ตะแกรงโมเลกุลเป็นวัสดุที่มีรูพรุน (รูเล็กมาก) ที่มีขนาดสม่ำเสมอ

ตะแกรงโมเลกุลเป็นวัสดุที่มีรูพรุน (รูเล็กมาก) ขนาดสม่ำเสมอ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเหล่านี้มีขนาดใกล้เคียงกับโมเลกุลขนาดเล็ก ดังนั้นโมเลกุลขนาดใหญ่จึงไม่สามารถเข้าไปหรือถูกดูดซับได้ ในขณะที่โมเลกุลขนาดเล็กสามารถเข้าไปได้ เมื่อส่วนผสมของโมเลกุลเคลื่อนที่ผ่านชั้นของสารกึ่งแข็งที่มีรูพรุนซึ่งเรียกว่าตะแกรง (หรือเมทริกซ์) ส่วนประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงสุด (ซึ่งไม่สามารถผ่านเข้าไปในรูพรุนของโมเลกุลได้) จะออกจากชั้นก่อน ตามด้วยโมเลกุลที่มีขนาดเล็กลงตามลำดับ ตะแกรงโมเลกุลบางชนิดใช้ในโครมาโทกราฟีแบบแยกตามขนาด ซึ่งเป็นเทคนิคการแยกที่จัดเรียงโมเลกุลตามขนาดของมัน ตะแกรงโมเลกุลอื่นๆ ใช้เป็นสารดูดความชื้น (ตัวอย่างเช่น ถ่านกัมมันต์และซิลิกาเจล)
ขนาดรูพรุนของตะแกรงโมเลกุลวัดได้ในหน่วยอังสตรอม (Å) หรือนาโนเมตร (nm) ตามสัญลักษณ์ของ IUPAC วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็กจะมีขนาดรูพรุนน้อยกว่า 2 นาโนเมตร (20 Å) และวัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่จะมีขนาดรูพรุนมากกว่า 50 นาโนเมตร (500 Å) ดังนั้น วัสดุที่มีรูพรุนขนาดกลางจึงอยู่ตรงกลาง โดยมีขนาดรูพรุนระหว่าง 2 ถึง 50 นาโนเมตร (20–500 Å)
วัสดุ
สารกรองโมเลกุลอาจเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก รูพรุนขนาดกลาง หรือรูพรุนขนาดใหญ่
วัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก (
●ซีโอไลต์ (แร่ซิลิเกตอะลูมิเนียม ไม่ควรสับสนกับซิลิเกตอะลูมิเนียม)
●ซีโอไลต์ LTA: 3–4 Å
●กระจกพรุน: 10 Å (1 นาโนเมตร) ขึ้นไป
●ถ่านกัมมันต์: 0–20 Å (0–2 นาโนเมตร) และสูงกว่านั้น
●ดินเหนียว
●ส่วนผสมของมอนต์มอริลโลไนต์
●ฮัลลอยไซต์ (เอนเดลไลต์): พบได้สองรูปแบบทั่วไป เมื่ออยู่ในสภาวะที่มีน้ำ ฮัลลอยไซต์จะมีระยะห่างระหว่างชั้น 1 นาโนเมตร และเมื่ออยู่ในสภาวะที่ไม่มีน้ำ (เมตาฮัลลอยไซต์) ระยะห่างจะอยู่ที่ 0.7 นาโนเมตร ฮัลลอยไซต์เกิดขึ้นตามธรรมชาติในรูปทรงกระบอกขนาดเล็ก มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 30 นาโนเมตร และมีความยาวระหว่าง 0.5 ถึง 10 ไมโครเมตร
วัสดุมีรูพรุนขนาดกลาง (2–50 นาโนเมตร)
ซิลิคอนไดออกไซด์ (ใช้ในการผลิตซิลิกาเจล): 24 อังสตรอม (2.4 นาโนเมตร)
วัสดุที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ (>50 นาโนเมตร)
ซิลิกาที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ 200–1000 อังสตรอม (20–100 นาโนเมตร)
ใบสมัคร[แก้ไข]
สารดูดซับโมเลกุลมักถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการลดความชื้นในกระแสแก๊ส ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ปริมาณน้ำในแก๊สจำเป็นต้องลดลงเหลือน้อยกว่า 1 ppmv เพื่อป้องกันการอุดตันที่เกิดจากน้ำแข็งหรือมีเทนแคลทเรต
ในห้องปฏิบัติการ มีการใช้ตะแกรงโมเลกุลในการทำให้ตัวทำละลายแห้ง ตะแกรงโมเลกุลได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคนิคการทำให้แห้งแบบดั้งเดิม ซึ่งมักใช้สารดูดความชื้นที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง
ภายใต้ชื่อซีโอไลต์ สารดูดซับโมเลกุลถูกนำมาใช้ในงานเร่งปฏิกิริยาหลากหลายประเภท โดยสามารถเร่งปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชัน อัลคิเลชัน และอีพอกซิเดชัน และใช้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ รวมถึงไฮโดรแคร็กกิ้งและฟลูอิดคะตาไลติกแคร็กกิ้ง
นอกจากนี้ยังใช้ในการกรองอากาศสำหรับอุปกรณ์ช่วยหายใจ เช่น อุปกรณ์ที่ใช้โดยนักดำน้ำและนักดับเพลิง ในการใช้งานดังกล่าว อากาศจะถูกส่งมาจากเครื่องอัดอากาศและผ่านตัวกรองแบบตลับ ซึ่งขึ้นอยู่กับการใช้งาน อาจบรรจุด้วยตะแกรงโมเลกุลและ/หรือถ่านกัมมันต์ จากนั้นจึงนำไปใช้เติมถังอากาศหายใจ การกรองดังกล่าวสามารถกำจัดอนุภาคและไอเสียจากเครื่องอัดอากาศออกจากอากาศหายใจได้
ได้รับการอนุมัติจาก FDA แล้ว
สำนักงานอาหารและยาของสหรัฐอเมริกา (US FDA) ได้อนุมัติให้ใช้โซเดียมอะลูมิโนซิลิเคตสัมผัสโดยตรงกับสินค้าอุปโภคบริโภคเมื่อวันที่ 1 เมษายน 2555 ภายใต้ข้อกำหนด 21 CFR 182.2727 ก่อนหน้านี้ สหภาพยุโรปได้ใช้สารดูดซับโมเลกุลกับยา และการทดสอบอิสระชี้ให้เห็นว่าสารดูดซับโมเลกุลเป็นไปตามข้อกำหนดของรัฐบาลทั้งหมด แต่ภาคอุตสาหกรรมไม่เต็มใจที่จะลงทุนในการทดสอบที่มีราคาแพงซึ่งจำเป็นสำหรับการอนุมัติจากรัฐบาล
การฟื้นฟู
วิธีการฟื้นฟูสภาพของโมเลกุลซีฟ ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงความดัน (เช่นในเครื่องเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจน) การให้ความร้อนและการไล่ก๊าซด้วยก๊าซพาหะ (เช่นเมื่อใช้ในการกำจัดน้ำออกจากเอทานอล) หรือการให้ความร้อนภายใต้สุญญากาศสูง อุณหภูมิในการฟื้นฟูสภาพมีตั้งแต่ 175 °C (350 °F) ถึง 315 °C (600 °F) ขึ้นอยู่กับชนิดของโมเลกุลซีฟ ในทางตรงกันข้าม ซิลิกาเจลสามารถฟื้นฟูสภาพได้โดยการให้ความร้อนในเตาอบธรรมดาที่อุณหภูมิ 120 °C (250 °F) เป็นเวลาสองชั่วโมง อย่างไรก็ตาม ซิลิกาเจลบางชนิดจะ "แตก" เมื่อสัมผัสกับน้ำมากพอ ซึ่งเกิดจากการแตกของอนุภาคซิลิกาเมื่อสัมผัสกับน้ำ

