ตะแกรงโมเลกุลเป็นวัสดุที่มีรูพรุน (รูเล็กมาก) ที่มีขนาดสม่ำเสมอ

ตะแกรงโมเลกุลเป็นวัสดุที่มีรูพรุน (รูเล็กมาก) ที่มีขนาดสม่ำเสมอ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเหล่านี้มีขนาดใกล้เคียงกับโมเลกุลขนาดเล็ก ดังนั้นโมเลกุลขนาดใหญ่จึงไม่สามารถเข้าหรือดูดซับได้ ในขณะที่โมเลกุลขนาดเล็กเข้าไปได้ ในขณะที่ส่วนผสมของโมเลกุลเคลื่อนตัวผ่านเบดที่อยู่นิ่งของสารกึ่งแข็งที่มีรูพรุนซึ่งเรียกว่าตะแกรง (หรือเมทริกซ์) ส่วนประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงสุด (ซึ่งไม่สามารถผ่านเข้าไปในรูพรุนของโมเลกุล) จะออกจากเบดก่อน ตามมาด้วยโมเลกุลที่เล็กลงตามลำดับ ตะแกรงโมเลกุลบางชนิดใช้ในโครมาโทกราฟีแบบแยกขนาด ซึ่งเป็นเทคนิคการแยกโมเลกุลตามขนาด ตะแกรงโมเลกุลอื่นๆ ใช้เป็นสารดูดความชื้น (ตัวอย่างบางส่วน ได้แก่ ถ่านกัมมันต์และซิลิกาเจล)
เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนของตะแกรงโมเลกุลมีหน่วยเป็น ångströms (Å) หรือนาโนเมตร (nm) ตามสัญลักษณ์ IUPAC วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็กมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนน้อยกว่า 2 นาโนเมตร (20 Å) และวัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่มีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนมากกว่า 50 นาโนเมตร (500 Å) ประเภท mesoporous จึงอยู่ตรงกลางโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนระหว่าง 2 ถึง 50 นาโนเมตร (20–500 Å)
วัสดุ
ตะแกรงโมเลกุลอาจเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก มีโซพอรัส หรือมีรูพรุนขนาดใหญ่
วัสดุพรุน (
●ซีโอไลต์ (แร่ธาตุอลูมิโนซิลิเกต อย่าสับสนกับอะลูมิเนียมซิลิเกต)
●ซีโอไลต์ LTA: 3–4 Å
●กระจกที่มีรูพรุน: 10 Å (1 นาโนเมตร) ขึ้นไป
●ถ่านกัมมันต์: 0–20 Å (0–2 นาโนเมตร) ขึ้นไป
●ดินเหนียว
●มอนต์มอริลโลไนต์ผสมกัน
●ฮอลลอยไซต์ (เอนเดลไลต์): พบรูปแบบทั่วไปสองรูปแบบ คือ เมื่อดินถูกไฮเดรตจะมีระยะห่างของชั้นต่างๆ 1 นาโนเมตร และเมื่อถูกทำให้แห้ง (เมตา-ฮัลลอยไซต์) จะมีระยะห่าง 0.7 นาโนเมตร ฮอลลอยไซต์โดยธรรมชาติเกิดขึ้นเป็นทรงกระบอกขนาดเล็กซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 30 นาโนเมตร โดยมีความยาวระหว่าง 0.5 ถึง 10 ไมโครเมตร
วัสดุมีโซพอรัส (2–50 นาโนเมตร)
ซิลิคอนไดออกไซด์ (ใช้ทำซิลิกาเจล): 24 Å (2.4 นาโนเมตร)
วัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ (>50 นาโนเมตร)
ซิลิกาที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ 200–1000 Å (20–100 นาโนเมตร)
การใช้งาน[แก้ไข]
ตะแกรงโมเลกุลมักใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทำให้กระแสก๊าซแห้ง ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ปริมาณน้ำในก๊าซจะต้องลดลงเหลือน้อยกว่า 1 ppmv เพื่อป้องกันการอุดตันที่เกิดจากน้ำแข็งหรือมีเทนคลาเทรต
ในห้องปฏิบัติการ จะใช้ตะแกรงโมเลกุลเพื่อทำให้ตัวทำละลายแห้ง "ตะแกรง" ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเหนือกว่าเทคนิคการทำให้แห้งแบบดั้งเดิม ซึ่งมักใช้สารดูดความชื้นที่มีฤทธิ์รุนแรง
ภายใต้คำว่าซีโอไลต์ ตะแกรงโมเลกุลจะใช้สำหรับการเร่งปฏิกิริยาที่หลากหลาย พวกมันเร่งปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชัน อัลคิเลชัน และอิพอกซิเดชัน และใช้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ รวมถึงไฮโดรแคร็กกิ้งและแคร็กตัวเร่งปฏิกิริยาของของเหลว
นอกจากนี้ยังใช้ในการกรองแหล่งจ่ายอากาศสำหรับเครื่องช่วยหายใจ เช่น ที่ใช้โดยนักดำน้ำลึกและนักดับเพลิง ในการใช้งานดังกล่าว อากาศจะถูกส่งโดยเครื่องอัดอากาศและถูกส่งผ่านตัวกรองแบบคาร์ทริดจ์ ซึ่งขึ้นอยู่กับการใช้งาน จะเต็มไปด้วยตะแกรงโมเลกุลและ/หรือถ่านกัมมันต์ และสุดท้ายจะถูกนำมาใช้เพื่อชาร์จถังอากาศสำหรับหายใจ การกรองดังกล่าวสามารถกำจัดอนุภาคต่างๆ ได้ และผลิตภัณฑ์ไอเสียจากคอมเพรสเซอร์จากแหล่งจ่ายอากาศหายใจ
การอนุมัติจากองค์การอาหารและยา
ณ วันที่ 1 เมษายน 2012 FDA ของสหรัฐอเมริกาได้อนุมัติโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตสำหรับการสัมผัสโดยตรงกับสินค้าบริโภคภายใต้ 21 CFR 182.2727 ก่อนที่จะมีการอนุมัตินี้ สหภาพยุโรปได้ใช้ตะแกรงโมเลกุลกับเภสัชภัณฑ์ และการทดสอบอิสระแนะนำว่าตะแกรงโมเลกุลเป็นไปตามข้อกำหนดของรัฐบาลทั้งหมด แต่ อุตสาหกรรมไม่เต็มใจที่จะให้ทุนสำหรับการทดสอบราคาแพงที่จำเป็นสำหรับการอนุมัติจากรัฐบาล
การฟื้นฟู
วิธีการสร้างตะแกรงโมเลกุลใหม่ประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงความดัน (เช่น ในตัวสร้างออกซิเจน) การทำความร้อนและการไล่ออกด้วยแก๊สตัวพา (เช่นเมื่อใช้ในการคายน้ำเอธานอล) หรือการให้ความร้อนภายใต้สุญญากาศสูง อุณหภูมิการฟื้นฟูอยู่ระหว่าง 175 °C (350 °F) ถึง 315 °C (600 °F) ขึ้นอยู่กับประเภทของตะแกรงโมเลกุล ในทางตรงกันข้าม ซิลิกาเจลสามารถสร้างขึ้นใหม่ได้โดยการให้ความร้อนในเตาอบปกติที่อุณหภูมิ 120 °C (250 °F) เป็นเวลาสองชั่วโมง อย่างไรก็ตาม ซิลิกาเจลบางประเภทจะ "แตก" เมื่อสัมผัสกับน้ำที่เพียงพอ ซึ่งเกิดจากการแตกของซิลิกาทรงกลมเมื่อสัมผัสกับน้ำ

