غربال مولکولی ماده ای با منافذ (سوراخ های بسیار کوچک) با اندازه یکنواخت است

غربال مولکولی ماده ای با منافذ (سوراخ های بسیار کوچک) با اندازه یکنواخت است.این قطر منافذ از نظر اندازه شبیه به مولکول های کوچک هستند و بنابراین مولکول های بزرگ نمی توانند وارد شوند یا جذب شوند، در حالی که مولکول های کوچکتر می توانند.همانطور که مخلوطی از مولکول ها از طریق بستر ثابت ماده متخلخل و نیمه جامد که به عنوان غربال (یا ماتریکس) شناخته می شود، مهاجرت می کند، اجزای دارای بالاترین وزن مولکولی (که قادر به عبور از منافذ مولکولی نیستند) ابتدا بستر را ترک می کنند. به دنبال آن مولکول های متوالی کوچکتر.برخی از غربال‌های مولکولی در کروماتوگرافی حذف اندازه استفاده می‌شوند، تکنیک جداسازی که مولکول‌ها را بر اساس اندازه آنها مرتب می‌کند.غربال های مولکولی دیگر به عنوان خشک کننده استفاده می شوند (برخی نمونه ها شامل زغال چوب فعال و سیلیکاژل می باشد).
قطر منافذ یک غربال مولکولی با واحد ångströms (Å) یا نانومتر (nm) اندازه گیری می شود.طبق نماد IUPAC، مواد ریز متخلخل دارای قطر منافذ کمتر از 2 نانومتر (20 Å) و مواد ماکرو متخلخل دارای قطر منافذ بیشتر از 50 نانومتر (500 Å) هستند.بنابراین دسته مزوپور در وسط با قطر منافذ بین 2 تا 50 نانومتر (20-500 Å) قرار دارد.
مواد
غربال های مولکولی می توانند مواد ریز متخلخل، مزوپور یا درشت متخلخل باشند.
مواد میکرو متخلخل (
زئولیت ها (کانی های آلومینوسیلیکاتی که نباید با سیلیکات آلومینیوم اشتباه شوند)
●زئولیت LTA: 3–4 Å
●شیشه متخلخل: 10 Å (1 نانومتر) و بالاتر
●کربن فعال: 0-20 Å (0-2 نانومتر) و بالاتر
●خاک رس
● مخلوط های مونت موریلونیت
●هالویزیت (اندلیت): دو شکل رایج یافت می‌شود، زمانی که خاک رس هیدراته می‌شود، فاصله لایه‌ها 1 نانومتر را نشان می‌دهد و زمانی که آب‌گیری می‌شود (متا هالویزیت) فاصله آن 0.7 نانومتر است.هالویزیت به طور طبیعی به صورت استوانه های کوچکی با قطر متوسط ​​30 نانومتر با طول های بین 0.5 تا 10 میکرومتر وجود دارد.
مواد مزوپور (2 تا 50 نانومتر)
دی اکسید سیلیکون (برای ساخت ژل سیلیکا): 24 Å (2.4 نانومتر)
مواد ماکرو متخلخل (>50 نانومتر)
سیلیس ماکرو متخلخل، 200-1000 Å (20-100 نانومتر)
برنامه های کاربردی[ویرایش]
غربال های مولکولی اغلب در صنعت نفت، به ویژه برای خشک کردن جریان های گاز استفاده می شوند.به عنوان مثال، در صنعت گاز طبیعی مایع (LNG)، محتوای آب گاز باید به کمتر از 1 ppmv کاهش یابد تا از انسداد ناشی از یخ یا کلترات متان جلوگیری شود.
در آزمایشگاه از غربال های مولکولی برای خشک کردن حلال استفاده می شود.ثابت شده است که "الک" نسبت به تکنیک های خشک کردن سنتی که اغلب از خشک کننده های تهاجمی استفاده می کنند برتری دارند.
تحت عنوان زئولیت ها، غربال های مولکولی برای طیف وسیعی از کاربردهای کاتالیزوری استفاده می شود.آنها ایزومریزاسیون، آلکیلاسیون و اپوکسیداسیون را کاتالیز می کنند و در فرآیندهای صنعتی در مقیاس بزرگ، از جمله هیدروکراکینگ و کراکینگ کاتالیزوری سیال استفاده می شوند.
آنها همچنین در فیلتر کردن منابع هوا برای دستگاه های تنفسی استفاده می شوند، به عنوان مثال مواردی که توسط غواصان و آتش نشانان استفاده می شود.در چنین کاربردهایی، هوا توسط یک کمپرسور هوا تامین می شود و از یک فیلتر کارتریج عبور می کند که بسته به کاربرد، با غربال مولکولی و/یا کربن فعال پر می شود و در نهایت برای شارژ مخازن هوای تنفسی استفاده می شود. چنین فیلتراسیونی می تواند ذرات را حذف کند. و محصولات اگزوز کمپرسور از منبع هوای تنفسی.
تاییدیه FDA
FDA ایالات متحده از 1 آوریل 2012، سدیم آلومینوسیلیکات را برای تماس مستقیم با اقلام مصرفی تحت 21 CFR 182.2727 تأیید کرده است. قبل از این تأیید، اتحادیه اروپا از غربال های مولکولی با مواد دارویی استفاده کرده بود و آزمایش های مستقل پیشنهاد کرده بود که غربال های مولکولی تمام الزامات دولتی را برآورده می کند. این صنعت تمایلی به تامین هزینه آزمایش های گران قیمت مورد نیاز برای تایید دولت نداشت.
بازسازی
روش‌های بازسازی غربال‌های مولکولی عبارتند از: تغییر فشار (مانند تغلیظ‌کننده‌های اکسیژن)، حرارت دادن و پاک‌سازی با گاز حامل (مانند زمانی که در آب‌گیری اتانول استفاده می‌شود)، یا گرم کردن تحت خلاء بالا.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، سیلیکاژل را می توان با حرارت دادن آن در یک فر معمولی تا 120 درجه سانتی گراد (250 درجه فارنهایت) به مدت دو ساعت بازسازی کرد.با این حال، برخی از انواع سیلیکاژل زمانی که در معرض آب کافی قرار می گیرند، «ترک می کنند».این به دلیل شکستن کره های سیلیس در هنگام تماس با آب است.