แบบอย่าง	เส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน (อังสตรอม)	ความหนาแน่นรวม (กรัม/มล.)	น้ำที่ถูกดูดซับ (% w/w)	การสึกกร่อนหรือการเสียดสี, W(% w/w)	การใช้งาน
3Å	3	0.60–0.68	19–20	0.3–0.6	การทำให้แห้งของการแตกตัวของปิโตรเลียมก๊าซและแอลคีน การดูดซับ H2O แบบเลือกเฉพาะในกระจกฉนวน (IG)และโพลียูรีเทน การอบแห้งเชื้อเพลิงเอทานอลสำหรับผสมกับน้ำมันเบนซิน
4Å	4	0.60–0.65	20–21	0.3–0.6	การดูดซับน้ำในโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกตซึ่งได้รับการอนุมัติจาก FDA (ดูเพิ่มเติม)ด้านล่างใช้เป็นสารกรองโมเลกุลในภาชนะบรรจุทางการแพทย์เพื่อรักษาความแห้งของสิ่งของภายใน และเป็นสารเติมแต่งอาหารมีหมายเลข EE-554 (สารป้องกันการจับตัวเป็นก้อน); นิยมใช้ในการกำจัดความชื้นแบบคงที่ในระบบของเหลวหรือก๊าซแบบปิด เช่น ในการบรรจุยา ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และสารเคมีที่เน่าเสียง่าย การดูดซับน้ำในระบบการพิมพ์และพลาสติก และการทำให้แห้งของกระแสไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว สารที่ถูกดูดซับ ได้แก่ SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 และ C3H6 โดยทั่วไปถือว่าเป็นสารดูดความชื้นอเนกประสงค์ในตัวกลางที่มีขั้วและไม่มีขั้ว[12]การแยกตัวของก๊าซธรรมชาติและแอลคีนการดูดซับน้ำในสารที่ไม่ไวต่อไนโตรเจนโพลียูรีเทน
5Å-DW	5	0.45–0.50	21–22	0.3–0.6	การขจัดคราบไขมันและการลดจุดเยือกแข็งของการบิน น้ำมันก๊าดและดีเซลและการแยกแอลคีน
5Å ขนาดเล็กที่อุดมด้วยออกซิเจน	5	0.4–0.8	≥23		ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับเครื่องผลิตออกซิเจนทางการแพทย์หรือเพื่อสุขภาพ[ต้องการแหล่งอ้างอิง]
5Å	5	0.60–0.65	20–21	0.3–0.5	การทำให้แห้งและการฟอกอากาศ;ภาวะขาดน้ำและการกำจัดกำมะถันของก๊าซธรรมชาติและก๊าซปิโตรเลียมเหลว;ออกซิเจนและไฮโดรเจนผลิตโดยการดูดซับแบบสวิงความดันกระบวนการ
10 เท่า	8	0.50–0.60	23–24	0.3–0.6	การดูดซับประสิทธิภาพสูง ใช้ในการทำให้แห้ง การกำจัดคาร์บอน การกำจัดกำมะถันออกจากก๊าซและของเหลว และการแยกสารไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก
13X	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	การทำให้แห้ง การกำจัดกำมะถัน และการทำให้บริสุทธิ์ของก๊าซปิโตรเลียมและก๊าซธรรมชาติ
13X-AS	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	การลดคาร์บอนและการทำให้แห้งในอุตสาหกรรมการแยกอากาศ การแยกไนโตรเจนออกจากออกซิเจนในเครื่องเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจน
คิว-13เอ็กซ์	10	0.50–0.60	23–24	0.3–0.5	ความหวาน(การลบออก)ไทออล) ของเชื้อเพลิงการบินและสิ่งที่เกี่ยวข้องไฮโดรคาร์บอนเหลว

