غربال مولکولی ماده‌ای با منافذ (سوراخ‌های بسیار کوچک) با اندازه یکنواخت است. قطر این منافذ از نظر اندازه مشابه مولکول‌های کوچک است و بنابراین مولکول‌های بزرگ نمی‌توانند وارد شوند یا جذب شوند، در حالی که مولکول‌های کوچکتر می‌توانند. هنگامی که مخلوطی از مولکول‌ها از طریق بستر ثابت ماده متخلخل و نیمه جامد که به عنوان غربال (یا ماتریس) شناخته می‌شود، مهاجرت می‌کنند، اجزای با بالاترین وزن مولکولی (که قادر به عبور از منافذ مولکولی نیستند) ابتدا بستر را ترک می‌کنند و به دنبال آن مولکول‌های کوچکتر به ترتیب خارج می‌شوند. برخی از غربال‌های مولکولی در کروماتوگرافی طرد اندازه، یک تکنیک جداسازی که مولکول‌ها را بر اساس اندازه آنها مرتب می‌کند، استفاده می‌شوند. سایر غربال‌های مولکولی به عنوان خشک‌کننده استفاده می‌شوند (برخی از نمونه‌ها شامل زغال فعال و سیلیکاژل هستند).
قطر منافذ یک غربال مولکولی بر حسب آنگستروم (Å) یا نانومتر (nm) اندازه‌گیری می‌شود. طبق نمادگذاری آیوپاک، مواد میکرومتخلخل دارای قطر منافذ کمتر از 2 نانومتر (20 Å) و مواد ماکرومتخلخل دارای قطر منافذ بیشتر از 50 نانومتر (500 Å) هستند. بنابراین، دسته مزومتخلخل در وسط قرار دارد و قطر منافذ آن بین 2 تا 50 نانومتر (20-500 Å) است.
مواد
غربال‌های مولکولی می‌توانند از جنس میکرومتخلخل، مزومتخلخل یا ماکرومتخلخل باشند.
مواد ریز متخلخل (
●زئولیت‌ها (کانی‌های آلومینوسیلیکات، که نباید با سیلیکات آلومینیوم اشتباه گرفته شوند)
●زئولیت LTA: ۳-۴ آنگستروم
●شیشه متخلخل: 10 آنگستروم (1 نانومتر) و بالاتر
● کربن فعال: 0-20 آنگستروم (0-2 نانومتر) و بالاتر
● خاک رس
●میکس‌های مونت‌موریلونیت
●هالویزیت (اندلیت): دو شکل رایج از آن یافت می‌شود، وقتی خاک رس هیدراته می‌شود، فاصله لایه‌ها ۱ نانومتر است و وقتی دهیدراته می‌شود (متا-هالویزیت) فاصله لایه‌ها ۰.۷ نانومتر است. هالویزیت به طور طبیعی به صورت استوانه‌های کوچکی با قطر متوسط ۳۰ نانومتر و طول بین ۰.۵ تا ۱۰ میکرومتر وجود دارد.
مواد مزومتخلخل (۲ تا ۵۰ نانومتر)
دی اکسید سیلیکون (مورد استفاده برای ساخت ژل سیلیکا): 24 آنگستروم (2.4 نانومتر)
مواد ماکرومتخلخل (>50 نانومتر)
سیلیس ماکرومتخلخل، 200-1000 آنگستروم (20-100 نانومتر)
کاربردها[ویرایش]
غربال‌های مولکولی اغلب در صنعت نفت، به ویژه برای خشک کردن جریان‌های گازی، مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در صنعت گاز طبیعی مایع (LNG)، برای جلوگیری از انسداد ناشی از یخ یا کلاتریت متان، باید میزان آب گاز به کمتر از ۱ ppmv کاهش یابد.
در آزمایشگاه، از غربال‌های مولکولی برای خشک کردن حلال استفاده می‌شود. "غربال‌ها" نسبت به تکنیک‌های خشک کردن سنتی که اغلب از خشک‌کننده‌های قوی استفاده می‌کنند، برتری خود را ثابت کرده‌اند.