แบบอย่าง	เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน (อังสตรอม)	ความหนาแน่นรวม (กรัม/มิลลิลิตร)	น้ำดูดซับ (% น้ำหนัก/น้ำหนัก)	การขัดสีหรือการเสียดสี W(% น้ำหนัก/น้ำหนัก)	การใช้งาน
3Å	3	0.60–0.68	19–20	0.3–0.6	การผึ่งให้แห้งของการแตกตัวของปิโตรเลียมก๊าซและอัลคีน การดูดซับแบบเลือกสรรของ H2Oกระจกฉนวน (IG)และโพลียูรีเทนทำให้แห้งเชื้อเพลิงเอทานอลสำหรับผสมกับน้ำมันเบนซิน
4Å	4	0.60–0.65	20–21	0.3–0.6	การดูดซับน้ำเข้าโซเดียมอลูมิโนซิลิเกตซึ่งได้รับการรับรองจาก FDA (ดูด้านล่าง) ใช้เป็นตะแกรงโมเลกุลในภาชนะทางการแพทย์เพื่อให้เนื้อหาแห้งและเป็นวัตถุเจือปนอาหารมีหมายเลขอิเล็กทรอนิกส์E-554 (สารป้องกันการจับตัวเป็นก้อน); เหมาะสำหรับการทำแห้งแบบคงที่ในระบบของเหลวหรือก๊าซแบบปิด เช่น ในบรรจุภัณฑ์ยา อุปกรณ์ไฟฟ้า และสารเคมีที่เน่าเสียง่าย การไล่น้ำในระบบการพิมพ์และพลาสติก และการอบแห้งกระแสไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว สปีชีส์ที่ถูกดูดซับประกอบด้วย SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 และ C3H6 โดยทั่วไปถือว่าเป็นสารทำให้แห้งแบบสากลในตัวกลางที่มีขั้วและไม่มีขั้ว[12]การแยกของก๊าซธรรมชาติและอัลคีน,การดูดซับน้ำในสารที่ไม่ไวต่อไนโตรเจนยูรีเทน
5Å-DW	5	0.45–0.50	21–22	0.3–0.6	การขจัดคราบไขมันและจุดเทของการบิน น้ำมันก๊าดและดีเซลและการแยกแอลคีน
5Å ขนาดเล็กที่อุดมด้วยออกซิเจน	5	0.4–0.8	≥23		ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับเครื่องกำเนิดออกซิเจนทางการแพทย์หรือเพื่อสุขภาพจำเป็นต้องมีการอ้างอิง]
5Å	5	0.60–0.65	20–21	0.3–0.5	การผึ่งให้แห้งและการทำให้อากาศบริสุทธิ์การคายน้ำและการกำจัดกำมะถันของก๊าซธรรมชาติและก๊าซปิโตรเลียมเหลว-ออกซิเจนและไฮโดรเจนผลิตโดยการดูดซับแรงดันสวิงกระบวนการ
10X	8	0.50–0.60	23–24	0.3–0.6	การดูดซับที่มีประสิทธิภาพสูง ใช้ในการผึ่งให้แห้ง การแยกคาร์บอน การกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ของก๊าซและของเหลว และการแยกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน
13X	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	การผึ่งให้แห้ง การกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และการทำให้ก๊าซปิโตรเลียมและก๊าซธรรมชาติบริสุทธิ์
13X-AS	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	การกำจัดคาร์บอนและการผึ่งให้แห้งในอุตสาหกรรมแยกอากาศ การแยกไนโตรเจนจากออกซิเจนในหัวผลิตออกซิเจน
Cu-13X	10	0.50–0.60	23–24	0.3–0.5	การให้ความหวาน(การกำจัดไทออลส์) ของเชื้อเพลิงการบินและสอดคล้องกันไฮโดรคาร์บอนเหลว

