Molekularsiebe. Mehr als nur Trockenmittel.
Molekularsiebe sind in vielen industriellen Anwendungen unabdingbar. Welche wichtigen Funktionen die kleinen Kugeln übernehmen, erfahren Sie hier.
Was sind Molekularsiebe?
Molekularsiebe sind Zeolithe, die aus kristallinen Aluminosilikaten bestehen. Sie entstehen, wenn Siliziumdioxid und Aluminiumoxid ein dreidimensionales Kristallgitter aus Tetraedern bilden.
Der Name gibt Hinweise auf die Funktion: Molekularsiebe filtern Moleküle wie ein Sieb. Mit den Kristallgittern bilden sich unzählige Hohlräume, die nur über strikt definierte Poren zugänglich sind. Moleküle, die klein genug sind, gelangen in die Hohlräume und werden aufgenommen, größere Moleküle bleiben draußen. So wird eine selektive Stofftrennung nach Molekülgröße ermöglicht.
Luft, Gase oder Lösungsmittel
Enthalten Wasserdampf, CO₂, organische Komponenten oder andere Moleküle, die entfernt werden müssen.
Molekularsieb
Molekularsiebe verfügen über präzise definierte Poren und eine enorm große, polare Oberfläche. Sie ziehen physikalisch Wasser und andere Moleküle an und binden sie – ganz ohne den Einsatz von Chemikalien.
Stoffe sind gebunden.
Die zu entfernenden Moleküle (z. B. Feuchtigkeit) bleiben an der Oberfläche der Granulate gebunden und können erfolgreich zurückgehalten oder getrennt werden.
Wie werden Moleküle aufgenommen?
Adsorption
= physikalische Wechselwirkung
Moleküle lagern sich in den Poren auf ihrer Oberfläche an, wo sie dank physikalischer Wechselwirkungen festgehalten werden (Physisorption).
Vor allem polare Wassermoleküle gehen dank der elektrostatischen Anziehung eine temporäre Bindung mit der polaren Oberfläche der Molekularsiebe ein.
Molekularsiebe nehmen Moleküle durch das Prinzip der Adsorption auf. Auf einer Oberfläche von bis zu 1250m² pro Gramm Material bilden sich unzählige Poren, in denen sich Moleküle anlagern können – das sind fast fünf Tennisplätze auf einer Fingerspitze. Insbesondere polare Moleküle werden durch van-der-Waals-Kräfte und Dipol-Wechselwirkungen an der Oberfläche des Zeoliths angezogen.
Da es sich um einen physikalischen Vorgang handelt, ist dieser durch das Zuführen von (thermischer) Energie wieder reversibel und das Molekularsieb kann wiederverwendet werden.
Typische Einsatzfelder für Molekularsiebe.
Die Einsatzmöglichkeiten von Molekularsieb sind breit gefächert. Als zuverlässiges Trockenmittel schützt es empfindliche Anlagen und Produkte zuverlässig vor erheblichen Schäden durch Feuchtigkeit oder gewährleistet eine effektive Trennung von Molekülen in anspruchsvollen Adsorptionsprozessen.
Adsorptionstrockner
Wenn große industrielle Mengen Luft oder Gas getrocknet werden müssen, kommen häufig Adsorptionstrockner zum Einsatz.
Die Systeme bestehen aus zwei miteinander verbundenen Behältern, die mit Trockenmittel gefüllt sind, um das durch sie strömende Gas-/Luftgemisch zu trocknen.
Granulattrockner
Bestimmte Kunststoffe, wie PET, nehmen aktiv Feuchtigkeit auf.
Um feuchtigkeitsbedingte Schäden während der weiteren Verarbeitung zu verhindern, müssen die Kunststoffgranulate gründlich getrocknet werden.
Biomethan-Aufbereitung
Um Biogas in Biomethan aufzuwerten, müssen strenge Reinheitsanforderungen erfüllt werden.
Dies umfasst hauptsächlich die Adsorption von Restfeuchtigkeit, Kohlendioxid und Sauerstoff.
