ตะแกรงโมเลกุลเป็นวัสดุที่มีรูพรุน (รูเล็กมาก) ที่มีขนาดสม่ำเสมอ

ตะแกรงโมเลกุลเป็นวัสดุที่มีรูพรุน (รูเล็กมาก) ที่มีขนาดสม่ำเสมอ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเหล่านี้มีขนาดใกล้เคียงกับโมเลกุลขนาดเล็ก ดังนั้นโมเลกุลขนาดใหญ่จึงไม่สามารถเข้าไปหรือถูกดูดซับได้ ในขณะที่โมเลกุลขนาดเล็กกว่าสามารถเข้าไปได้ เมื่อโมเลกุลผสมเคลื่อนที่ผ่านชั้นของสารกึ่งแข็งที่มีรูพรุนซึ่งอยู่นิ่งซึ่งเรียกว่าตะแกรง (หรือเมทริกซ์) ส่วนประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงสุด (ซึ่งไม่สามารถผ่านเข้าไปในรูพรุนของโมเลกุลได้) จะออกจากชั้นก่อน ตามด้วยโมเลกุลขนาดเล็กลงตามลำดับ ตะแกรงโมเลกุลบางชนิดใช้ในโครมาโทกราฟีแบบแยกตามขนาด ซึ่งเป็นเทคนิคการแยกที่คัดแยกโมเลกุลตามขนาด ตะแกรงโมเลกุลชนิดอื่นใช้เป็นสารดูดความชื้น (ตัวอย่างบางส่วน ได้แก่ ถ่านกัมมันต์และซิลิกาเจล)
เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนของตะแกรงโมเลกุลวัดเป็นอองสตรอม (Å) หรือนาโนเมตร (nm) ตามสัญกรณ์ของ IUPAC วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็กจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนน้อยกว่า 2 นาโนเมตร (20 Å) และวัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนมากกว่า 50 นาโนเมตร (500 Å) ดังนั้นหมวดหมู่ที่มีรูพรุนขนาดกลางจะอยู่ตรงกลาง โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนอยู่ระหว่าง 2 ถึง 50 นาโนเมตร (20–500 Å)
วัสดุ
ตะแกรงโมเลกุลอาจเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก, มีรูพรุนระดับเมโส หรือเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่
วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก (
●ซีโอไลต์ (แร่อะลูมิโนซิลิเกต อย่าสับสนกับอะลูมิเนียมซิลิเกต)
●LTA ซีโอไลต์: 3–4 Å
●กระจกพรุน: 10 Å (1 นาโนเมตร) ขึ้นไป
●คาร์บอนที่ใช้งาน: 0–20 Å (0–2 นาโนเมตร) และขึ้นไป
●ดินเหนียว
●มอนต์มอริลโลไนต์ผสมกัน
●ฮัลลอยไซต์ (เอ็นเดลไลต์): พบรูปแบบทั่วไป 2 แบบ เมื่อดินถูกทำให้ชื้นแล้ว จะมีระยะห่างระหว่างชั้น 1 นาโนเมตร และเมื่อถูกทำให้แห้ง (เมตาฮัลลอยไซต์) จะมีระยะห่างระหว่างชั้น 0.7 นาโนเมตร ฮัลลอยไซต์เกิดขึ้นตามธรรมชาติในรูปทรงกระบอกขนาดเล็ก โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 30 นาโนเมตร โดยมีความยาวระหว่าง 0.5 ถึง 10 ไมโครเมตร
วัสดุที่มีรูพรุนระดับเมโส (2–50 นาโนเมตร)
ซิลิกอนไดออกไซด์ (ใช้ทำซิลิกาเจล): 24 Å (2.4 นาโนเมตร)
วัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ (>50 นาโนเมตร)
ซิลิกาที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ 200–1000 Å (20–100 นาโนเมตร)
แอปพลิเคชัน[แก้ไข]
ตะแกรงโมเลกุลมักใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทำให้ก๊าซแห้ง ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) จำเป็นต้องลดปริมาณน้ำในก๊าซให้น้อยกว่า 1 ppmv เพื่อป้องกันการอุดตันที่เกิดจากน้ำแข็งหรือมีเทนคลัทเรต
ในห้องปฏิบัติการ ตะแกรงโมเลกุลจะถูกใช้ในการทำให้ตัวทำละลายแห้ง "ตะแกรง" ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคนิคการทำให้แห้งแบบดั้งเดิม ซึ่งมักใช้สารดูดความชื้นที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง
ภายใต้คำว่าซีโอไลต์ ตะแกรงโมเลกุลถูกนำมาใช้ในการประยุกต์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่หลากหลาย โดยทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาไอโซเมอร์ แอลคิเลชัน และอีพอกซิเดชัน และใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เช่น การแตกร้าวด้วยไฮโดรแคร็กกิ้งและการแตกร้าวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาของไหล
นอกจากนี้ยังใช้ในการกรองอากาศสำหรับอุปกรณ์ช่วยหายใจ เช่น อุปกรณ์ที่นักดำน้ำและนักดับเพลิงใช้ ในการใช้งานดังกล่าว อากาศจะถูกส่งผ่านเครื่องอัดอากาศและผ่านตัวกรองตลับกรอง ซึ่งขึ้นอยู่กับการใช้งาน โดยจะเติมด้วยตะแกรงโมเลกุลและ/หรือคาร์บอนกัมมันต์ ซึ่งสุดท้ายจะถูกใช้เพื่อชาร์จถังอากาศหายใจ การกรองดังกล่าวสามารถขจัดอนุภาคและผลิตภัณฑ์ไอเสียจากเครื่องอัดอากาศออกจากแหล่งจ่ายอากาศหายใจได้
ได้รับการอนุมัติจาก อย.
ณ วันที่ 1 เมษายน พ.ศ. 2555 สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐฯ ได้อนุมัติโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตสำหรับการสัมผัสโดยตรงกับรายการสิ้นเปลืองภายใต้ 21 CFR 182.2727 ก่อนการอนุมัติครั้งนี้ สหภาพยุโรปได้ใช้ตะแกรงโมเลกุลกับผลิตภัณฑ์ยา และการทดสอบอิสระแนะนำว่าตะแกรงโมเลกุลเป็นไปตามข้อกำหนดของรัฐบาลทั้งหมด แต่ภาคอุตสาหกรรมไม่เต็มใจที่จะจ่ายเงินสนับสนุนการทดสอบราคาแพงที่จำเป็นสำหรับการอนุมัติของรัฐบาล
การฟื้นคืนชีพ
วิธีการสร้างใหม่ของตะแกรงโมเลกุล ได้แก่ การเปลี่ยนความดัน (เช่นในเครื่องเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจน) การให้ความร้อนและการไล่อากาศด้วยก๊าซพาหะ (เช่นเมื่อใช้ในการขจัดน้ำเอธานอล) หรือการให้ความร้อนภายใต้สุญญากาศสูง อุณหภูมิในการสร้างใหม่จะอยู่ระหว่าง 175 °C (350 °F) ถึง 315 °C (600 °F) ขึ้นอยู่กับประเภทของตะแกรงโมเลกุล ในทางตรงกันข้าม ซิลิกาเจลสามารถสร้างใหม่ได้โดยการให้ความร้อนในเตาอบปกติที่อุณหภูมิ 120 °C (250 °F) เป็นเวลา 2 ชั่วโมง อย่างไรก็ตาม ซิลิกาเจลบางประเภทจะ "แตก" เมื่อสัมผัสกับน้ำในปริมาณที่เพียงพอ ซึ่งเกิดจากการแตกของทรงกลมซิลิกาเมื่อสัมผัสกับน้ำ