ความสามารถในการดูดซับ

3Å

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

อัตราส่วนซิลิกา-อลูมินา: SiO2/ Al2O3µ2

การผลิต

3A ตะแกรงโมเลกุลผลิตโดยการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของโพแทสเซียมสำหรับโซเดียมในตะแกรงโมเลกุล 4A (ดูด้านล่าง)

การใช้งาน

ตะแกรงโมเลกุล 3Å ไม่ดูดซับโมเลกุลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 3 Å ลักษณะของตะแกรงโมเลกุลเหล่านี้ได้แก่ ความเร็วในการดูดซับที่รวดเร็ว ความสามารถในการงอกใหม่บ่อยครั้ง ความต้านทานการบดที่ดี และความต้านทานต่อมลภาวะ- คุณสมบัติเหล่านี้สามารถปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของตะแกรงได้ ตะแกรงโมเลกุล 3Å เป็นสารดูดความชื้นที่จำเป็นในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและเคมีสำหรับการกลั่นน้ำมัน การเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอร์ และการทำแห้งเชิงลึกของก๊าซเคมีและของเหลว

ตะแกรงโมเลกุล 3Å ใช้เพื่อทำให้วัสดุหลายประเภทแห้ง เช่นเอทานอล, อากาศ,สารทำความเย็น-ก๊าซธรรมชาติและไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว- ประการหลัง ได้แก่ ก๊าซแคร็กอะเซทิลีน-เอทิลีน-โพรพิลีนและบิวทาไดอีน.

