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 שמולקולות קטנות יותר כן. כאשר תערובת של מולקולות נודדת דרך המצע הנייח של חומר נקבובי וחצי מוצק המכונה מסננת (או מטריצה), הרכיבים בעלי המשקל המולקולרי הגבוה ביותר (שאינם מסוגלים לעבור לנקבוביות המולקולריות) עוזבים את המצע תחילה, ואחריהם מולקולות קטנות יותר ויותר. חלק מהמסננות המולקולריות משמשות בכרומטוגרפיית אי-גודל, טכניקת הפרדה הממיינת מולקולות לפי גודלן. מסננות מולקולריות אחרות משמשות כיבושים (דוגמאות כוללות פחם פעיל וסיליקה ג'ל).
קוטר הנקבוביות של מסננת מולקולרית נמדד באנגסטרום (Å) או ננומטר (nm). על פי הסימון של IUPAC, לחומרים מיקרופורוזיים יש קוטר נקבוביות של פחות מ-2 ננומטר (20Å) ולחומרים מקרופורוזיים יש קוטר נקבוביות של יותר מ-50 ננומטר (500Å); לפיכך, הקטגוריה המזופורית נמצאת באמצע עם קוטר נקבוביות בין 2 ל-50 ננומטר (20-500Å).
חומרים
מסננות מולקולריות יכולות להיות מחומר מיקרופורוזי, מזופורוזי או מקרופורוזי.
חומר מיקרופורוזי (
● זאוליטים (מינרלי אלומינוסיליקט, אין להתבלבל עם אלומיניום סיליקט)
● זמן יציאה של זאוליט: 3–4 Å
● זכוכית נקבובית: 10Å (1 ננומטר) ומעלה
●פחמן פעיל: 0–20Å (0–2 ננומטר), ומעלה
● חרסית
● תערובות מונטמורילוניט
● הלויסיט (אנדליט): ישנן שתי צורות נפוצות: כאשר החימר מיובש, מרווח השכבות הוא 1 ננומטר, וכאשר הוא מיובש (מטא-הלויסיט) המרווח הוא 0.7 ננומטר. הלויסיט מופיע באופן טבעי כגלילים קטנים שקוטרם הממוצע הוא 30 ננומטר ואורכו נע בין 0.5 ל-10 מיקרומטר.
חומר מזופורי (2–50 ננומטר)
סיליקון דיאוקסיד (משמש לייצור סיליקה ג'ל): 24Å (2.4 ננומטר)
חומר מקרופורוסי (>50 ננומטר)
סיליקה מקרופורוסית, 200–1000 Å (20–100 ננומטר)
יישומים[עריכה]
מסננות מולקולריות משמשות לעתים קרובות בתעשיית הנפט, במיוחד לייבוש זרמי גז. לדוגמה, בתעשיית הגז הטבעי הנוזלי (LNG), יש להפחית את תכולת המים בגז לפחות מ-1 ppmv כדי למנוע חסימות הנגרמות על ידי קרח או מתאן קלתראט.
במעבדה, משתמשים בנפות מולקולריות לייבוש ממס. "נפות" הוכחו כעדיפות על טכניקות ייבוש מסורתיות, שלעתים קרובות משתמשות בחומרי ייבוש אגרסיביים.
תחת המונח זאוליטים, נפות מולקולריות משמשות למגוון רחב של יישומים קטליטיים. הן מזרזות איזומריזציה, אלקילציה ואפוקסידנציה, ומשמשות בתהליכים תעשייתיים בקנה מידה גדול, כולל פיצוח הידרואלקטרי ופיצוח קטליטי נוזלי.
הם משמשים גם לסינון אספקת אוויר למכשירי נשימה, למשל כאלה המשמשים צוללנים וכבאים. ביישומים כאלה, האוויר מסופק על ידי מדחס אוויר ומועבר דרך מסנן מחסנית אשר, בהתאם ליישום, ממולא במסננת מולקולרית ו/או בפחם פעיל, ולבסוף משמש לטעינת מיכלי אוויר לנשימה. סינון כזה יכול להסיר חלקיקים ותוצרי פליטה של ​​המדחס מאספקת אוויר הנשימה.
אישור ה-FDA.
נכון ל-1 באפריל 2012, אישר ה-FDA האמריקאי נתרן אלומינוסיליקט למגע ישיר עם פריטים מתכלים תחת 21 CFR 182.2727. לפני אישור זה, האיחוד האירופי השתמש במסננות מולקולריות עם תרופות ובדיקות עצמאיות הראו כי מסננות מולקולריות עומדות בכל דרישות הממשלה, אך התעשייה לא הייתה מוכנה לממן את הבדיקות היקרות הנדרשות לאישור ממשלתי.
הִתחַדְשׁוּת
שיטות לרגנרציה של מסננות מולקולריות כוללות שינוי לחץ (כמו במכלי חמצן), חימום וניקוי בעזרת גז נשא (כמו בעת שימוש בהתייבשות אתנול), או חימום תחת ואקום גבוה. טמפרטורות הרגנרציה נעות בין 175 מעלות צלזיוס ל-315 מעלות צלזיוס, בהתאם לסוג המסננת המולקולרית. לעומת זאת, ניתן לרגנרציה של סיליקה ג'ל על ידי חימום בתנור רגיל ל-120 מעלות צלזיוס למשך שעתיים. עם זאת, סוגים מסוימים של סיליקה ג'ל "יתפוצצו" כאשר הם נחשפים למים רבים. זה נגרם משבירה של כדורי הסיליקה במגע עם המים.

