מסננת מולקולרית

חומר עם נקבוביות (חורים קטנים מאוד) בגודל אחיד

מסננת מולקולרית היא חומר עם נקבוביות (חורים קטנים מאוד) בגודל אחיד. קוטרי הנקבוביות הללו דומים בגודלם למולקולות קטנות, ולכן מולקולות גדולות אינן יכולות להיכנס או להיספג, בעוד שמולקולות קטנות יותר יכולות. כאשר תערובת של מולקולות נודדת דרך המצע הנייח של חומר נקבובי וחצי מוצק המכונה מסננת (או מטריקס), המרכיבים בעלי המשקל המולקולרי הגבוה ביותר (אשר אינם מסוגלים לעבור דרך הנקבוביות המולקולריות) עוזבים את המצע קודם, ולאחריהם מולקולות קטנות יותר ויותר. כמה מסננות מולקולריות משמשות בכרומטוגרפיה, טכניקת הפרדה שממיינת מולקולות על בסיס גודלן. מסננים מולקולריים אחרים משמשים כסופחי לחות (דוגמאות מסוימות כוללות פחם פעיל וסיליקה ג'ל).[1]

מכל אטום, שבדרך כלל ממולא עם סיליקה ג'ל ומסננים מולקולריים אחרים, משמש כסופח לחות במכלי תרופות כדי לשמור עליהן יבשות.
בקבוקונים של סיליקה מזופורית

הקוטר של מסננת מולקולרית נמדד ב- אנגסטרום (Å) או בנאנומטרים (nm). על פי סימון IUPAC, לחומרים מיקרופוריים יש קוטר נקבוביות של פחות מ-2 ננומטר (20 אנגסטרום) וחומרים מקרופוריים הם בעלי קוטר נקבוביות של יותר מ 50   ננומטר (500 Å); חומרים מזופוריים נמצאים אפוא באמצע עם קוטר נקבוביות בין 2 ל-50 ננומטר (20–500 Å).[2]

חומריםעריכה

מסנן מולקולרי יכול להיות חומר מיקרופורי, מזופורי, או מקרופורי.

חומר מיקרופורי (<2 ננומטר)עריכה

  • זאוליטים (מינרלים אלומינוסיליקט, אין להתבלבל עם סיליקט אלומיניום)
    • זאוליט LTA: 3–4 Å[3]
  • זכוכית נקבובית: 10 אנגסטרום (1 ננומטר), ומעלה
  • פחם פעיל: 0–20 אנגסטרום (2 ננומטר), ומעלה
  • חרסית
    • תערובות של מונטמורילוניט
      • הלויסייט (אנדלייט): שתי צורות נפוצות, שנמצאות כאשר החימר רטוב הוא מציג מרווח של 1 ננומטר בין השכבות וכאשר הוא מיובש (meta-halloysite) המרווח הוא 0.7   ננומטר. הלויסייט מתרחש באופן טבעי כצילינדרים קטנים בקוטר ממוצע של 30 ננומטר ובאורך בין 0.5 ל-10 מיקרומטר.[4]

חומר מזופורוסי (2–50 ננומטר)עריכה

חומר מקרופורי (> 50 ננומטר)עריכה

  • סיליקה מזופורית, 200-1000 אנגסטרום (20–100 ננומטר)[6]

יישומיםעריכה

מסננים מולקולריים משמשים לרוב בתעשיית הנפט, במיוחד לייבוש זרמי גז. לדוגמה, בתעשיית הגז הטבעי הנוזלי (LNG), יש להפחית את תכולת המים בגז לפחות מ-1 ppmv כדי למנוע חסימות הנגרמות על ידי קרח.

במעבדה משתמשים במנפות מולקולריות לייבוש ממסים. "מנפות" הוכחו כעדיפים על טכניקות ייבוש מסורתיות, אשר לרוב משתמשות בסופחי לחות אגרסיביים.