ตะแกรงโมเลกุล 3Å ใช้เพื่อกำจัดน้ำออกจากเอทานอล ซึ่งสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพโดยตรงหรือโดยอ้อมในภายหลังเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น สารเคมี อาหาร ยา และอื่นๆ เนื่องจากการกลั่นแบบปกติไม่สามารถกำจัดน้ำทั้งหมด (ผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์จากการผลิตเอธานอล) ออกจากกระบวนการเอทานอลได้เนื่องจากการก่อตัวของอะซีโอโทรปที่ความเข้มข้นประมาณร้อยละ 95.6 โดยน้ำหนัก เม็ดบีดโมเลกุลจะถูกใช้เพื่อแยกเอทานอลและน้ำในระดับโมเลกุล โดยการดูดซับน้ำเข้าไปในเม็ดบีด และปล่อยให้เอทานอลผ่านได้อย่างอิสระ เมื่อเม็ดบีดเต็มไปด้วยน้ำ คุณสามารถปรับอุณหภูมิหรือความดันได้ เพื่อให้น้ำถูกปล่อยออกมาจากเม็ดบีดตะแกรงโมเลกุล[15]

ตะแกรงโมเลกุล 3Å จะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้อง โดยมีความชื้นสัมพัทธ์ไม่เกิน 90% ปิดผนึกด้วยแรงดันลดลง โดยเก็บให้ห่างจากน้ำ กรด และด่าง

4Å

สูตรทางเคมี: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

อัตราส่วนซิลิคอน-อลูมิเนียม: 1:1 (SiO2/ Al2O3µ2)

การผลิต

การผลิตตะแกรง 4Å ค่อนข้างตรงไปตรงมา เนื่องจากไม่ต้องการแรงดันสูงหรืออุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ โดยทั่วไปแล้วสารละลายที่เป็นน้ำของโซเดียมซิลิเกตและโซเดียมอะลูมิเนตรวมกันที่อุณหภูมิ 80 °C ผลิตภัณฑ์ที่ชุบด้วยตัวทำละลายจะถูก "กระตุ้น" โดยการ "อบ" ที่อุณหภูมิ 400 °C ตะแกรง 4A ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของตะแกรง 3A และ 5A ผ่านการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของโซเดียมสำหรับโพแทสเซียม(สำหรับ 3A) หรือแคลเซียม(สำหรับ 5A)

การใช้งาน

ตัวทำละลายการทำให้แห้ง

ตะแกรงโมเลกุล 4Å ใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำให้ตัวทำละลายในห้องปฏิบัติการแห้ง พวกเขาสามารถดูดซับน้ำและโมเลกุลอื่นๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤติน้อยกว่า 4 Å เช่น NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 และ C2H4 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำให้แห้ง การกลั่น และการทำให้ของเหลวและก๊าซบริสุทธิ์ (เช่น การเตรียมอาร์กอน)

 

สารเติมแต่งตัวแทนโพลีเอสเตอร์[แก้ไข]

ตะแกรงโมเลกุลเหล่านี้ใช้เพื่อช่วยผงซักฟอกเนื่องจากสามารถผลิตน้ำปราศจากแร่ธาตุได้แคลเซียมแลกเปลี่ยนไอออน ขจัด และป้องกันการสะสมของสิ่งสกปรก พวกเขาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อทดแทนฟอสฟอรัส- ตะแกรงโมเลกุล 4Å มีบทบาทสำคัญในการแทนที่โซเดียมไตรโพลีฟอสเฟตเป็นสารเสริมสำหรับผงซักฟอก เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของผงซักฟอก นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นสบู่ตัวแทนการขึ้นรูปและในยาสีฟัน.

