ตะแกรงโมเลกุลคือวัสดุที่มีรูพรุน (รูเล็กมาก) ที่มีขนาดสม่ำเสมอ

ตะแกรงโมเลกุลคือวัสดุที่มีรูพรุน (รูขนาดเล็กมาก) มีขนาดสม่ำเสมอ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเหล่านี้มีขนาดใกล้เคียงกับโมเลกุลขนาดเล็ก ดังนั้นโมเลกุลขนาดใหญ่จึงไม่สามารถผ่านเข้าหรือถูกดูดซับได้ ในขณะที่โมเลกุลขนาดเล็กกว่าสามารถผ่านเข้าได้ เมื่อโมเลกุลผสมเคลื่อนที่ผ่านชั้นคงที่ของสารกึ่งแข็งที่มีรูพรุนซึ่งเรียกว่าตะแกรง (หรือเมทริกซ์) ส่วนประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงสุด (ซึ่งไม่สามารถผ่านเข้าไปในรูพรุนของโมเลกุลได้) จะออกจากชั้นแรกก่อน ตามด้วยโมเลกุลขนาดเล็กกว่าตามลำดับ ตะแกรงโมเลกุลบางชนิดใช้ในโครมาโทกราฟีแบบแยกตามขนาด ซึ่งเป็นเทคนิคการแยกที่คัดแยกโมเลกุลตามขนาด ตะแกรงโมเลกุลชนิดอื่นๆ ใช้เป็นสารดูดความชื้น (ตัวอย่างเช่น ถ่านกัมมันต์และซิลิกาเจล)
เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนของตะแกรงโมเลกุลวัดเป็นหน่วยอองสตรอม (Å) หรือนาโนเมตร (nm) ตามสัญกรณ์ IUPAC วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็กจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนน้อยกว่า 2 นาโนเมตร (20 Å) และวัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนมากกว่า 50 นาโนเมตร (500 Å) ดังนั้น วัสดุที่มีรูพรุนขนาดกลางจะอยู่ตรงกลาง โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนอยู่ระหว่าง 2 ถึง 50 นาโนเมตร (20–500 Å)
วัสดุ
ตะแกรงโมเลกุลอาจเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก มีรูพรุนขนาดปานกลาง หรือเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่
วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก (
●ซีโอไลต์ (แร่อะลูมิโนซิลิเกต อย่าสับสนกับอะลูมิเนียมซิลิเกต)
●ซีโอไลต์ LTA: 3–4 Å
●กระจกพรุน: 10 Å (1 นาโนเมตร) ขึ้นไป
●คาร์บอนที่ใช้งาน: 0–20 Å (0–2 นาโนเมตร) และขึ้นไป
●ดินเหนียว
●มอนต์มอริลโลไนต์ผสมกัน
● ฮัลลอยไซต์ (เอนเดลไลต์): พบรูปแบบทั่วไปสองแบบ คือ เมื่อดินถูกเติมน้ำ ดินจะมีระยะห่างระหว่างชั้น 1 นาโนเมตร และเมื่อถูกคายน้ำ (เมตาฮัลลอยไซต์) ระยะห่างระหว่างชั้นจะเท่ากับ 0.7 นาโนเมตร ฮัลลอยไซต์ตามธรรมชาติมีลักษณะเป็นทรงกระบอกขนาดเล็ก มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 30 นาโนเมตร ความยาวอยู่ระหว่าง 0.5 ถึง 10 ไมโครเมตร
วัสดุที่มีรูพรุนขนาดกลาง (2–50 นาโนเมตร)
ซิลิกอนไดออกไซด์ (ใช้ทำซิลิกาเจล): 24 Å (2.4 นาโนเมตร)
วัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ (>50 นาโนเมตร)
ซิลิกาที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ 200–1000 Å (20–100 นาโนเมตร)
แอปพลิเคชัน[แก้ไข]
ตะแกรงโมเลกุลาร์มักถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการอบแห้งก๊าซธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ปริมาณน้ำในก๊าซจะต้องลดลงเหลือน้อยกว่า 1 ppmv เพื่อป้องกันการอุดตันที่เกิดจากน้ำแข็งหรือก๊าซมีเทนคลัทเรต
ในห้องปฏิบัติการ มีการใช้ตะแกรงโมเลกุลเพื่อทำให้ตัวทำละลายแห้ง "ตะแกรง" ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคนิคการทำให้แห้งแบบดั้งเดิม ซึ่งมักใช้สารดูดความชื้นที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง
ภายใต้คำว่าซีโอไลต์ ตะแกรงโมเลกุลถูกนำมาใช้เพื่อการประยุกต์ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่หลากหลาย พวกมันเร่งปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชัน อัลคิเลชัน และอีพอกซิเดชัน และถูกใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ รวมถึงการไฮโดรแคร็กกิ้งและการแตกตัวเร่งปฏิกิริยาของไหล
นอกจากนี้ยังใช้ในการกรองอากาศสำหรับอุปกรณ์ช่วยหายใจ เช่น ที่ใช้โดยนักดำน้ำและนักดับเพลิง ในการใช้งานดังกล่าว อากาศจะถูกจ่ายโดยเครื่องอัดอากาศและผ่านตัวกรองแบบตลับ ซึ่งขึ้นอยู่กับการใช้งาน จะถูกเติมด้วยตะแกรงโมเลกุลและ/หรือคาร์บอนกัมมันต์ เพื่อนำไปใช้เติมอากาศหายใจในถัง การกรองดังกล่าวสามารถกำจัดอนุภาคและไอเสียจากเครื่องอัดอากาศออกจากระบบจ่ายอากาศหายใจได้
ผ่านการรับรองจาก อย.
เมื่อวันที่ 1 เมษายน 2555 สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐฯ ได้อนุมัติโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตสำหรับการสัมผัสโดยตรงกับสินค้าสิ้นเปลืองภายใต้ 21 CFR 182.2727 ก่อนการอนุมัตินี้ สหภาพยุโรปได้ใช้ตะแกรงโมเลกุลกับผลิตภัณฑ์ยา และการทดสอบอิสระแนะนำว่าตะแกรงโมเลกุลเป็นไปตามข้อกำหนดของรัฐบาลทั้งหมด แต่ภาคอุตสาหกรรมไม่เต็มใจที่จะให้ทุนการทดสอบราคาแพงที่จำเป็นสำหรับการอนุมัติของรัฐบาล
การฟื้นฟู
วิธีการสร้างโมเลกุลตะแกรงใหม่ประกอบด้วยการเปลี่ยนความดัน (เช่นในเครื่องผลิตออกซิเจน) การให้ความร้อนและการไล่อากาศด้วยก๊าซตัวพา (เช่นเมื่อใช้ในการกำจัดน้ำด้วยเอทานอล) หรือการให้ความร้อนภายใต้สุญญากาศสูง อุณหภูมิในการสร้างโมเลกุลตะแกรงใหม่อยู่ระหว่าง 175 องศาเซลเซียส (350 องศาฟาเรนไฮต์) ถึง 315 องศาเซลเซียส (600 องศาฟาเรนไฮต์) ขึ้นอยู่กับชนิดของโมเลกุลตะแกรง ในทางตรงกันข้าม ซิลิกาเจลสามารถสร้างโมเลกุลตะแกรงใหม่ได้โดยการให้ความร้อนในเตาอบปกติที่อุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียส (250 องศาฟาเรนไฮต์) เป็นเวลาสองชั่วโมง อย่างไรก็ตาม ซิลิกาเจลบางชนิดจะ "แตก" เมื่อสัมผัสกับน้ำในปริมาณที่เพียงพอ ซึ่งเกิดจากการแตกของทรงกลมซิลิกาเมื่อสัมผัสกับน้ำ