แบบอย่าง	เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน (อังสตรอม)	ความหนาแน่นรวม (กรัม/มล.)	น้ำที่ถูกดูดซับ (% น้ำหนัก/น้ำหนัก)	การสึกกร่อนหรือการเสียดสี(% น้ำหนัก/น้ำหนัก)	การใช้งาน
3Å	3	0.60–0.68	19–20	0.3–0.6	การทำให้แห้งของการแตกร้าวของปิโตรเลียมก๊าซและแอลคีน การดูดซับ H2O แบบเลือกในกระจกฉนวน (IG)และโพลียูรีเทน การทำให้แห้งเชื้อเพลิงเอธานอลเพื่อผสมกับน้ำมันเบนซิน
4Å	4	0.60–0.65	20–21	0.3–0.6	การดูดซับน้ำในโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตซึ่งได้รับการรับรองจาก FDA (ดูด้านล่าง) ใช้เป็นตะแกรงโมเลกุลในภาชนะทางการแพทย์เพื่อรักษาเนื้อหาให้แห้งและเป็นสารเติมแต่งอาหารมีหมายเลขอีE-554 (สารป้องกันการจับตัวเป็นก้อน) นิยมใช้สำหรับการขจัดน้ำแบบสถิตในระบบของเหลวหรือก๊าซแบบปิด เช่น ในบรรจุภัณฑ์ยา ส่วนประกอบไฟฟ้า และสารเคมีที่เน่าเสียง่าย การกำจัดน้ำในระบบการพิมพ์และพลาสติก และการอบแห้งไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว สารที่ดูดซับได้ ได้แก่ SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 และ C3H6 โดยทั่วไปถือว่าเป็นสารทำให้แห้งสากลในสื่อที่มีขั้วและไม่มีขั้ว[12]การแยกของก๊าซธรรมชาติและแอลคีนการดูดซับน้ำในสารที่ไม่ไวต่อไนโตรเจนโพลียูรีเทน
5 Å-DW กว้าง	5	0.45–0.50	21–22	0.3–0.6	การขจัดไขมันและลดจุดเทของการบิน น้ำมันก๊าดและดีเซลและการแยกแอลคีน
5Å ออกซิเจนเสริมขนาดเล็ก	5	0.4–0.8	≥23		ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับเครื่องผลิตออกซิเจนทางการแพทย์หรือเพื่อสุขภาพจำเป็นต้องมีการอ้างอิง]
5Å	5	0.60–0.65	20–21	0.3–0.5	การทำให้แห้งและการฟอกอากาศ;การขาดน้ำและการกำจัดซัลเฟอร์ของก๊าซธรรมชาติและก๊าซปิโตรเลียมเหลว-ออกซิเจนและไฮโดรเจนผลิตโดยการดูดซับการแกว่งแรงดันกระบวนการ
10 เท่า	8	0.50–0.60	23–24	0.3–0.6	การดูดซับที่มีประสิทธิภาพสูง ใช้ในการทำให้แห้ง การกำจัดคาร์บอน การกำจัดซัลเฟอร์ออกจากก๊าซและของเหลว และการแยกไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก
13X	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	การทำให้แห้ง การกำจัดซัลเฟอร์และการทำให้บริสุทธิ์ของก๊าซปิโตรเลียมและก๊าซธรรมชาติ
13X-เอเอส	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	การกำจัดคาร์บอนและการทำให้แห้งในอุตสาหกรรมแยกอากาศ การแยกไนโตรเจนจากออกซิเจนในเครื่องผลิตออกซิเจน
คิว-13เอ็กซ์	10	0.50–0.60	23–24	0.3–0.5	การเพิ่มความหวาน(การลบออกของไทออล) ของน้ำมันเชื้อเพลิงการบินและสอดคล้องกันไฮโดรคาร์บอนเหลว

