מסננת מולקולרית היא חומר בעל נקבוביות (חורים קטנים מאוד) בגודל אחיד

מסננת מולקולרית היא חומר בעל נקבוביות (חורים קטנים מאוד) בגודל אחיד. קוטרי הנקבוביות הללו דומים בגודלם למולקולות קטנות, ולכן מולקולות גדולות אינן יכולות להיכנס או להיספג, בעוד מולקולות קטנות יותר יכולות. כאשר תערובת של מולקולות נודדת דרך המצע הנייח של חומר נקבובי ומוצק למחצה המכונה מסננת (או מטריצה), הרכיבים בעלי המשקל המולקולרי הגבוה ביותר (שאינם מסוגלים לעבור לנקבוביות המולקולריות) עוזבים את המיטה תחילה, ואחריו מולקולות קטנות יותר ברציפות. כמה מסננות מולקולריות משמשות בכרומטוגרפיה של אי-הכללת גודל, טכניקת הפרדה הממיינת מולקולות על סמך גודלן. נפות מולקולריות אחרות משמשות כחומרי ייבוש (כמה דוגמאות כוללות פחם פעיל וסיליקה ג'ל).
קוטר הנקבוביות של מסננת מולקולרית נמדד ב-ångströms (Å) או ננומטרים (nm). לפי סימון IUPAC, לחומרים מיקרו-נקבים יש קוטר נקבוביות של פחות מ-2 ננומטר (20 Å) ולחומרים מאקרו-נקבוביים יש קוטר נקבוביות של יותר מ-50 ננומטר (500 Å); הקטגוריה המזופורית נמצאת אפוא באמצע עם קוטרי נקבוביות בין 2 ל-50 ננומטר (20-500 Å).
חומרים
מסננות מולקולריות יכולות להיות חומר מיקרו-נקבי, מזופורי או מקרו-נקבי.
חומר מיקרו נקבובי (
● זאוליטים (מינרלים אלומיניום סיליקט, לא להתבלבל עם אלומיניום סיליקט)
●Zeolite LTA: 3–4 Å
●זכוכית נקבובית: 10 Å (1 ננומטר), ומעלה
●פחמן פעיל: 0–20 Å (0–2 ננומטר), ומעלה
●חימר
● תערובות מונטמורילוניט
●הלויזיט (אנדליט): נמצאות שתי צורות נפוצות, כאשר הוא מלחלח החימר מציג מרווח של 1 ננומטר של השכבות וכשהוא מיובש (מטה-הלויזיט) המרווח הוא 0.7 ננומטר. Halloysite מופיע באופן טבעי כגלילים קטנים בקוטר ממוצע של 30 ננומטר עם אורכים שבין 0.5 ל-10 מיקרומטר.
חומר מזופורי (2-50 ננומטר)
סיליקון דו חמצני (משמש לייצור סיליקה ג'ל): 24 Å (2.4 ננומטר)
חומר מאקרופורי (>50 ננומטר)
סיליקה מאקרופורית, 200–1000 Å (20–100 ננומטר)
יישומים[עריכה]
נפות מולקולריות משמשות לעתים קרובות בתעשיית הנפט, במיוחד לייבוש זרמי גז. לדוגמה, בתעשיית הגז הטבעי הנוזלי (LNG), יש להפחית את תכולת המים של הגז לפחות מ-1 ppmv כדי למנוע חסימות הנגרמות על ידי קרח או מתאן קלתראט.
במעבדה משתמשים במסננות מולקולריות לייבוש ממס. "מסננות" הוכיחו את עצמן כעדיפות על טכניקות ייבוש מסורתיות, שלעתים קרובות משתמשות בחומרי ייבוש אגרסיביים.
תחת המונח זאוליטים, נפות מולקולריות משמשות למגוון רחב של יישומים קטליטיים. הם מזרזים איזומריזציה, אלקילציה ואפלוקסידציה, ומשמשים בתהליכים תעשייתיים בקנה מידה גדול, כולל הידרופיצוח ופיצוח קטליטי נוזלי.
הם משמשים גם בסינון אספקת אוויר למכשירי נשימה, למשל כאלה המשמשים צוללנים וכבאים. ביישומים כאלה, האוויר מסופק על ידי מדחס אוויר ומועבר דרך מסנן מחסנית אשר, בהתאם ליישום, מלא במסננת מולקולרית ו/או בפחם פעיל, ולבסוף משמש לטעינת מיכלי אוויר לנשימה. סינון כזה יכול להסיר חלקיקים ומוצרי פליטה של ​​מדחס מאספקת אוויר לנשימה.
אישור ה-FDA.
ה-FDA האמריקאי אישר החל מ-1 באפריל 2012 נתרן אלומינוזיליקט למגע ישיר עם פריטים מתכלים תחת 21 CFR 182.2727. לפני אישור זה השתמש האיחוד האירופי במסננות מולקולריות עם תרופות ובדיקות עצמאיות הצביעו על כך שמננות מולקולריות עומדות בכל דרישות הממשלה, אך התעשייה לא הייתה מוכנה לממן את הבדיקות היקרות שנדרשו לאישור הממשלה.
הִתחַדְשׁוּת
שיטות להתחדשות של נפות מולקולריות כוללות שינוי לחץ (כמו ברכזי חמצן), חימום וטיהור עם גז נשא (כמו בשימוש בהתייבשות אתנול), או חימום תחת ואקום גבוה. טמפרטורות התחדשות נעות בין 175°C (350°F) ל-315°C (600°F) בהתאם לסוג המסננת המולקולרית. לעומת זאת, ניתן לשחזר סיליקה ג'ל על ידי חימום בתנור רגיל ל-120 מעלות צלזיוס (250 מעלות פרנהייט) למשך שעתיים. עם זאת, סוגים מסוימים של סיליקה ג'ל "יקפוץ" כאשר הם נחשפים למספיק מים. זה נגרם משבירה של כדורי הסיליקה בעת מגע עם המים.