تحت عنوان زئولیت‌ها، غربال‌های مولکولی برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای کاتالیزوری استفاده می‌شوند. آنها ایزومریزاسیون، آلکیلاسیون و اپوکسیداسیون را کاتالیز می‌کنند و در فرآیندهای صنعتی در مقیاس بزرگ، از جمله هیدروکراکینگ و کراکینگ کاتالیزوری سیال، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آنها همچنین در فیلتراسیون منابع هوای مورد نیاز برای دستگاه تنفس، به عنوان مثال آنهایی که توسط غواصان اسکوبا و آتش نشانان استفاده می‌شوند، استفاده می‌شوند. در چنین کاربردهایی، هوا توسط یک کمپرسور هوا تأمین می‌شود و از یک فیلتر کارتریج عبور می‌کند که بسته به کاربرد، با غربال مولکولی و/یا کربن فعال پر شده است و در نهایت برای شارژ مخازن هوای تنفسی استفاده می‌شود. چنین فیلتراسیونی می‌تواند ذرات و محصولات اگزوز کمپرسور را از منبع هوای تنفسی حذف کند.
تاییدیه سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA).
سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) از اول آوریل ۲۰۱۲، سدیم آلومینوسیلیکات را برای تماس مستقیم با اقلام مصرفی تحت 21 CFR 182.2727 تأیید کرده است. پیش از این تأیید، اتحادیه اروپا از غربال‌های مولکولی با داروها استفاده می‌کرد و آزمایش‌های مستقل نشان می‌داد که غربال‌های مولکولی تمام الزامات دولتی را برآورده می‌کنند، اما صنعت تمایلی به تأمین مالی آزمایش‌های گران‌قیمت مورد نیاز برای تأیید دولتی نداشت.
بازسازی
روش‌های بازسازی غربال‌های مولکولی شامل تغییر فشار (مانند تغلیظ‌کننده‌های اکسیژن)، گرمایش و پاکسازی با گاز حامل (مانند زمانی که در آب‌زدایی اتانول استفاده می‌شود) یا گرمایش تحت خلاء بالا است. دمای بازسازی بسته به نوع غربال مولکولی از 175 درجه سانتیگراد (350 درجه فارنهایت) تا 315 درجه سانتیگراد (600 درجه فارنهایت) متغیر است. در مقابل، ژل سیلیکا را می‌توان با گرم کردن آن در یک فر معمولی تا 120 درجه سانتیگراد (250 درجه فارنهایت) به مدت دو ساعت بازسازی کرد. با این حال، برخی از انواع ژل سیلیکا در صورت قرار گرفتن در معرض آب کافی "ترکیده" می‌شوند. این امر به دلیل شکستن کره‌های سیلیکا هنگام تماس با آب ایجاد می‌شود.