แบบอย่าง	เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน (อังสตรอม)	ความหนาแน่นรวม (กรัม/มิลลิลิตร)	น้ำดูดซับ (% w/w)	การสึกกร่อนหรือการเสียดสี(% w/w)	การใช้งาน
3Å	3	0.60–0.68	19–20	0.3–0.6	การทำให้แห้งของการแตกตัวของปิโตรเลียมก๊าซและอัลคีน การดูดซับ H2O แบบเลือกในกระจกฉนวน (IG)และโพลียูรีเทน การทำให้แห้งเชื้อเพลิงเอทานอลเพื่อผสมกับน้ำมันเบนซิน
4Å	4	0.60–0.65	20–21	0.3–0.6	การดูดซับน้ำในโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตซึ่งได้รับการรับรองจาก FDA (ดูด้านล่าง) ใช้เป็นตะแกรงโมเลกุลในภาชนะทางการแพทย์เพื่อรักษาเนื้อหาให้แห้งและเป็นสารเติมแต่งอาหารมีหมายเลขอีE-554 (สารป้องกันการจับตัวเป็นก้อน) นิยมใช้สำหรับการขจัดน้ำแบบคงที่ในระบบของเหลวหรือก๊าซแบบปิด เช่น ในบรรจุภัณฑ์ยา ชิ้นส่วนไฟฟ้า และสารเคมีที่เน่าเสียง่าย การกำจัดน้ำในระบบการพิมพ์และพลาสติก และการอบแห้งกระแสไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว สารที่ดูดซับได้ ได้แก่ SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 และ C3H6 โดยทั่วไปถือว่าเป็นสารทำให้แห้งอเนกประสงค์ในสื่อที่มีขั้วและไม่มีขั้ว[12]การแยกของก๊าซธรรมชาติและแอลคีนการดูดซับน้ำในสารที่ไม่ไวต่อไนโตรเจนโพลียูรีเทน
5Å-DW	5	0.45–0.50	21–22	0.3–0.6	การขจัดไขมันและลดจุดเทของการบิน น้ำมันก๊าดและดีเซลและการแยกแอลคีน
ออกซิเจนเสริมขนาดเล็ก 5Å	5	0.4–0.8	≥23		ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับเครื่องผลิตออกซิเจนทางการแพทย์หรือเพื่อสุขภาพจำเป็นต้องมีการอ้างอิง]
5Å	5	0.60–0.65	20–21	0.3–0.5	การทำให้แห้งและการฟอกอากาศ;ภาวะขาดน้ำและการกำจัดซัลเฟอร์ของก๊าซธรรมชาติและก๊าซปิโตรเลียมเหลว-ออกซิเจนและไฮโดรเจนผลิตโดยการดูดซับแรงดันแกว่งกระบวนการ
10 เท่า	8	0.50–0.60	23–24	0.3–0.6	การดูดซับประสิทธิภาพสูง ใช้ในการทำให้แห้ง การกำจัดคาร์บอน การกำจัดซัลเฟอร์ออกจากก๊าซและของเหลว และการแยกไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก
13X	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	การทำให้แห้ง การกำจัดซัลเฟอร์ และการทำให้บริสุทธิ์ของก๊าซปิโตรเลียมและก๊าซธรรมชาติ
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	การทำให้หวาน(การลบออกไทออล) ของน้ำมันเชื้อเพลิงการบินและสอดคล้องกันไฮโดรคาร์บอนเหลว