דֶגֶם	קוטר נקבוביות (אנגסטרום)	צפיפות נפח (גרם/מ"ל)	מים נספגים (% w/w)	שחיקה או שחיקה, W(% w/w)	נוֹהָג
3Å	3	0.60–0.68	19–20	0.3–0.6	יוֹבֶשׁשֶׁלפיצוח נפטגז ואלקנים, ספיחה סלקטיבית של H2O פנימהזכוכית מבודדת (IG)ופוליאוריתן, ייבוש שלדלק אתנוללשילוב עם בנזין.
4Å	4	0.60–0.65	20–21	0.3–0.6	ספיחה של מים פנימהנתרן אלומינוסיליקטאשר מאושר על ידי ה-FDA (ראהלְהַלָן) משמש כמסננת מולקולרית במיכלים רפואיים כדי לשמור על תוכן יבש וכדומהתוסף מזוןשישמספר אלקטרוניE-554 (חומר נגד התגבשות); מועדף להתייבשות סטטית במערכות נוזל או גז סגורות, למשל, באריזה של תרופות, רכיבים חשמליים וכימיקלים מתכלים; ניקוי מים במערכות דפוס ופלסטיק וייבוש זרמי פחמימנים רוויים. המינים הנספגים כוללים SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 ו-C3H6. נחשב בדרך כלל לחומר ייבוש אוניברסלי במדיה קוטבית ולא קוטבית;[12]הפרדה שלגז טבעיואלקנים, ספיחה של מים ללא רגישים לחנקןפוליאוריטן
5Å-DW	5	0.45–0.50	21–22	0.3–0.6	הסרת שומנים ודיכוי נקודת יציקה שלתְעוּפָה נֵפטודִיזֶל, והפרדת אלקנים
5Å קטן מועשר בחמצן	5	0.4–0.8	≥23		תוכנן במיוחד עבור מחולל חמצן רפואי או בריא[נדרש ציטוט]
5Å	5	0.60–0.65	20–21	0.3–0.5	ייבוש וטיהור אוויר;התייבשותוהסרת גופריתשל גז טבעי וגז נפט נוזלי;חַמצָןומֵימָןייצור על ידיספיחת תנודת לחץתַהֲלִיך
פי 10	8	0.50–0.60	23–24	0.3–0.6	ספיגה יעילה ביותר, משמשת בייבוש, שחרור פחמן, הסרת גופרית של גז ונוזלים והפרדה שלפחמימנים ארומטיים
13X	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	ייבוש, הסרת גופרית וטיהור גז נפט וגז טבעי
13X-AS	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	שחרור קרבוריזציהוייבוש בתעשיית הפרדת האוויר, הפרדת חנקן מחמצן ברכזי חמצן
Cu-13X	10	0.50–0.60	23–24	0.3–0.5	הַמתָקָה(הסרה שלתיולים) שלדלק תעופהומתאיםפחמימנים נוזליים