| مدل | قطر منافذ (آنگستروم) | چگالی ظاهری (گرم در میلی‌لیتر) | آب جذب شده (٪ وزنی/وزنی) | ساییدگی یا خراش، W(درصد وزنی/وزنی) | کاربرد |
| ۳Å | 3 | ۰.۶۰–۰.۶۸ | ۱۹–۲۰ | ۰.۳–۰.۶ | خشک شدنازکراکینگ نفتیگاز و آلکن‌ها، جذب انتخابی H2O درشیشه عایق (IG)و پلی اورتان، خشک شدنسوخت اتانولبرای ترکیب با بنزین |
| ۴Å | 4 | ۰.۶۰–۰.۶۵ | ۲۰–۲۱ | ۰.۳–۰.۶ | جذب آب درسدیم آلومینوسیلیکاتکه مورد تایید سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) است (مراجعه کنید به)زیر) به عنوان غربال مولکولی در ظروف پزشکی برای خشک نگه داشتن محتویات و ... استفاده می‌شود.افزودنی غذاییداشتنشماره الکترونیکیE-554 (عامل ضد کلوخه شدن)؛ برای آب‌زدایی استاتیک در سیستم‌های بسته مایع یا گاز، به عنوان مثال، در بسته‌بندی داروها، قطعات الکتریکی و مواد شیمیایی فاسدشدنی؛ جذب آب در سیستم‌های چاپ و پلاستیک و خشک کردن جریان‌های هیدروکربنی اشباع ترجیح داده می‌شود. گونه‌های جذب‌شده شامل SO2، CO2، H2S، C2H4، C2H6 و C3H6 هستند. عموماً به عنوان یک عامل خشک‌کننده جهانی در محیط‌های قطبی و غیرقطبی در نظر گرفته می‌شود.[12]جدایی ازگاز طبیعیوآلکن‌هاجذب آب در محیط‌های غیر حساس به نیتروژنپلی اورتان |
| 5Å-DW | 5 | ۰.۴۵–۰.۵۰ | ۲۱–۲۲ | ۰.۳–۰.۶ | چربی‌زدایی و کاهش نقطه ریزشهوانوردی نفت سفیدودیزلو جداسازی آلکن‌ها |
| ۵Å کوچک غنی‌شده با اکسیژن | 5 | ۰.۴–۰.۸ | ۲۳ پوند | به طور ویژه برای ژنراتور اکسیژن پزشکی یا سالم طراحی شده است [استناد مورد نیاز] | |
| ۵Å | 5 | ۰.۶۰–۰.۶۵ | ۲۰–۲۱ | ۰.۳–۰.۵ | خشک کردن و تصفیه هوا؛کم آبی بدنوگوگردزداییاز گاز طبیعی وگاز مایع نفتی;اکسیژنوهیدروژنتولید توسطجذب نوسان فشارفرآیند |
| ۱۰ برابر | 8 | ۰.۵۰–۰.۶۰ | ۲۳–۲۴ | ۰.۳–۰.۶ | جذب با راندمان بالا، مورد استفاده در خشک کردن، کربن‌زدایی، گوگردزدایی گاز و مایعات و جداسازیهیدروکربن آروماتیک |
| ۱۳X | 10 | ۰.۵۵–۰.۶۵ | ۲۳–۲۴ | ۰.۳–۰.۵ | خشک کردن، گوگردزدایی و تصفیه گاز طبیعی و نفت |
| 13X-AS | 10 | ۰.۵۵–۰.۶۵ | ۲۳–۲۴ | ۰.۳–۰.۵ | کربن‌زداییو خشک‌سازی در صنعت جداسازی هوا، جداسازی نیتروژن از اکسیژن در تغلیظ‌کننده‌های اکسیژن |
| مس-13X | 10 | ۰.۵۰–۰.۶۰ | ۲۳–۲۴ | ۰.۳–۰.۵ | شیرین‌سازی(حذفتیول‌ها) ازسوخت هواپیماو متناظرهیدروکربن‌های مایع |
قابلیت‌های جذب
۳Å
فرمول شیمیایی تقریبی: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O
نسبت سیلیس به آلومینا: SiO2/Al2O3≈2
تولید
غربال‌های مولکولی 3A با تبادل کاتیونی تولید می‌شوند.پتاسیمبرایسدیمدر غربال‌های مولکولی 4A (به پایین مراجعه کنید)
کاربرد
غربال‌های مولکولی 3Å مولکول‌هایی را که قطر آنها بزرگتر از 3Å است، جذب نمی‌کنند. از ویژگی‌های این غربال‌های مولکولی می‌توان به سرعت جذب بالا، توانایی بازسازی مکرر، مقاومت خوب در برابر خرد شدن و ... اشاره کرد.مقاومت در برابر آلودگیاین ویژگی‌ها می‌توانند هم کارایی و هم طول عمر غربال را بهبود بخشند. غربال‌های مولکولی 3Å جاذب رطوبت لازم در صنایع نفت و شیمی برای پالایش نفت، پلیمریزاسیون و خشک کردن عمیق گاز-مایع شیمیایی هستند.