ความสามารถในการดูดซับ

3Å

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

อัตราส่วนซิลิกา-อะลูมินา: SiO2/ Al2O3≈2

การผลิต

ตะแกรงโมเลกุล 3A ผลิตโดยการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของโพแทสเซียมสำหรับโซเดียมในตะแกรงโมเลกุล 4A (ดูด้านล่าง)

การใช้งาน

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 3 Å ไม่ดูดซับโมเลกุลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 3 Å คุณสมบัติของตะแกรงโมเลกุลเหล่านี้ ได้แก่ ความเร็วในการดูดซับที่รวดเร็ว ความสามารถในการสร้างใหม่บ่อยครั้ง ความต้านทานการบดที่ดี และความต้านทานต่อมลภาวะคุณสมบัติเหล่านี้สามารถปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของตะแกรงได้ ตะแกรงโมเลกุลขนาด 3Å เป็นสารดูดความชื้นที่จำเป็นในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและเคมีสำหรับการกลั่นน้ำมัน การเกิดพอลิเมอไรเซชัน และการทำให้แห้งก๊าซ-ของเหลวในเชิงลึกทางเคมี

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 3Å ใช้ในการอบแห้งวัสดุหลายประเภท เช่นเอทานอล, อากาศ,สารทำความเย็น-ก๊าซธรรมชาติและไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว. ส่วนหลังนี้รวมถึงแก๊สแตกอะเซทิลีน-เอทิลีน-โพรพิลีนและบิวทาไดอีน.