ความสามารถในการดูดซับ

3Å

สูตรเคมีโดยประมาณ: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O

อัตราส่วนซิลิกา-อะลูมินา: SiO2/ Al2O3≈2

การผลิต

ตะแกรงโมเลกุล 3A ผลิตขึ้นโดยการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของโพแทสเซียมสำหรับโซเดียมในตะแกรงโมเลกุล 4A (ดูด้านล่าง)

การใช้งาน

ตะแกรงโมเลกุล 3Å ไม่ดูดซับโมเลกุลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 3 Å ลักษณะเฉพาะของตะแกรงโมเลกุลเหล่านี้ ได้แก่ ความเร็วในการดูดซับที่รวดเร็ว ความสามารถในการสร้างใหม่บ่อยครั้ง ความต้านทานการบดที่ดี และความต้านทานต่อมลพิษคุณสมบัติเหล่านี้สามารถปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของตะแกรงได้ ตะแกรงโมเลกุล 3Å เป็นสารดูดความชื้นที่จำเป็นในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและเคมีสำหรับการกลั่นน้ำมัน การเกิดพอลิเมอร์ และการทำให้แห้งด้วยก๊าซและของเหลวทางเคมี

ตะแกรงโมเลกุล 3Å ใช้ในการอบวัสดุต่างๆ เช่นเอธานอล, อากาศ,สารทำความเย็น-ก๊าซธรรมชาติและไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว. ส่วนหลังนี้รวมถึงก๊าซแตกร้าวอะเซทิลีน-เอทิลีน-โพรพิลีนและบิวทาไดอีน.