مدل	قطر منافذ (آنگستروم)	چگالی ظاهری (g/ml)	آب جذب شده (% w/w)	ساییدگی یا سایش، W(% وزنی)	استفاده
3Å	3	0.60-0.68	19-20	0.3-0.6	خشک شدنازکراکینگ نفتیگاز و آلکن، جذب انتخابی H2O درشیشه عایق (IG)و پلی اورتان، خشک کردنسوخت اتانولبرای ترکیب با بنزین
4A	4	0.60-0.65	20-21	0.3-0.6	جذب آب درسدیم آلومینوسیلیکاتکه مورد تایید FDA است (نگاه کنید بهزیر) به عنوان الک مولکولی در ظروف پزشکی برای خشک نگه داشتن محتویات استفاده می شود و به عنوانافزودنی مواد غذاییداشتنشماره الکترونیکیE-554 (عامل ضد جوش)؛برای آبگیری ساکن در سیستم های بسته مایع یا گاز ترجیح داده می شود، به عنوان مثال، در بسته بندی داروها، اجزای الکتریکی و مواد شیمیایی فاسد شدنی.حذف آب در سیستم های چاپ و پلاستیک و خشک کردن جریان های هیدروکربن اشباع.گونه های جذب شده عبارتند از SO2، CO2، H2S، C2H4، C2H6 و C3H6.به طور کلی یک عامل خشک کننده جهانی در محیط های قطبی و غیر قطبی در نظر گرفته می شود.[12]جدایی ازگاز طبیعیوآلکن ها، جذب آب در غیر حساس به نیتروژنپلی اورتان
5Å-DW	5	0.45-0.50	21-22	0.3-0.6	چربی زدایی و افسردگی نقطه ریزشهواپیمایی نفت سفیدودیزلو جداسازی آلکن ها
5Å کوچک غنی شده با اکسیژن	5	0.4-0.8	≥23		طراحی ویژه برای ژنراتور اکسیژن پزشکی یا سالم[استناد مورد نیاز است]
5A	5	0.60-0.65	20-21	0.3-0.5	خشک شدن و تصفیه هوا؛کم آبی بدنوگوگرد زداییگاز طبیعی وگاز مایع نفتی;اکسیژنوهیدروژنتولید توسطجذب نوسان فشارروند
10X	8	0.50-0.60	23-24	0.3-0.6	جذب با کارایی بالا، مورد استفاده در خشک کردن، کربن زدایی، گوگرد زدایی از گاز و مایعات و جداسازیهیدروکربن آروماتیک
13X	10	0.55-0.65	23-24	0.3-0.5	خشک کردن، گوگرد زدایی و خالص سازی گازهای نفتی و گاز طبیعی
13X-AS	10	0.55-0.65	23-24	0.3-0.5	کربن زداییو خشک شدن در صنعت جداسازی هوا، جداسازی نیتروژن از اکسیژن در غلیظ کننده های اکسیژن
Cu-13X	10	0.50-0.60	23-24	0.3-0.5	شیرین کننده(حذفتیول ها) ازسوخت هواپیماو مربوطههیدروکربن های مایع