การบำบัดของเสียที่เป็นอันตราย

ตะแกรงโมเลกุล 4Å สามารถกรองสิ่งปฏิกูลชนิดประจุบวก เช่นแอมโมเนียมไอออน, Pb2+, Cu2+, Zn2+ และ Cd2+ เนื่องจากมีการคัดเลือกสูงสำหรับ NH4+ จึงสามารถนำไปใช้ในการต่อสู้ภาคสนามได้สำเร็จยูโทรฟิเคชันและผลกระทบอื่น ๆ ในทางน้ำเนื่องจากมีแอมโมเนียมไอออนมากเกินไป ตะแกรงโมเลกุล 4Å ยังใช้เพื่อกำจัดไอออนของโลหะหนักที่มีอยู่ในน้ำเนื่องจากกิจกรรมทางอุตสาหกรรม

วัตถุประสงค์อื่นๆ

ที่อุตสาหกรรมโลหะวิทยา: สารแยก, การแยก, การสกัดโพแทสเซียมน้ำเกลือ,รูบิเดียม-ซีเซียมฯลฯ

อุตสาหกรรมปิโตรเคมีตัวเร่งปฏิกิริยา-สารดูดความชื้น,ตัวดูดซับ

เกษตรกรรม:สารปรับสภาพดิน

ยา: โหลดเงินซีโอไลต์ตัวแทนต้านเชื้อแบคทีเรีย

5Å

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

อัตราส่วนซิลิกา-อลูมินา: SiO2/ Al2O3µ2

การผลิต

5A ตะแกรงโมเลกุลผลิตโดยการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของแคลเซียมสำหรับโซเดียมในตะแกรงโมเลกุล 4A (ดูด้านบน)

การใช้งาน

ห้า-อังสตรอม(5Å) ตะแกรงโมเลกุล มักใช้ในปิโตรเลียมอุตสาหกรรมโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทำให้กระแสก๊าซบริสุทธิ์และในห้องปฏิบัติการเคมีเพื่อการแยกสารประกอบและวัสดุเริ่มต้นปฏิกิริยาการทำให้แห้ง มีรูพรุนเล็กๆ ที่มีขนาดสม่ำเสมอและสม่ำเสมอ และส่วนใหญ่จะใช้เป็นตัวดูดซับก๊าซและของเหลว

ใช้ตะแกรงโมเลกุล 5-ångström เพื่อทำให้แห้งก๊าซธรรมชาติพร้อมทั้งการแสดงการกำจัดกำมะถันและการลดคาร์บอนไดออกไซด์ของแก๊ส นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อแยกส่วนผสมของออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน และ n-ไฮโดรคาร์บอนที่เป็นขี้ผึ้งน้ำมัน ออกจากไฮโดรคาร์บอนที่มีกิ่งก้านและโพลีไซคลิก

ตะแกรงโมเลกุลห้าอองสตรอมจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้อง โดยมีความชื้นสัมพัทธ์น้อยกว่า 90% ในถังกระดาษแข็งหรือบรรจุภัณฑ์แบบกล่อง ตะแกรงโมเลกุลไม่ควรสัมผัสโดยตรงกับอากาศและน้ำ ควรหลีกเลี่ยงกรดและด่าง

สัณฐานวิทยาของตะแกรงโมเลกุล

ตะแกรงโมเลกุลมีหลายรูปทรงและขนาด แต่เม็ดบีดทรงกลมมีข้อได้เปรียบเหนือรูปร่างอื่นๆ เนื่องจากมีแรงดันตกคร่อมต่ำกว่า ทนทานต่อการเสียดสีเนื่องจากไม่มีขอบแหลมคม และมีความแข็งแรงที่ดี กล่าวคือ แรงบดอัดที่ต้องการต่อหน่วยพื้นที่จะสูงกว่า ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัดบางชนิดมีความจุความร้อนต่ำกว่า จึงลดความต้องการพลังงานในระหว่างการสร้างใหม่

ข้อดีอีกประการของการใช้ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัดคือความหนาแน่นรวมมักจะสูงกว่ารูปร่างอื่น ๆ ดังนั้นสำหรับความต้องการการดูดซับที่เหมือนกันปริมาณตะแกรงโมเลกุลที่ต้องการจึงน้อยกว่า ดังนั้นในขณะที่ดำเนินการกำจัดปัญหาคอขวด อาจใช้ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัด โหลดตัวดูดซับมากขึ้นในปริมาตรเท่าเดิม และหลีกเลี่ยงการดัดแปลงภาชนะใดๆ