ตะแกรงโมเลกุล 3Å ใช้ในการแยกน้ำออกจากเอธานอล ซึ่งต่อมาสามารถนำไปใช้โดยตรงเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพหรือโดยอ้อมเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น สารเคมี อาหาร ยา และอื่นๆ เนื่องจากการกลั่นปกติไม่สามารถแยกน้ำทั้งหมด (ผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการจากการผลิตเอธานอล) ออกจากกระแสกระบวนการเอธานอลได้เนื่องจากการก่อตัวของอะเซโอโทรปเมื่อมีความเข้มข้นประมาณ 95.6 เปอร์เซ็นต์ตามน้ำหนัก ลูกปัดตะแกรงโมเลกุลจะถูกใช้เพื่อแยกเอธานอลและน้ำในระดับโมเลกุลโดยการดูดซับน้ำเข้าไปในลูกปัดและปล่อยให้เอธานอลผ่านได้อย่างอิสระ เมื่อลูกปัดเต็มไปด้วยน้ำแล้ว สามารถปรับอุณหภูมิหรือความดันได้ ทำให้สามารถปล่อยน้ำออกจากลูกปัดตะแกรงโมเลกุลได้[15]

ตะแกรงโมเลกุล 3Å ถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้อง โดยมีความชื้นสัมพัทธ์ไม่เกิน 90% ตะแกรงจะถูกปิดผนึกภายใต้ความดันที่ลดลง โดยจะเก็บไว้ให้ห่างจากน้ำ กรด และด่าง

4Å

สูตรเคมี : Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

อัตราส่วนซิลิกอน-อะลูมิเนียม: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

การผลิต

การผลิตตะแกรง 4Å ค่อนข้างตรงไปตรงมา เนื่องจากไม่ต้องการแรงดันสูงหรืออุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ โดยทั่วไปแล้ว สารละลายในน้ำโซเดียมซิลิเกตและโซเดียมอะลูมิเนตผสมกันที่อุณหภูมิ 80 °C ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการชุบตัวทำละลายจะ "เปิดใช้งาน" โดยการ "อบ" ที่อุณหภูมิ 400 °C ตะแกรง 4A ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของตะแกรง 3A และ 5Aการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของโซเดียมสำหรับโพแทสเซียม(สำหรับ 3A) หรือแคลเซียม(สำหรับ 5A)

การใช้งาน

ตัวทำละลายในการอบแห้ง

ตะแกรงโมเลกุล 4Å ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำให้ตัวทำละลายในห้องปฏิบัติการแห้ง ตะแกรงโมเลกุลสามารถดูดซับน้ำและโมเลกุลอื่นๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤตน้อยกว่า 4 Å เช่น NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 และ C2H4 ตะแกรงโมเลกุลใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำให้แห้ง กลั่น และบริสุทธิ์ของเหลวและก๊าซ (เช่น การเตรียมอาร์กอน)

 

สารเติมแต่งสารโพลีเอสเตอร์[แก้ไข]

ตะแกรงโมเลกุลเหล่านี้ใช้เพื่อช่วยผงซักฟอก เนื่องจากสามารถผลิตน้ำที่ปราศจากแร่ธาตุได้แคลเซียมการแลกเปลี่ยนไอออน กำจัดและป้องกันการสะสมของสิ่งสกปรก นิยมใช้ทดแทนฟอสฟอรัสตะแกรงโมเลกุล 4Å มีบทบาทสำคัญในการทดแทนโซเดียมไตรโพลีฟอสเฟตเป็นสารเสริมในผงซักฟอกเพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากผงซักฟอก นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นสบู่ตัวแทนการก่อตัวและในยาสีฟัน.