قابلیت جذب

3Å

فرمول شیمیایی تقریبی: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O

نسبت سیلیس به آلومینا: SiO2/Al2O3≈2

تولید

غربال های مولکولی 3A با تبادل کاتیونی تولید می شوندپتاسیمبرایسدیمدر غربال های مولکولی 4A (به زیر مراجعه کنید)

استفاده

غربال های مولکولی 3A مولکول هایی را که قطر آنها بزرگتر از 3 Å است جذب نمی کنند.از ویژگی های این غربال های مولکولی می توان به سرعت جذب سریع، توانایی بازسازی مکرر، مقاومت در برابر خرد شدن خوب ومقاومت در برابر آلودگی.این ویژگی ها می توانند هم کارایی و هم طول عمر الک را بهبود بخشند.الک های مولکولی 3A ماده خشک کننده لازم در صنایع نفت و شیمیایی برای تصفیه روغن، پلیمریزاسیون و خشک کردن عمقی گاز-مایع شیمیایی هستند.

الک های مولکولی 3Å برای خشک کردن طیف وسیعی از مواد ماننداتانول، هوا،مبردها،گاز طبیعیوهیدروکربن های غیر اشباع.مورد دوم شامل گاز ترک خوردگی است،استیلن،اتیلن،پروپیلنوبوتادین.

الک مولکولی 3Å برای حذف آب از اتانول استفاده می شود که بعداً می تواند مستقیماً به عنوان سوخت زیستی یا غیرمستقیم برای تولید محصولات مختلف مانند مواد شیمیایی، غذاها، داروها و غیره استفاده شود.از آنجایی که تقطیر معمولی به دلیل تشکیل یکآزئوتروپدر غلظت 95.6 درصد وزنی، دانه‌های غربال مولکولی برای جداسازی اتانول و آب در سطح مولکولی با جذب آب به درون دانه‌ها و اجازه عبور آزادانه اتانول استفاده می‌شوند.هنگامی که مهره ها پر از آب شدند، دما یا فشار را می توان دستکاری کرد و اجازه داد آب از دانه های غربال مولکولی آزاد شود.[15]

الک های مولکولی 3Å در دمای اتاق با رطوبت نسبی بیش از 90 درصد ذخیره می شوند.آنها تحت فشار کاهش یافته مهر و موم شده و دور از آب، اسیدها و مواد قلیایی نگهداری می شوند.

4A

فرمول شیمیایی: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

نسبت سیلیکون به آلومینیوم: 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)

تولید

تولید الک 4A نسبتاً ساده است زیرا نه به فشار زیاد و نه به درجه حرارت بالا نیاز دارد.به طور معمول محلول های آبی ازسیلیکات سدیموآلومینات سدیمدر دمای 80 درجه سانتی گراد ترکیب می شوند.محصول آغشته به حلال با "پخت" در دمای 400 درجه سانتیگراد فعال می شود.تبادل کاتیونیازسدیمبرایپتاسیم(برای 3A) یاکلسیم(برای 5A)

استفاده

حلال های خشک کردن

غربال های مولکولی 4A به طور گسترده ای برای خشک کردن حلال های آزمایشگاهی استفاده می شود.آنها می توانند آب و سایر مولکول های با قطر بحرانی کمتر از 4 A مانند NH3، H2S، SO2، CO2، C2H5OH، C2H6 و C2H4 را جذب کنند.آنها به طور گسترده در خشک کردن، تصفیه و خالص سازی مایعات و گازها (مانند تهیه آرگون) استفاده می شوند.