غربال‌های مولکولی ۳Å برای خشک کردن طیف وسیعی از مواد، مانند موارد زیر استفاده می‌شوند:اتانول، هوا،مبردها،گاز طبیعیوهیدروکربن‌های غیراشباعمورد دوم شامل گاز کراکینگ می‌شود،استیلن،اتیلن،پروپیلنوبوتادین.
از غربال مولکولی ۳Å برای حذف آب از اتانول استفاده می‌شود که بعداً می‌تواند مستقیماً به عنوان سوخت زیستی یا غیرمستقیم برای تولید محصولات مختلفی مانند مواد شیمیایی، مواد غذایی، دارویی و موارد دیگر مورد استفاده قرار گیرد. از آنجایی که تقطیر معمولی نمی‌تواند تمام آب (یک محصول جانبی نامطلوب از تولید اتانول) را از جریان‌های فرآیند اتانول به دلیل تشکیل ... حذف کند.آزئوتروپبا غلظت حدود ۹۵.۶ درصد وزنی، از دانه‌های غربال مولکولی برای جداسازی اتانول و آب در سطح مولکولی استفاده می‌شود. این کار با جذب آب به درون دانه‌ها و اجازه دادن به اتانول برای عبور آزادانه انجام می‌شود. هنگامی که دانه‌ها پر از آب شدند، می‌توان دما یا فشار را تغییر داد و به آب اجازه داد تا از دانه‌های غربال مولکولی آزاد شود.[15]
غربال‌های مولکولی 3Å در دمای اتاق و با رطوبت نسبی حداکثر 90٪ نگهداری می‌شوند. آنها تحت فشار کاهش یافته مهر و موم می‌شوند و از آب، اسیدها و قلیاها دور نگه داشته می‌شوند.
۴Å
فرمول شیمیایی: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O
نسبت سیلیکون به آلومینیوم: ۱:۱ (SiO2/Al2O3≈2)
تولید
تولید الک ۴Å نسبتاً ساده است زیرا نه به فشار بالا و نه به دمای بالا نیاز دارد. معمولاً محلول‌های آبی ازسیلیکات سدیموسدیم آلومیناتدر دمای ۸۰ درجه سانتیگراد با هم ترکیب می‌شوند. محصول آغشته به حلال با "پخت" در دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد "فعال" می‌شود. الک‌های ۴A به عنوان پیش‌ساز الک‌های ۳A و ۵A عمل می‌کنند.تبادل کاتیونیازسدیمبرایپتاسیم(برای 3A) یاکلسیم(برای 5A)
کاربرد
حلال‌های خشک‌کننده
غربال‌های مولکولی ۴Å به طور گسترده برای خشک کردن حلال‌های آزمایشگاهی استفاده می‌شوند. آنها می‌توانند آب و سایر مولکول‌ها با قطر بحرانی کمتر از ۴Å مانند NH3، H2S، SO2، CO2، C2H5OH، C2H6 و C2H4 را جذب کنند. آنها به طور گسترده در خشک کردن، تصفیه و خالص‌سازی مایعات و گازها (مانند تهیه آرگون) استفاده می‌شوند.
افزودنی‌های عامل پلی‌استر[ویرایش]
این غربال‌های مولکولی برای کمک به مواد شوینده استفاده می‌شوند زیرا می‌توانند از طریق ... آب بدون مواد معدنی تولید کنند.کلسیمتبادل یونی، حذف و جلوگیری از رسوب آلودگی. آنها به طور گسترده برای جایگزینی استفاده می‌شوندفسفرغربال مولکولی 4Å نقش مهمی در جایگزینی سدیم تری پلی فسفات به عنوان کمکی شوینده به منظور کاهش اثرات زیست محیطی شوینده ایفا می‌کند. همچنین می‌تواند به عنوان ...صابونعامل تشکیل دهنده و درخمیر دندان.