Vorteile gegenüber anderen Trockenmitteln und Adsorbentien.
Molekularsiebe sind besonders geeignet für drei Szenarien:
- Tiefentrocknung von Feuchtigkeit bis in den ppm-Bereich
- Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen von bis zu 200°C
- Selektive Adsorption von spezifischen Substanzen
Damit geht es nicht mehr nur um reine Feuchtigkeitskontrolle als Trockenmittel, sondern auch um die Adsorption weiterer Moleküle zur gezielten Stofftrennung.
Eigenschaft | Ton (Bentonit) | Calciumchlorid | Silicagel | Molekularsiebe | Aktiviertes Alumina |
|---|---|---|---|---|---|
Verwendung | Luftentfeuchtung | Luftentfeuchtung | Luftentfeuchtung | Selektive Adsorption, Tiefentwässerung | Selektive Adsorption, robuste Eigenschaften, Tiefentwässerung |
Feuchtigkeitsaufnahme | Moderat (~20%) | Sehr hoch (~200%) | Hoch (~35%) | Moderat (~25%) | Moderat (~20%) |
Form während der Adsorption | Quillt | Verflüssigt sich | Unverändert | Unverändert | Unverändert |
Reaktion mit anderen Substanzen | Bildet chemische Verbindungen | Bildet chemische Verbindungen | Chemisch inert | Chemisch inert | Chemisch inert |
Wiederverwendbar | Regenerierbar | Einmalgebrauch | Regenerierbar | Regenerierbar | Regenerierbar |
Wasserbeständig |
Das richtige Molekularsieb für Ihre Anforderungen wählen.
Selektivität nach Porengröße
In Molekularsieben werden gezielt Kationen in die Molekülstruktur eingebaut. Diese ragen je nach Typ unterschiedlich weit in die Poren hinein, was verschiedene, aber exakt definierten Porenöffnungen ergibt. Verwendet werden dafür Li⁺, Na⁺, Ca⁺ und K⁺ Kationen.
Molekularsieb | Kationen | Porengröße |
|---|---|---|
3A | Li⁺ | 3 Å |
4A | Na⁺ | 4 Å |
5A | Ca⁺ | 5 Å |
13X | K⁺ | 10 Å |
Mit diesen Molekularsieben können sie folgende Stoffe adsorbieren: Vollständige Übersicht
Feuchtigkeitsadsorption
Molekularsiebe erreichen eine sehr niedrige Restfeuchtigkeit im ppm-Bereich, die mit anderen Trockenmitteln wie z.B. Silicagel nicht möglich ist.
Verwendet wird dafür in der Regel der Typ 3A, der selektiv Wassermoleküle adsorbiert, während andere Stoffe in der Regel unbeeinflusst bleiben.
Für eine noch präzisere Trocknung kann das Molekularsieb Typ 13X verwendet werden. Dank seiner molekularen Käfigstruktur und großen Poren bindet es Wassermoleküle noch aggressiver und bietet eine höhere insgesamte Kapazität.
Körnungen
Die Größe der einzelnen Kugeln wirkt sich maßgeblich auf die Charakteristik des Adsorbens aus.
Feine Körnungen nehmen schnell Moleküle auf, sind jedoch anfälliger gegenüber Schäden unter anspruchsvollen Prozessbedingungen
Grobe Körnungen nehmen Moleküle langsamer auf, sind dafür aber deutlich stabiler – vor allem wenn sie hohem Druck ausgesetzt sind
Bindemittel
Werden in der Herstellung verwendet, um den Kugeln eine stabile Form zu verleihen – wie eine Art Kleber. Sie erhöhen die mechanische Festigkeit und die Lebensdauer der Zeolithe.
Bindemittelfreie Molekularsiebe haben eine maximierte Adsorptionsleistung, da ihre Oberfläche vollständig für die Adsorption von Molekülen bereit steht und nicht von Bindern verklebt ist. Gleichzeitig verlieren sie im Vergleich jedoch etwas an Formstabilität.