תחת המונח זאוליטים, מסננות מולקולריות משמשות למגוון רחב של יישומים קטליטיים. הם מזרזים איזומרציה, אלקילציה, ואפוקסידציה, והם משמשים בתהליכים תעשייתיים גדולים, כולל פיצוח פחמימנים ופיצוח קטליטי נוזלי.[7]

הם משמשים גם לסינון אספקת אוויר למכשירי נשימה, למשל אלו המשמשים צוללנים וכבאים. ביישומים מסוג זה אוויר מסופק על ידי מדחס אוויר ומועבר דרך מחסנית סינון אשר, תלוי ביישום, ממולאת במסננת מולקולרית ו / או בפחם פעיל, ולבסוף משמשת להטענת מכלי אוויר לנשימה. סינון כזה יכול להסיר חלקיקים ומוצרי פליטה של מדחס מאספקת האוויר לנשימה.

אישור ה-FDAעריכה

ה-FDA האמריקני אישר החל מ-1 באפריל 2012, את נתרן אלומינוסיליקט למגע ישיר עם פריטים מתכלים תחת 21 CFR 182.2727.[8] לפני אישור זה אירופה השתמשה במנפות מולקולריות עם תרופות, ובדיקות עצמאיות הציעו כי מסננות מולקולריות עומדות בכל הדרישות הממשלתיות אך התעשייה לא הייתה מוכנה לממן את הבדיקות היקרות הנדרשות לאישור הממשלה.[9]

התחדשותעריכה

שיטות להתחדשות של מסננות מולקולריות כוללות שינוי לחץ (כמו במרכזי חמצן), חימום וטיהור באמצעות גז נשא (כמו בשימוש בייבוש אתנול), או חימום בוואקום גבוה. טמפרטורות התחדשות נעות בין 175 מעלות צלזיוס ל-315 מעלות צלזיוס, תלוי בסוג המסננת המולקולרית.[10] לעומת זאת, ניתן לחדש סיליקה ג'ל על ידי חימום בתנור רגיל ל-120 מעלות צלזיוס (250 פרנהייט) למשך שעתיים. עם זאת, סוגים מסוימים של סיליקה ג'ל "יתפוצצו" כאשר הם נחשפים למספיק מים. הדבר נגרם כתוצאה משבירת כדוריות הסיליקה בעת מגע עם המים.[11]

יכולות ספיחהעריכה

מודל קוטר הנקבוביות (אנגסטרום) צפיפות גורפת (גרם / מ"ל) מים שנספגו (% w / w) התשה או שחיקה, W (% w / w) שימוש[12]
3 0.60–0.68 19-20 0.3–0.6 ייבוש גז ופיצוח נפט ואלקנים, ספיחה סלקטיבית של H 2 O בזכוכית מבודדת (IG) ופוליאוריתן
4 0.60–0.65 20-21 0.3–0.6 ספיחת מים בנתרן אלומינוסיליקט אשר מאושר על ידי ה-FDA המשמשים כמסננת מולקולרית במיכלים רפואיים בכדי לשמור על התכולה יבשה וכתוסף מזון בעל מספר E-554 (חומר נגד אפייה); מועדף להתייבשות סטטית במערכות נוזלים או גז סגורות, למשל באריזה של תרופות, רכיבים חשמליים וכימיקלים מתכלים; חיפוש מים במערכות דפוס ופלסטיק וייבוש זרמי פחמימנים רוויים. מיני הספוחה כוללים SO 2, CO 2, H 2 S, C 2 H 4, C 2 H 6, ו- C 3 H 6. נחשב בדרך כלל לסוכן ייבוש אוניברסלי בתקשורת קוטבית ולא קוטבית;[10] הפרדת גז טבעי ואלקנים, ספיחת מים בפוליאוריתן שאינו רגיש לחנקן
5Å-DW 5 0.45–0.50 21–22 0.3–0.6 ספיחת שומן ושפיכה נקודתית של נפט תעופה וסולר, והפרדת אלקנים
5Å מועשר בחמצן קטן 5 0.4–0.8 ≥23 תוכנן במיוחד למחולל חמצן רפואי או בריא [דרוש מקור]
5 0.60–0.65 20-21 0.3–0.5 ייבוש וטיהור אוויר; ייבוש ופירול גז טבעי ונפט נוזלי; ייצור חמצן ומימן בתהליך ספיחת לחץ
10X 8 0.50–0.60 23–24 0.3–0.6 יעילות ספיחה גבוהה, המשמשת לייבוש, דהקרבוניזציה, פירוש (Desulfurization) של גזים ונוזלים ולהפרדת פחמימנים ארומטיים.
13X 10 0.55–0.65 23–24 0.3–0.5 ייבוש, פירוש וטיהור גז נפט וגז טבעי
13X-AS 10 0.55–0.65 23–24 0.3–0.5 ייבוש ודהקרבוניזציה בתעשיית ההפרדה האווירית, הפרדת חנקן מחמצן במרכזי חמצן
Cu-13X 10 0.50–0.60 23–24 0.3–0.5 ממתיק (פינוי תולים) של דלק תעופתי ופחמימנים נוזליים תואמים