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

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 3 Å ไม่ดูดซับโมเลกุลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 3 Å คุณสมบัติของตะแกรงโมเลกุลเหล่านี้ ได้แก่ ความเร็วในการดูดซับสูง ความสามารถในการฟื้นฟูสภาพได้บ่อย ความทนทานต่อการบีบอัดที่ดี และอื่นๆความต้านทานต่อมลพิษคุณสมบัติเหล่านี้สามารถปรับปรุงทั้งประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของตะแกรงดูดความชื้นได้ ตะแกรงดูดความชื้นระดับโมเลกุล 3 Å เป็นสารดูดความชื้นที่จำเป็นในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและเคมีภัณฑ์สำหรับการกลั่นน้ำมัน การเกิดพอลิเมอร์ และการอบแห้งเชิงลึกของก๊าซและของเหลวทางเคมี

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 3 Å ใช้ในการอบแห้งวัสดุหลากหลายชนิด เช่นเอทานอล, อากาศ,สารทำความเย็น,ก๊าซธรรมชาติและไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวซึ่งรวมถึงก๊าซแตกตัว (cracking gas) ด้วยอะเซทิลีน,เอทิลีน,โพรพิลีนและบิวทาไดอีน.

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 3 Å ถูกนำมาใช้ในการกำจัดน้ำออกจากเอทานอล ซึ่งสามารถนำไปใช้โดยตรงเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ หรือนำไปใช้ทางอ้อมในการผลิตผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น สารเคมี อาหาร ยา และอื่นๆ เนื่องจากกระบวนการกลั่นแบบปกติไม่สามารถกำจัดน้ำทั้งหมด (ซึ่งเป็นผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์จากการผลิตเอทานอล) ออกจากกระบวนการผลิตเอทานอลได้ เนื่องจากการก่อตัวของ...อะซีโอโทรปเม็ดบีดส์โมเลกุลซีฟที่มีความเข้มข้นประมาณ 95.6 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ถูกนำมาใช้ในการแยกเอทานอลและน้ำในระดับโมเลกุล โดยการดูดซับน้ำเข้าไปในเม็ดบีดส์และปล่อยให้เอทานอลผ่านไปได้อย่างอิสระ เมื่อเม็ดบีดส์เต็มไปด้วยน้ำแล้ว สามารถควบคุมอุณหภูมิหรือความดันเพื่อให้ปล่อยน้ำออกจากเม็ดบีดส์โมเลกุลซีฟได้[15]

สารดูดซับโมเลกุลขนาด 3 Å จะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้อง โดยมีความชื้นสัมพัทธ์ไม่เกิน 90% บรรจุในภาชนะปิดผนึกภายใต้ความดันต่ำ และเก็บให้ห่างจากน้ำ กรด และด่าง

4Å

สูตรเคมี: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

อัตราส่วนซิลิคอนต่ออะลูมิเนียม: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

การผลิต

การผลิตตะแกรงขนาด 4 Å ค่อนข้างตรงไปตรงมา เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้แรงดันสูงหรืออุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ โดยทั่วไปแล้วจะใช้สารละลายในน้ำของโซเดียมซิลิเกตและโซเดียมอะลูมิเนตนำมาผสมกันที่อุณหภูมิ 80 °C ผลิตภัณฑ์ที่อิ่มตัวด้วยตัวทำละลายจะถูก "กระตุ้น" โดยการ "อบ" ที่อุณหภูมิ 400 °C ตะแกรง 4A ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับตะแกรง 3A และ 5A ผ่านกระบวนการต่างๆการแลกเปลี่ยนแคตไอออนของโซเดียมสำหรับโพแทสเซียม(สำหรับ 3A) หรือแคลเซียม(สำหรับ 5A)

การใช้งาน

ตัวทำละลายแห้ง

สารดูดซับโมเลกุลขนาด 4 Å ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำให้ตัวทำละลายในห้องปฏิบัติการแห้ง สามารถดูดซับน้ำและโมเลกุลอื่นๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤตน้อยกว่า 4 Å เช่น NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 และ C2H4 มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในการทำให้แห้ง การกลั่น และการทำให้บริสุทธิ์ของของเหลวและก๊าซ (เช่น การเตรียมอาร์กอน)

 

สารเติมแต่งโพลีเอสเตอร์[แก้ไข]

สารดูดซับโมเลกุลเหล่านี้ใช้เพื่อช่วยในการผลิตผงซักฟอก เนื่องจากสามารถผลิตน้ำปราศจากแร่ธาตุได้แคลเซียมการแลกเปลี่ยนไอออน ช่วยขจัดและป้องกันการสะสมของสิ่งสกปรก จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อทดแทนของเสียฟอสฟอรัสสารดูดซับโมเลกุลขนาด 4 Å มีบทบาทสำคัญในการทดแทนโซเดียมไตรโพลีฟอสเฟตในฐานะสารช่วยในผงซักฟอก เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของผงซักฟอก นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็น...สบู่สารก่อรูปและในยาสีฟัน.