יכולות ספיחה

3Å

נוסחה כימית משוערת: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O

יחס סיליקה-אלומינה: SiO2/ Al2O3≈2

הֲפָקָה

מסננות מולקולריות 3A מיוצרות על ידי חילופי קטונים שלאֶשׁלָגָןעֲבוּרנַתרָןבמסננות מולקולריות 4A (ראה להלן)

נוֹהָג

מסננות מולקולריות 3Å אינן סופגות מולקולות שקוטרן גדול מ-3 Å. המאפיינים של מסננות מולקולריות אלו כוללים מהירות ספיחה מהירה, יכולת התחדשות תכופה, עמידות טובה לריסוקעמידות לזיהום. תכונות אלו יכולות לשפר הן את היעילות והן את אורך החיים של המסננת. מסננות מולקולריות בגודל 3Å הן חומר המייבש ההכרחי בתעשיות נפט וכימיקלים לזיקוק נפט, פילמור וייבוש בעומק גז-נוזל כימי.

נפות מולקולריות 3Å משמשות לייבוש מגוון חומרים, כגוןאתנול, אוויר,חומרי קירור,גז טבעיופחמימנים בלתי רוויים. האחרונים כוללים גז פיצוח,אֲצֵיטִילֵן,אתילן,פרופילןובוטאדיאן.

מסננת מולקולרית 3Å משמשת להסרת מים מהאתנול, שבהמשך ניתן להשתמש בהם ישירות כדלק ביולוגי או בעקיפין לייצור מוצרים שונים כגון כימיקלים, מזון, תרופות ועוד. מכיוון שזיקוק רגיל אינו יכול להסיר את כל המים (תוצר לוואי לא רצוי מייצור אתנול) מזרמי תהליך אתנול עקב היווצרות שלאזאוטרופבסביבות 95.6 אחוזי ריכוז במשקל, חרוזי מסננת מולקולרית משמשים להפרדת אתנול ומים ברמה מולקולרית על ידי ספיחת המים לתוך החרוזים ומאפשרת לאתנול לעבור בחופשיות. ברגע שהחרוזים מלאים במים, ניתן לשנות את הטמפרטורה או הלחץ, ולאפשר שחרור המים מחרוזי המסננת המולקולרית.[15]

מסננות מולקולריות 3Å מאוחסנות בטמפרטורת החדר, עם לחות יחסית של לא יותר מ-90%. הם אטומים בלחץ מופחת, מורחקים ממים, חומצות ואלקליות.

4Å

נוסחה כימית: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

יחס סיליקון-אלומיניום: 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)

הֲפָקָה

ייצור של מסננת 4Å הוא פשוט יחסית מכיוון שהוא אינו דורש לא לחצים גבוהים ולא טמפרטורות גבוהות במיוחד. בדרך כלל תמיסות מימיות שלנתרן סיליקטונתרן אלומינאטמשולבים ב-80 מעלות צלזיוס. המוצר הספוג בממס "מופעל" על ידי "אפייה" ב-400 מעלות צלזיוס מסננות 4A משמשות כמבשר למסננות 3A ו-5A דרךחילופי קטוניםשֶׁלנַתרָןעֲבוּראֶשׁלָגָן(עבור 3A) אוסִידָן(עבור 5A)

נוֹהָג

ייבוש ממיסים

נפות מולקולריות 4Å נמצאות בשימוש נרחב לייבוש ממיסים מעבדתיים. הם יכולים לספוג מים ומולקולות אחרות בקוטר קריטי של פחות מ-4 Å כמו NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 ו-C2H4. הם נמצאים בשימוש נרחב בייבוש, זיקוק וטיהור של נוזלים וגזים (כגון הכנת ארגון).