עריכה

  • פורמולה כימית משוערת: (K 2 O) (Na 2 O) ) • Al 2 O 3 • 2 SiO 2 • 9/2 H 2 O)
  • יחס סיליקה-אלומינה: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

הפקהעריכה

מסננות מולקולריות 3A מיוצרות על ידי חילופי קטיונים של סידן לנתרן במנפות מולקולריות 4A (ראה להלן)

שימושעריכה

מסננות מולקולריות 3Å לא סופגות מולקולות שקוטרן גדול מ-3 Å. המאפיינים של מסננות מולקולריות אלה כוללים מהירות ספיחה מהירה, יכולת התחדשות תכופה, התנגדות ריסוק טובה ועמידות בפני זיהום. תכונות אלו יכולות לשפר הן את היעילות ואת אורך חייה של במסננת. מסננות מולקולריות 3Å הן סופח הלחות הנחוץ בתעשיות נפט וכימיה לזיקוק נפט, פילמור (Polymerization) וייבוש עומק כימי של גזי-נוזלי.

מסננות מולקולריות 3Å משמשות לייבוש מגוון חומרים, כמו אתנול, אוויר, מקררים, גז טבעי ופחמימנים בלתי רווים. האחרונים כוללים גז פיצוח, אצטילן, אתילן, פרופילן ובוטדיאן.

מסננת מולקולרית 3Å משמשת לפינוי מים מאתנול, אשר מאוחר יותר יכולים לשמש ישירות כדלק ביולוגי או בעקיפין לייצור מוצרים שונים כמו כימיקלים, מזון, תרופות ועוד. מכיוון שזיקוק רגיל אינו יכול להוציא את כל המים (תוצר לוואי בלתי רצוי מייצור אתנול) מזרמי תהליך עיבוד אתנול כתוצאה מהיווצרות אזאוטרופה בריכוז של 95 אחוז, חרוזי מסננת מולקולרית משמשים להפרדת אתנול ומים ברמה מולקולרית על ידי ספיחת המים לתוך החרוזים ומאפשרים לאתנול לעבור בחופשיות. ברגע שהחרוזים מלאים במים, ניתן לטפל בטמפרטורה או בלחץ, מה שמאפשר לשחרר את המים מחרוזי המסננת המולקולרית.[13]

מסננות מולקולריות 3Å מאוחסנות בטמפרטורת החדר, עם לחות יחסית שאינה עולה על 90%. הם אטומים בלחץ מופחת, ומרחיקים אותם ממים, חומצות ואבקות.