การบำบัดของเสียอันตราย

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 4 Å สามารถกรองสิ่งปฏิกูลจากสารประกอบประจุบวกได้ เช่นแอมโมเนียมไอออน Pb2+, Cu2+, Zn2+ และ Cd2+ เนื่องจากมีความเลือกจำเพาะสูงต่อ NH4+ จึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในภาคสนามเพื่อต่อสู้กับสารอันตรายได้อย่างประสบความสำเร็จภาวะยูโทรฟิเคชันและผลกระทบอื่นๆ ในแหล่งน้ำอันเนื่องมาจากไอออนแอมโมเนียมที่มากเกินไป นอกจากนี้ ยังมีการใช้ตะแกรงโมเลกุลขนาด 4 Å เพื่อกำจัดไอออนโลหะหนักที่ปนเปื้อนอยู่ในน้ำอันเนื่องมาจากกิจกรรมทางอุตสาหกรรมด้วย

วัตถุประสงค์อื่นๆ

เดอะอุตสาหกรรมโลหะวิทยา: สารแยก, การแยก, การสกัดโพแทสเซียมจากน้ำเกลือรูบิเดียม,ซีเซียมเป็นต้น

อุตสาหกรรมปิโตรเคมีตัวเร่งปฏิกิริยา,สารดูดความชื้นสารดูดซับ

เกษตรกรรม:ปรับปรุงดิน

ยา: โหลดเงินซีโอไลต์สารต้านแบคทีเรีย

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) มักถูกนำมาใช้ในปิโตรเลียมในอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทำให้ก๊าซบริสุทธิ์ และในห้องปฏิบัติการเคมีสำหรับการแยกสารสารประกอบและสารตั้งต้นปฏิกิริยาการอบแห้ง วัสดุเหล่านี้มีรูพรุนขนาดเล็กที่มีขนาดแม่นยำและสม่ำเสมอ และส่วนใหญ่ใช้เป็นสารดูดซับสำหรับก๊าซและของเหลว

ตะแกรงโมเลกุลขนาด 5 อังสตรอมใช้สำหรับอบแห้งก๊าซธรรมชาติพร้อมกับการแสดงการกำจัดกำมะถันและการกำจัดคาร์บอนของก๊าซ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการแยกส่วนผสมของออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน รวมถึงไฮโดรคาร์บอนชนิดน้ำมันและแว็กซ์ ออกจากไฮโดรคาร์บอนแบบกิ่งและแบบหลายวงได้อีกด้วย

สารดูดซับโมเลกุลขนาด 5 อังสตรอมจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้องความชื้นสัมพัทธ์บรรจุในถังกระดาษแข็งหรือบรรจุภัณฑ์กล่องกระดาษที่มีความเข้มข้นน้อยกว่า 90% ไม่ควรให้สารดูดซับโมเลกุลสัมผัสกับอากาศโดยตรง และควรหลีกเลี่ยงกรดและด่าง

ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของตะแกรงโมเลกุล

สารดูดซับโมเลกุลมีรูปทรงและขนาดที่หลากหลาย แต่เม็ดทรงกลมมีข้อดีกว่ารูปทรงอื่นๆ เนื่องจากมีการสูญเสียแรงดันต่ำกว่า ทนต่อการสึกหรอเพราะไม่มีขอบคม และมีความแข็งแรงดี กล่าวคือ แรงกดที่ต้องการต่อหน่วยพื้นที่สูงกว่า นอกจากนี้ สารดูดซับโมเลกุลแบบเม็ดบางชนิดยังมีค่าความจุความร้อนต่ำกว่า จึงใช้พลังงานในการฟื้นฟูสภาพน้อยกว่า

ข้อดีอีกประการหนึ่งของการใช้ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัดคือ ความหนาแน่นรวมมักจะสูงกว่ารูปทรงอื่นๆ ดังนั้นสำหรับความต้องการการดูดซับที่เท่ากัน ปริมาตรของตะแกรงโมเลกุลที่ต้องการจึงน้อยลง ดังนั้นในขณะที่ทำการปรับปรุงประสิทธิภาพการดูดซับ อาจใช้ตะแกรงโมเลกุลแบบลูกปัด บรรจุสารดูดซับได้มากขึ้นในปริมาตรเท่าเดิม และหลีกเลี่ยงการดัดแปลงภาชนะใดๆ