דֶגֶם	קוטר הנקבוביות (אנגסטרום)	צפיפות נפח (גרם/מ"ל)	מים ספוחים (% משקל/משקל)	שחיקה או שחיקה, W(% משקל/משקל)	נוֹהָג
3Å	3	0.60–0.68	19–20	0.3–0.6	יוֹבֶשׁשֶׁלפיצוח נפטגז ואלקנים, ספיחה סלקטיבית של H2O בזכוכית מבודדת (IG)ופוליאוריטן, ייבוש שלדלק אתנוללערבוב עם בנזין.
4Å	4	0.60–0.65	20–21	0.3–0.6	ספיחה של מים בנתרן אלומינוסיליקטאשר מאושר על ידי ה-FDA (ראהלְהַלָן) משמש כמסננת מולקולרית במיכלים רפואיים לשמירה על תכולה יבשה וכמותוסף מזוןשישמספר EE-554 (חומר מונע התגיישות); מועדף לייבוש סטטי במערכות נוזליות או גז סגורות, למשל, באריזות תרופות, רכיבים חשמליים וכימיקלים מתכלים; ספיחת מים במערכות הדפסה ופלסטיק וייבוש זרמי פחמימנים רוויים. מינים נספחים כוללים SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 ו-C3H6. נחשב בדרך כלל כחומר ייבוש אוניברסלי במדיה פולרית ולא פולרית;[12]הפרדתגז טבעיואלקנים, ספיחה של מים במקומות שאינם רגישים לחנקןפוליאוריטן
5Å-DW	5	0.45–0.50	21–22	0.3–0.6	הסרת שומנים והורדת נקודת יציקה שלתְעוּפָה נֵפטודִיזֶלוהפרדת אלקנים
5Å קטן מועשר בחמצן	5	0.4–0.8	≥23		תוכנן במיוחד עבור מחולל חמצן רפואי או בריאותינדרש 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 ידיספיחה בלחץ נדנדהתַהֲלִיך
10X	8	0.50–0.60	23–24	0.3–0.6	ספיחה יעילה במיוחד, המשמשת לייבוש, דה-קרבוריזציה, דה-גופרית של גז ונוזלים והפרדתפחמימנים ארומטיים
13X	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	ייבוש, הסרת גופרית וטיהור של גז נפט וגז טבעי
13X-AS	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	דה-קרבוריזציהוייבוש בתעשיית הפרדת האוויר, הפרדת חנקן מחמצן במכלי חמצן
Cu-13X	10	0.50–0.60	23–24	0.3–0.5	הַמתָקָה(הסרתתיולים) 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 החלפת קטיונים שלאֶשׁלָגָןעֲבוּרנַתרָןבמסננות מולקולריות 4A (ראה להלן)

נוֹהָג

מסננות מולקולריות של 3Å אינן סופחות מולקולות שקוטרן גדול מ-3Å. המאפיינים של מסננות מולקולריות אלו כוללים מהירות ספיחה מהירה, יכולת התחדשות תכופה, עמידות טובה לריסוק ו...עמידות לזיהוםתכונות אלו יכולות לשפר הן את היעילות והן את אורך חיי המסננת. מסננות מולקולריות של 3Å הן חומרי הייבוש הדרושים בתעשיות הנפט והכימיה לזיקוק נפט, פילמור וייבוש עומק של גז-נוזל כימי.

מסננות מולקולריות 3Å משמשות לייבוש מגוון חומרים, כגוןאתנול, אוויר,מקררים,גז טבעיופחמימנים בלתי רווייםהאחרונים כוללים גז פיצוח,אֲצֵיטִילֵן,אתילן,פרופילןובוטדיאן.

מסננת מולקולרית של 3Å משמשת להסרת מים מאתנול, אשר ניתן להשתמש בו מאוחר יותר 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 האתנול עקב היווצרות שלאזאוטרופבריכוז של כ-95.6 אחוז לפי משקל, חרוזי מסננת מולקולרית משמשים להפרדת אתנול ומים ברמה המולקולרית על ידי ספיגת המים לתוך החרוזים ומתן אפשרות לאתנול לעבור בחופשיות. לאחר שהחרוזים מלאים במים, ניתן לתפעל את הטמפרטורה או הלחץ, מה שמאפשר למים להשתחרר מחרוזי המסננת המולקולרית.[15]

מסננות מולקולריות 3Å מאוחסנות בטמפרטורת החדר, עם לחות יחסית שלא תעלה על 90%. הן אטומות תחת לחץ מופחת, הרחק ממים, חומצות ובסיסים.