עריכה

  • פורמולה כימית: Na 2 O • Al 2 O 3 • 2SiO 2 • 9 / 2H 2 O
  • יחס סיליקה-אלומינה: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

הפקהעריכה

ייצור 4Å הוא יחסית פשוט ואינו דורש לחץ גבוה או טמפרטורות גבוהות במיוחד. שילוב תמיסות מימיות של נתרן סיליקט ונתרן אלומינט בטמפרטורה של 80 ° צלזיוס ערבוב / עירור למשך זמן, ואז "הפעלה" על ידי "אפייה" ב-400 צלזיוס מסנני 4A משמשים כמקדים למנפות 3A ו-5A באמצעות חילופי קטיונים של נתרן לאשלגן (ל-3A) או לסידן (ל-5A).[14][15]

שימושעריכה

ייבוש ממסיםעריכה

מסננות מולקולריות 4Å נמצאות בשימוש נרחב לייבוש ממיסים במעבדה. הן יכולות לספוג מים ומולקולות אחרות בקוטר קריטי פחות מ-4 Å כגון NH 3, H 2 S, SO 2, CO 2, C 2 H 5 OH, C 2 H 6, ו- C 2 H 4. הן נמצאות בשימוש נרחב בייבוש, זיקוק וטיהור נוזלים וגזים (כגון הכנת ארגון).

 
בקבוק מסננות מולקולריות 4Å.

תוספי סוכן פוליאסטרעריכה

מסננות מולקולריות אלה משמשות לסיוע לחומרי ניקוי מכיוון שהן יכולות לייצר מים מפורזים באמצעות חילופי יונים של סידן, להסיר ולמנוע את הימצאות עפר. הם נמצאים בשימוש נרחב להחלפת זרחן. המסננת המולקולרית 4Å ממלאת תפקיד מרכזי בהחלפת נתרן טריפוליפוספט כעזר דטרגנט על מנת להפחית את ההשפעה הסביבתית של חומר הניקוי. זה יכול לשמש גם כחומר ליצירת סבון ומשחת שיניים.

טיפול בפסולת מזיקהעריכה

מסננות מולקולריות 4Å יכולות לטהר ביוב של מינים קטיוניים כמו יוני אמוניום, Pb 2+, Cu 2+, Zn 2+ ו- Cd 2+ . בשל הסלקטיביות הגבוהה ל- NH 4 + הם יושמו בהצלחה בתחום כדי להילחם בהסמכת יתר והשפעות אחרות בנתיבי מים בגלל כמות מוגזמת של יוני אמוניום. מסננות מולקולריות 4Å שימשו גם להסרת יוני מתכת כבדים שנמצאים במים עקב פעילויות תעשייתיות.

מטרות אחרותעריכה

  1. התעשייה המתכתית: סוכן הפרדה, הפרדה, מיצוי אשלגן מי מלח, רובידיום, צזיום וכו'.
  2. תעשייה פטרוכימית, זרז, סופח לחות, סופג.
  3. חקלאות: התניית אדמה.
  4. רפואה: העמסת סוכן אנטוליטריאלי של זאוליט כסף.

עריכה

  • פורמולה כימית: 0.7CaO • 0.30Na 2 O • Al 2 O 3 • 2.0SiO 2 • 4.5H 2 O
  • יחס סיליקה-אלומינה: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

הפקהעריכה

מסננות מולקולריות 5A מיוצרות על ידי חילופי קטיונים של אשלגן לנתרן במנפות מולקולריות 4A (ראה לעיל).

שימושעריכה

מסננות מולקולריות של חמישה אנגסטרום (5A) מנוצלת בתעשיית הנפט, במיוחד עבור הטיהור של זרמי גז במעבדה לכימיה להפרדת תרכובות וייבוש חומרי התחלת תגובה. הם מכילים נקבוביות זעירות בגודל מדויק ואחיד ומשמשים בעיקר כחומר סופג לגזים ונוזלים.

מסננות מולקולריות בגודל חמישה אנגסטרום משמשות לייבוש גז טבעי, יחד עם ביצוע desulfurization ו-decarbonation של גז. ניתן להשתמש בהם גם כדי להפריד תערובות של חמצן, חנקן ומימן, ופחמימני שעווה עם נפט ופחמימנים מסועפים ופוליציקליים.

מסננות אלו מאוחסנות בטמפרטורת החדר, עם לחות יחסית נמוכה מ־90% בחביות קרטון או באריזת קרטון. אין לחשוף את המסננות המולקולריות ישירות לאוויר ולמים, יש להימנע מחומצות ואלקליות.