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 3 Å ใช้ในการแยกน้ำออกจากเอทานอล ซึ่งต่อมาสามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพโดยตรงหรือทางอ้อมเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น สารเคมี อาหาร ยา และอื่นๆ เนื่องจากการกลั่นปกติไม่สามารถแยกน้ำ (ซึ่งเป็นผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์จากการผลิตเอทานอล) ออกจากกระบวนการเอทานอลได้ทั้งหมด เนื่องจากการเกิดอะซีโอโทรปที่ความเข้มข้นประมาณ 95.6 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก เม็ดตะแกรงโมเลกุลจะถูกใช้เพื่อแยกเอทานอลและน้ำในระดับโมเลกุลโดยการดูดซับน้ำเข้าไปในเม็ดตะแกรงโมเลกุลและปล่อยให้เอทานอลไหลผ่านได้อย่างอิสระ เมื่อเม็ดตะแกรงโมเลกุลเต็มไปด้วยน้ำแล้ว สามารถปรับอุณหภูมิหรือความดันได้ ทำให้น้ำถูกปล่อยออกมาจากเม็ดตะแกรงโมเลกุล[15]

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 3 Å ถูกเก็บรักษาไว้ที่อุณหภูมิห้อง โดยมีความชื้นสัมพัทธ์ไม่เกิน 90% ปิดผนึกภายใต้ความดันที่ลดลง โดยเก็บให้ห่างจากน้ำ กรด และด่าง

4Å

สูตรเคมี: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

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

การผลิต

การผลิตตะแกรงขนาด 4Å ค่อนข้างตรงไปตรงมา เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้แรงดันสูงหรืออุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ โดยทั่วไปแล้ว สารละลายในน้ำโซเดียมซิลิเกตและโซเดียมอะลูมิเนตผสมกันที่อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียส ผลิตภัณฑ์ที่ชุบด้วยตัวทำละลายจะถูก "กระตุ้น" โดยการ "อบ" ที่อุณหภูมิ 400 องศาเซลเซียส ตะแกรง 4A ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของตะแกรง 3A และ 5A ผ่านการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของโซเดียมสำหรับโพแทสเซียม(สำหรับ 3A) หรือแคลเซียม(สำหรับ 5A)

การใช้งาน

ตัวทำละลายในการทำให้แห้ง

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 4 Å ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการอบแห้งตัวทำละลายในห้องปฏิบัติการ ตะแกรงนี้สามารถดูดซับน้ำและโมเลกุลอื่นๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤตน้อยกว่า 4 Å เช่น NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 และ C2H4 ตะแกรงโมเลกุลเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการอบแห้ง การกลั่น และการทำให้บริสุทธิ์ของของเหลวและก๊าซ (เช่น การเตรียมอาร์กอน)

 

สารเติมแต่งสารโพลีเอสเตอร์[แก้ไข]

ตะแกรงโมเลกุลเหล่านี้ใช้เพื่อช่วยผงซักฟอกเนื่องจากสามารถผลิตน้ำที่ปราศจากแร่ธาตุได้แคลเซียมการแลกเปลี่ยนไอออน กำจัดและป้องกันการสะสมของสิ่งสกปรก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อทดแทนฟอสฟอรัสตะแกรงโมเลกุลขนาด 4 Å มีบทบาทสำคัญในการทดแทนโซเดียมไตรโพลีฟอสเฟตในฐานะสารช่วยเสริมในผงซักฟอก เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากผงซักฟอก นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นสบู่สารก่อการก่อตัวและในยาสีฟัน.

