gel de sílica para comparação. O gel de sílica é famoso pela sua retenção de água a níveis de humidade mais elevados e também pela capacidade de ser regenerado a baixas temperaturas. É, no entanto, menos dispendiosa do que as peneiras moleculares. É por isso que é mais suave com materiais delicados. Por outro lado, os crivos moleculares têm um elevado grau de capacidade de absorção de água, mas podem atingir pontos de orvalho muito mais baixos na secagem, o que os torna ideais na maioria dos processos que exigem uma secagem quase completa.

No entanto, no caso da alumina activada, esta situa-se algures entre o gel de sílica e o crivo molecular. É melhor do que o gel de sílica mas inferior aos crivos moleculares. Um dos pontos fortes da alumina activada é o seu potencial para remover mais do que apenas água. As resinas de permuta iónica são úteis em situações em que é necessária a remoção de mais do que um tipo de impureza. Embora seja evidente que a alumina activada tem as suas limitações e desvantagens em termos do teor de humidade do ar ambiente e na separação de moléculas de diferentes tamanhos, é aqui que entram os crivos moleculares.

Conclusão

Em suma, as peneiras moleculares podem ser consideradas como materiais fantásticos que mudaram muitas indústrias devido às suas caraterísticas de adsorção selectiva. Dentro das estruturas complexas dos zeólitos e de uma variedade de tamanhos de poros, os dessecantes de peneira molecular fornecem um forte meio de secagem, limpeza e separação.

Compreender os princípios básicos dos crivos moleculares, incluindo a sua composição química e as noções básicas sobre como melhorar a sua utilização na indústria é uma atividade importante. Para tal, é necessário utilizar a variedade adequada de crivos moleculares, a forma e o tamanho dos poros, e essas moléculas devem ser adaptadas a uma aplicação industrial específica para serem eficazes.