בחירת מסננות מולקולריותעריכה

מסננות מולקולריות זמינות בצורות ובגדלים שונים. אך לחרוזים הכדוריים יש יתרון על פני צורות אחרות מכיוון שהם מציעים ירידת לחץ נמוכה יותר, הם עמידים בפני התשה מכיוון שאין להם שום קצוות חדים, ויש להם חוזק טוב, כלומר כוח הריסוק הנדרש לכל שטח יחידה גבוה יותר. מסננות מולקולריות מסוימות עם חרוזים מציעות קיבולת חום נמוכה יותר ובכך מורידות את דרישות האנרגיה במהלך התחדשות.

היתרון הנוסף של שימוש במנפות מולקולריות עם חרוזים הוא שצפיפות בתפזורת היא בדרך כלל גבוהה יותר מצורות אחרות, ולכן עבור אותה דרישת ספיחה נפח המסננת המולקולרית הנדרש הוא קטן יותר. לכן, בזמן מניעת צוואר בקבוק (de-bottlenecking), תוכלו להשתמש במנפות מולקולריות עם חרוזים כדי להעמיס יותר חומר ספיגה באותו נפח ולהימנע מכל שינוי בכלי.

ראו גםעריכה

קישורים חיצונייםעריכה

הערות שולייםעריכה

  1. ^ "Molecular Sieve Definition - Definition of Molecular Sieve - What Is a Molecular Sieve?". Chemistry.about.com. 18 בדצמבר 2013. אורכב מ-המקור ב-2014-02-21. בדיקה אחרונה ב-26 בפברואר 2014. 
  2. ^ J. Rouquerol (1994). "Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Report)" (free download pdf). Pure Appl. Chem. 66 (8): 1739–1758. doi:10.1351/pac199466081739. 
  3. ^ "COATED MOLECULAR SIEVE - Patent application". Faqs.org. 18 במרץ 2010. בדיקה אחרונה ב-26 בפברואר 2014. 
  4. ^ Brindley, George W. (1952). "Structural mineralogy of clays". Clays and Clay Minerals 1: 33–43. Bibcode:1952CCM.....1...33B. doi:10.1346/CCMN.1952.0010105free 
  5. ^ "Desiccant Types". SorbentSystems.com. בדיקה אחרונה ב-26 בפברואר 2014. 
  6. ^ Mann, B. F.; Mann, A. K. P.; Skrabalak, S. E.; Novotny, M. V. (2013). "Sub 2-μm Macroporous Silica Particles Derivatized for Enhanced Lectin Affinity Enrichment of Glycoproteins". Analytical Chemistry 85 (3): 1905–1912. PMC 3586544. PMID 23278114. doi:10.1021/ac303274w. 
  7. ^ Pujadó, P. R.; Rabó, J. A.; Antos, G. J.; Gembicki, S. A. (11 במרץ 1992). "Industrial catalytic applications of molecular sieves". Catalysis Today 13 (1): 113–141. doi:10.1016/0920-5861(92)80191-O. 
  8. ^ "Sec. 182.2727 Sodium aluminosilicate". U.S. Food and Drug Administration. 1 באפריל 2012. בדיקה אחרונה ב-10 בדצמבר 2012. 
  9. ^ "Molecular Sieve Desiccant". DesiccantPacks.net. בדיקה אחרונה ב-26 בפברואר 2014. 
  10. ^ 1 2 "Molecular Sieves". Sigma-Aldrich. בדיקה אחרונה ב-26 בפברואר 2014. 
  11. ^ Spence Konde, "Preparation of High-Silica Zeolite Beads From Silica Gel," retrieved 2011-09-26
  12. ^ "Molecular Sieve,yiyuan Molecular Sieves". Chemicalpackingcorp.com. בדיקה אחרונה ב-26 בפברואר 2014. 
  13. ^ "Hengye Inc". Hengye Inc.. Hengye Inc.. בדיקה אחרונה ב-10 ביולי 2015. 
  14. ^ Zeochem
  15. ^ Intraglobal