تصفیه زباله‌های مضر
غربال‌های مولکولی ۴Å می‌توانند فاضلاب را از گونه‌های کاتیونی مانند ... تصفیه کنند.آمونیومیون‌ها، Pb2+، Cu2+، Zn2+ و Cd2+. به دلیل گزینش‌پذیری بالا برای NH4+، آنها با موفقیت در این زمینه برای مبارزه با [آلودگی‌های محیطی] به کار گرفته شده‌اند.یوتریفیکاسیونو سایر اثرات در آبراه‌ها به دلیل یون‌های آمونیوم بیش از حد. غربال‌های مولکولی 4Å همچنین برای حذف یون‌های فلزات سنگین موجود در آب به دلیل فعالیت‌های صنعتی استفاده شده‌اند.
اهداف دیگر
صنعت متالورژی: عامل جداکننده، جداسازی، استخراج پتاسیم از آب نمک،روبیدیم،سزیمو غیره
صنعت پتروشیمی،کاتالیزور،خشک کننده، جاذب
کشاورزی:اصلاح کننده خاک
پزشکی: نقره را بارگیری کنیدزئولیتعامل ضد باکتری.
۵Å
فرمول شیمیایی: 0.7CaO•0.30Na2O•Al2O3•2.0SiO2 •4.5H2O
نسبت سیلیس به آلومینا: SiO2/Al2O3≈2
تولید
غربال‌های مولکولی 5A با تبادل کاتیونی تولید می‌شوند.کلسیمبرایسدیمدر غربال‌های مولکولی 4A (به بالا مراجعه کنید)
کاربرد
پنج-آنگسترومغربال‌های مولکولی (5Å) اغلب در موارد زیر استفاده می‌شوند:نفتصنعت، به ویژه برای تصفیه جریان‌های گازی و در آزمایشگاه شیمی برای جداسازیترکیباتو مواد اولیه واکنش خشک کردن. آنها حاوی منافذ ریز با اندازه دقیق و یکنواخت هستند و عمدتاً به عنوان جاذب گازها و مایعات استفاده می‌شوند.
برای خشک کردن از غربال‌های مولکولی پنج آنگستروم استفاده می‌شود.گاز طبیعیهمراه با اجراگوگردزداییوکربن‌زداییاز گاز. همچنین می‌توان از آنها برای جداسازی مخلوط‌های اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و هیدروکربن‌های نرمال موم روغنی از هیدروکربن‌های شاخه‌دار و چند حلقه‌ای استفاده کرد.
غربال‌های مولکولی پنج آنگستروم در دمای اتاق و با ... نگهداری می‌شوند.رطوبت نسبیکمتر از ۹۰٪ در بشکه‌های مقوایی یا بسته‌بندی کارتنی. غربال‌های مولکولی نباید مستقیماً در معرض هوا قرار گیرند و باید از تماس با آب، اسیدها و قلیاها اجتناب شود.
ریخت‌شناسی غربال‌های مولکولی
غربال‌های مولکولی در شکل‌ها و اندازه‌های متنوعی موجود هستند. اما دانه‌های کروی نسبت به سایر اشکال مزیت دارند زیرا افت فشار کمتری دارند، به دلیل نداشتن لبه‌های تیز در برابر سایش مقاوم هستند و استحکام خوبی دارند، یعنی نیروی خردایش مورد نیاز در واحد سطح بیشتر است. برخی از غربال‌های مولکولی دانه‌ای ظرفیت گرمایی کمتری دارند و در نتیجه در طول بازسازی به انرژی کمتری نیاز دارند.
مزیت دیگر استفاده از غربال‌های مولکولی دانه‌ای این است که چگالی حجمی آنها معمولاً بیشتر از سایر شکل‌ها است، بنابراین برای نیاز جذب یکسان، حجم غربال مولکولی مورد نیاز کمتر است. بنابراین هنگام انجام رفع گلوگاه، می‌توان از غربال‌های مولکولی دانه‌ای استفاده کرد، جاذب بیشتری را در همان حجم بارگذاری کرد و از هرگونه اصلاح مخزن جلوگیری کرد.
زمان ارسال: ۱۸ ژوئیه ۲۰۲۳