4Å

נוסחה כימית: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

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

הֲפָקָה

ייצור מסננת 4Å הוא פשוט יחסית מכיוון שהוא אינו דורש לחצים גבוהים וגם לא טמפרטורות גבוהות במיוחד. בדרך כלל תמיסות מימיות שלנתרן סיליקטונתרן אלומינטמשולבים ב-80 מעלות צלזיוס. המוצר הספוג בממס "מופעל" על ידי "אפייה" ב-400 מעלות צלזיוס. נפות 4A משמשות כמקור לנפות 3A ו-5A דרךחילוף קטיוניםשֶׁלנַתרָןעֲבוּראֶשׁלָגָן(עבור 3A) אוסִידָן(עבור 5A)

נוֹהָג

ממסים לייבוש

מסננות מולקולריות בקוטר 4Å נמצאות בשימוש נרחב לייבוש ממסים במעבדה. הן יכולות לספוג מים ומולקולות אחרות בקוטר קריטי של פחות מ-4Å כגון NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 ו-C2H4. הן נמצאות בשימוש נרחב בייבוש, זיקוק וטיהור של נוזלים וגזים (כגון הכנת ארגון).

 

תוספי חומר פוליאסטרלַעֲרוֹך]

מסננות מולקולריות אלו משמשות לסיוע בחומרי ניקוי מכיוון שהן יכולות לייצר מים נטולים מינרלים באמצעותסִידָןחילוף יונים, מסיר ומניעת שקיעת לכלוך. הם נמצאים בשימוש נרחב להחלפתזַרחָןמסננת מולקולרית 4Å ממלאת תפקיד מרכזי בהחלפת נתרן טריפוליפוספט כחומר עזר דטרגנט על מנת להפחית את ההשפעה הסביבתית של חומר הניקוי. ניתן להשתמש בה גם כחומר עזר...סַבּוֹןחומר יוצר ובתוךמשחת שיניים.

טיפול בפסולת מזיקה

מסננות מולקולריות 4Å יכולות לטהר ביוב ממינים קטיוניים כגוןאַמוֹנִיוּםיוני Pb2+, Cu2+, Zn2+ ו-Cd2+. בשל הסלקטיביות הגבוהה שלהם ל-NH4+, הם יושמו בהצלחה בשטח כדי להילחם ב...איטרופיקציהוהשפעות אחרות בנתיבי מים עקב כמות עודפת של יוני אמוניום. מסננות מולקולריות של 4Å שימשו גם להסרת יוני מתכות כבדות הקיימים במים עקב פעילות תעשייתית.

מטרות אחרות

התעשיית המתכתחומר הפרדה, הפרדה, מיצוי תמיסת מלח אשלגן,רובידיום,צזיוםוכו'

תעשייה פטרוכימית,זָרָז,חוֹמֶר יְבּוּשׁ, סופג

חַקלָאוּת:מרכך קרקע

רפואה: לטעון כסףזאוליטחומר 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 החלפת קטיונים שלסִידָןעֲבוּרנַתרָןבמסננות מולקולריות 4A (ראה לעיל)

נוֹהָג

חָמֵשׁ-אנגסטרוםמסננות מולקולריות (5Å) משמשות לעתים קרובות בנֵפטתעשייה, במיוחד לטיהור זרמי גז ובמעבדת כימיה להפרדהתרכובותוחומרי מוצא לתגובה ייבוש. הם מכילים נקבוביות זעירות בגודל מדויק ואחיד, ומשמשים בעיקר כחומר סופח לגזים ונוזלים.

נפות מולקולריות בעלות חמש אנגסטרום משמשות לייבושגז טבעי, יחד עם הופעההסרת גופריתודה-קרבונציהשל הגז. ניתן להשתמש בהם גם להפרדת תערובות של חמצן, חנקן ומימן, ופחמימנים ננו-פחמימניים מסוג שמן-שעווה מפחמימנים מסועפים ופוליציקליים.

מסננות מולקולריות בעלות חמש אנגסטרום מאוחסנות בטמפרטורת החדר, עםלחות יחסיתפחות מ-90% בחביות קרטון או באריזות קרטון. אין לחשוף את הנפות המולקולריות ישירות לאוויר ולמים, יש להימנע מחומצות ובסיסים.

מורפולוגיה של מסננות מולקולריות

מסננות מולקולריות זמינות במגוון צורות וגדלים. אך לחרוזים כדוריים 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 בעלות חרוזים מציעות קיבולת חום נמוכה יותר ולכן דרישות אנרגיה נמוכות יותר במהלך הרגנרציה.

יתרון נוסף של שימוש בנפות מולקולריות מחוסמות הוא שצפיפות הנפח בדרך כלל גבוהה יותר מצורות אחרות, ולכן עבור אותה דרישת ספיחה, נפח המסננת המולקולרית הנדרש קטן יותר. לכן, בעת הסרת צווארי בקבוק, ניתן להשתמש בנפות מולקולריות מחוסמות, להעמיס יותר סופח באותו נפח ולהימנע משינויים בכלי.