 

תוספי חומרי פוליאסטר[לַעֲרוֹך]

מסננות מולקולריות אלו משמשות לסיוע לחומרי ניקוי מכיוון שהם יכולים לייצר מים מופחתיםסִידָןהחלפת יונים, להסיר ולמנוע שקיעת לכלוך. הם נמצאים בשימוש נרחב להחלפהזַרחָן. המסננת המולקולרית 4Å ממלאת תפקיד מרכזי בהחלפת סודיום טריפוליפוספט כחומר עזר לדטרגנט על מנת להפחית את ההשפעה הסביבתית של חומר הניקוי. זה יכול לשמש גם בתור אסַבּוֹןחומר יוצר ובתוכומשחת שיניים.

טיפול בפסולת מזיקה

מסננות מולקולריות 4Å יכולות לטהר שפכים ממינים קטיוניים כגוןאַמוֹנִיוּםיונים, Pb2+, Cu2+, Zn2+ ו-Cd2+. בשל הסלקטיביות הגבוהה עבור NH4+ הם יושמו בהצלחה בשטח ללחימהאאוטרופיקציהוהשפעות אחרות בנתיבי מים עקב עודף יוני אמוניום. נפות מולקולריות 4Å שימשו גם להסרת יוני מתכות כבדות הנמצאות במים עקב פעילות תעשייתית.

מטרות אחרות

התעשיית מתכות: חומר הפרדה, הפרדה, מיצוי אשלגן מלח,רובידיום,צסיוםוכו'

תעשייה פטרוכימית,זָרָז,חוֹמֶר יְבּוּשׁ, סופח

חַקלָאוּת:מזגן אדמה

רפואה: טען כסףזאוליטסוכן אנטיבקטריאלי.

5Å

נוסחה כימית: 0.7CaO•0.30Na2O•Al2O3•2.0SiO2 •4.5H2O

יחס סיליקה-אלומינה: SiO2/ Al2O3≈2

הֲפָקָה

מסננות מולקולריות 5A מיוצרות על ידי חילופי קטונים שלסִידָןעֲבוּרנַתרָןבמסננות מולקולריות 4A (ראה למעלה)

נוֹהָג

חָמֵשׁ-ångסטרום(5Å) נפות מולקולריות משמשות לעתים קרובות בנֵפטתעשייה, במיוחד לטיהור זרמי גז ובמעבדה לכימיה להפרדהתרכובותוייבוש חומרי מוצא לתגובה. הם מכילים נקבוביות זעירות בגודל מדויק ואחיד, ומשמשות בעיקר כסופח לגזים ונוזלים.

מסננות מולקולריות של חמש אנגסטרום משמשות לייבושגז טבעי, יחד עם הופעההסרת גופריתושחרור פחמןשל הגז. הם יכולים לשמש גם להפרדת תערובות של חמצן, חנקן ומימן, ושעוות שמן n-פחמימנים מפחמימנים מסועפים ופוליציקליים.

מסננות מולקולריות של Five-ångström מאוחסנות בטמפרטורת החדר, עם אלחות יחסיתפחות מ-90% בחביות קרטון או אריזות קרטון. אין לחשוף ישירות את הנפות המולקולריות לאוויר ולמים, יש להימנע מחומצות ואלקליות.

מורפולוגיה של מסננות מולקולריות

נפות מולקולריות זמינות בצורות ובגדלים מגוונים. אבל לחרוזים הכדוריים יש יתרון על פני צורות אחרות מכיוון שהם מציעים ירידת לחץ נמוכה יותר, עמידים בפני שחיקה מכיוון שאין להם קצוות חדים, ובעלי חוזק טוב, כלומר כוח הריסוק הנדרש ליחידת שטח גבוה יותר. מסננות מולקולריות מסוימות עם חרוזים מציעות קיבולת חום נמוכה יותר ובכך מפחיתות את דרישות האנרגיה במהלך התחדשות.

היתרון הנוסף של שימוש במסננות מולקולריות עם חרוזים הוא שצפיפות התפזורת היא בדרך כלל גבוהה מזו של צורות אחרות, ולכן עבור אותה דרישת ספיחה נפח המסננת המולקולרית הדרוש הוא קטן יותר. לפיכך, תוך כדי ניקוי צווארי בקבוקים, ניתן להשתמש במסננות מולקולריות עם חרוזים, להעמיס יותר סופחים באותו נפח, ולהימנע מכל שינוי בכלי.