 

مواد افزودنی عامل پلی استر[ویرایش کنید]

این غربال‌های مولکولی برای کمک به مواد شوینده استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند آب غیر معدنی تولید کنندکلسیمتبادل یون، حذف و جلوگیری از رسوب کثیفی.آنها به طور گسترده ای برای جایگزینی استفاده می شوندفسفر.غربال مولکولی 4Å نقش اصلی را برای جایگزینی تری پلی فسفات سدیم به عنوان ماده شوینده کمکی ایفا می کند تا اثرات زیست محیطی مواد شوینده را کاهش دهد.همچنین می توان از آن به عنوان یکصابونعامل تشکیل و درخمیر دندان.

درمان زباله های مضر

غربال های مولکولی 4Å می توانند فاضلاب گونه های کاتیونی مانندآمونیومیون‌ها، Pb2+، Cu2+، Zn2+ و Cd2+.با توجه به گزینش پذیری بالا برای NH4+ آنها با موفقیت در میدان برای مبارزه به کار گرفته شده انداوتروفیکاسیونو اثرات دیگر در آبراه ها به دلیل یون های آمونیوم بیش از حد.غربال های مولکولی 4Å همچنین برای حذف یون های فلزات سنگین موجود در آب به دلیل فعالیت های صنعتی استفاده شده است.

اهداف دیگر

راصنعت متالورژی: عامل جداکننده، جداسازی، استخراج پتاسیم آب نمک،روبیدیم،سزیم، و غیره.

صنعت پتروشیمی،کاتالیزور،خشک کننده، جاذب

کشاورزی:تهویه کننده خاک

دارو: بار نقرهزئولیتعامل آنتی باکتریال

5A

فرمول شیمیایی: 0.7CaO•0.30Na2O•Al2O3•2.0SiO2•4.5H2O

نسبت سیلیس به آلومینا: SiO2/Al2O3≈2

تولید

غربال های مولکولی 5A با تبادل کاتیونی تولید می شوندکلسیمبرایسدیمدر غربال های مولکولی 4A (به بالا مراجعه کنید)

استفاده

پنج-ångströmغربال های مولکولی (5Å) اغلب در مورد استفاده قرار می گیرندنفتصنعت، به ویژه برای تصفیه جریان های گاز 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 می شوند.

برای خشک کردن از الک های مولکولی پنج انگستروم استفاده می شودگاز طبیعی، همراه با اجراگوگرد زداییوکربن زداییاز گازآنها همچنین می توانند برای جدا کردن مخلوط های اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و هیدروکربن های n- موم روغن از هیدروکربن های شاخه دار و چند حلقه ای استفاده شوند.

غربال های مولکولی پنج ångström در دمای اتاق ذخیره می شوندرطوبت نسبیکمتر از 90٪ در بشکه های مقوایی یا بسته بندی کارتن.غربال‌های مولکولی نباید مستقیماً در معرض هوا و آب قرار گیرند، از اسیدها و قلیاها اجتناب شود.

مورفولوژی غربال های مولکولی

غربال های مولکولی در شکل ها و اندازه های مختلف موجود هستند.اما مهره های کروی نسبت به سایر اشکال برتری دارند زیرا افت فشار کمتری را ارائه می دهند، در برابر ساییدگی مقاوم هستند زیرا لبه های تیز ندارند و استحکام خوبی دارند، یعنی نیروی خرد شدن مورد نیاز در واحد سطح بیشتر است.برخی از غربال‌های مولکولی مهره‌دار ظرفیت گرمایی کمتری را ارائه می‌کنند، بنابراین انرژی مورد نیاز را در طول بازسازی کاهش می‌دهند.

مزیت دیگر استفاده از الک های مولکولی مهره ای این است که چگالی ظاهری معمولاً بیشتر از شکل های دیگر است، بنابراین برای همان نیاز جذب، حجم الک مولکولی مورد نیاز کمتر است.بنابراین هنگام انجام گلوگاه زدایی، می‌توان از غربال‌های مولکولی مهره‌دار استفاده کرد، جاذب بیشتری را در همان حجم بارگذاری کرد و از هرگونه تغییر ظرف اجتناب کرد.