การบำบัดขยะอันตราย

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 4Å สามารถกรองน้ำเสียที่มีประจุบวก เช่นแอมโมเนียมไอออน Pb2+, Cu2+, Zn2+ และ Cd2+ เนื่องจากมีความสามารถในการเลือก NH4+ สูง จึงสามารถนำไปใช้ในภาคสนามเพื่อต่อสู้กับยูโทรฟิเคชั่นและผลกระทบอื่นๆ ในทางน้ำอันเนื่องมาจากไอออนแอมโมเนียมที่มากเกินไป ตะแกรงโมเลกุลขนาด 4Å ยังถูกนำมาใช้เพื่อกำจัดไอออนของโลหะหนักที่มีอยู่ในน้ำอันเนื่องมาจากกิจกรรมทางอุตสาหกรรมอีกด้วย

วัตถุประสงค์อื่น ๆ

การอุตสาหกรรมโลหะวิทยา: สารแยก, การแยก, การสกัดโพแทสเซียมในน้ำเกลือ,รูบิเดียม-ซีเซียมฯลฯ

อุตสาหกรรมปิโตรเคมี,ตัวเร่งปฏิกิริยา-สารดูดความชื้น, สารดูดซับ

เกษตรกรรม:สารปรับปรุงดิน

ยา : โหลดเงินซีโอไลต์สารต้านเชื้อแบคทีเรีย

5Å

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

อัตราส่วนซิลิกา-อะลูมินา: SiO2/ Al2O3≈2

การผลิต

ตะแกรงโมเลกุล 5A ผลิตโดยการแลกเปลี่ยนไอออนบวกของแคลเซียมสำหรับโซเดียมในตะแกรงโมเลกุล 4A (ดูด้านบน)

การใช้งาน

ห้า-อังสตรอมตะแกรงโมเลกุล (5Å) มักใช้ในปิโตรเลียมอุตสาหกรรมโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทำให้บริสุทธิ์กระแสก๊าซและในห้องปฏิบัติการเคมีสำหรับการแยกสารประกอบและวัสดุเริ่มต้นปฏิกิริยาการอบแห้ง พวกมันมีรูพรุนขนาดเล็กที่มีขนาดแม่นยำและสม่ำเสมอ และส่วนใหญ่ใช้เป็นสารดูดซับสำหรับก๊าซและของเหลว

ใช้ตะแกรงโมเลกุลขนาด 5 อังสตรอมในการทำให้แห้งก๊าซธรรมชาติพร้อมการแสดงการกำจัดซัลเฟอร์และการกำจัดคาร์บอนของก๊าซ นอกจากนี้ยังสามารถใช้แยกสารผสมของออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน และไฮโดรคาร์บอนชนิดน้ำมัน-ขี้ผึ้ง ออกจากไฮโดรคาร์บอนแบบกิ่งก้านและแบบโพลีไซคลิกได้อีกด้วย

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 5 อังสตรอมจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้องด้วยความชื้นสัมพัทธ์น้อยกว่า 90% ในถังกระดาษแข็งหรือบรรจุภัณฑ์กระดาษแข็ง ตะแกรงโมเลกุลไม่ควรสัมผัสกับอากาศและน้ำโดยตรง ควรหลีกเลี่ยงกรดและด่าง

สัณฐานวิทยาของตะแกรงโมเลกุล

ตะแกรงโมเลกุลาร์มีให้เลือกหลายรูปทรงและขนาด แต่เม็ดทรงกลมมีข้อได้เปรียบเหนือรูปทรงอื่นๆ เนื่องจากมีแรงดันตกคร่อมต่ำกว่า ทนทานต่อการเสียดสีเนื่องจากไม่มีขอบคม และมีความแข็งแรงที่ดี กล่าวคือ แรงกดทับที่ต้องการต่อหน่วยพื้นที่สูงกว่า ตะแกรงโมเลกุลาร์แบบเม็ดบางประเภทมีความจุความร้อนต่ำกว่า จึงใช้พลังงานน้อยกว่าในระหว่างการสร้างใหม่

ข้อดีอีกประการหนึ่งของการใช้ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัดคือความหนาแน่นรวมมักจะสูงกว่าตะแกรงโมเลกุลรูปทรงอื่น ดังนั้น เพื่อให้ได้การดูดซับที่เท่ากัน ปริมาตรของตะแกรงโมเลกุลที่ต้องการจึงน้อยกว่า ดังนั้น ในระหว่างการขจัดคอขวด เราอาจใช้ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัด ซึ่งสามารถบรรจุสารดูดซับได้มากขึ้นในปริมาตรเท่าเดิม และหลีกเลี่ยงการดัดแปลงภาชนะใดๆ