การบำบัดขยะอันตราย

ตะแกรงโมเลกุล 4Å สามารถกรองน้ำเสียที่มีประจุบวก เช่นแอมโมเนียมไอออน Pb2+, Cu2+, Zn2+ และ Cd2+ เนื่องจากมีความเฉพาะเจาะจงสูงสำหรับ NH4+ จึงทำให้สามารถนำไปใช้ในภาคสนามเพื่อต่อสู้กับการยูโทรฟิเคชั่นและผลกระทบอื่นๆ ในทางน้ำอันเนื่องมาจากไอออนแอมโมเนียมที่มากเกินไป ตะแกรงโมเลกุล 4Å ยังถูกนำมาใช้เพื่อกำจัดไอออนของโลหะหนักที่มีอยู่ในน้ำอันเนื่องมาจากกิจกรรมอุตสาหกรรมอีกด้วย

วัตถุประสงค์อื่น ๆ

การอุตสาหกรรมโลหะ:สารแยก, การแยก, การสกัดโพแทสเซียมในน้ำเกลือ,รูบิเดียม-ซีเซียมฯลฯ

อุตสาหกรรมปิโตรเคมี,ตัวเร่งปฏิกิริยา-สารดูดความชื้น, สารดูดซับ

เกษตรกรรม:สารปรับปรุงดิน

ยา : โหลดเงินซีโอไลต์สารต่อต้านเชื้อแบคทีเรีย

5Å

สูตรเคมี : 0.7CaO•0.30Na2O•Al2O3•2.0SiO2 •4.5H2O

อัตราส่วนซิลิกา-อะลูมินา: SiO2/ Al2O3≈2

การผลิต

ตะแกรงโมเลกุล 5A ผลิตขึ้นโดยการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของแคลเซียมสำหรับโซเดียมในตะแกรงโมเลกุล 4A (ดูด้านบน)

การใช้งาน

ห้า-อังสตรอมตะแกรงโมเลกุล (5Å) มักใช้ในปิโตรเลียมอุตสาหกรรมโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทำให้ก๊าซบริสุทธิ์และในห้องปฏิบัติการเคมีสำหรับการแยกสารประกอบและวัสดุเริ่มต้นปฏิกิริยาการอบแห้ง มีรูพรุนขนาดเล็กที่มีขนาดแม่นยำและสม่ำเสมอ และส่วนใหญ่ใช้เป็นตัวดูดซับสำหรับก๊าซและของเหลว

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 5 อังสตรอมใช้สำหรับทำให้แห้งก๊าซธรรมชาติพร้อมทำการแสดงการกำจัดซัลเฟอร์และการดีคาร์บอเนชั่นของก๊าซ นอกจากนี้ยังใช้แยกส่วนผสมของออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน และไฮโดรคาร์บอนจากน้ำมันและขี้ผึ้งออกจากไฮโดรคาร์บอนแบบกิ่งก้านและโพลีไซคลิกได้อีกด้วย

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 5 อังสตรอมจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้องด้วยความชื้นสัมพัทธ์น้อยกว่า 90% ในถังกระดาษแข็งหรือบรรจุภัณฑ์กล่องกระดาษแข็ง ตะแกรงโมเลกุลไม่ควรสัมผัสกับอากาศและน้ำโดยตรง ควรหลีกเลี่ยงกรดและด่าง

สัณฐานวิทยาของตะแกรงโมเลกุล

ตะแกรงโมเลกุลาร์มีรูปร่างและขนาดที่หลากหลาย แต่ลูกปัดทรงกลมมีข้อได้เปรียบเหนือรูปทรงอื่น ๆ เนื่องจากมีแรงดันตกต่ำกว่า ทนต่อการสึกกร่อนเนื่องจากไม่มีขอบคม และมีความแข็งแรงที่ดี กล่าวคือ ต้องใช้แรงกดทับต่อหน่วยพื้นที่สูงกว่า ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัดบางชนิดมีความจุความร้อนต่ำกว่า ดังนั้นจึงต้องใช้พลังงานน้อยกว่าในระหว่างการสร้างใหม่

ข้อดีอีกประการของการใช้ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัดคือความหนาแน่นของมวลรวมมักจะสูงกว่ารูปร่างอื่น ดังนั้น สำหรับการดูดซับที่มีความต้องการเท่ากัน ปริมาตรของตะแกรงโมเลกุลที่ต้องการจึงน้อยกว่า ดังนั้น ในขณะทำการขจัดคอขวด เราอาจใช้ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัด โหลดสารดูดซับได้มากขึ้นในปริมาตรเท่าเดิม และหลีกเลี่ยงการดัดแปลงภาชนะใดๆ