מסננת מולקולרית

מסננת מולקולרית היא חומר עם 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 יכולות. כאשר תערובת של מולקולות נודדת דרך המצע הנייח של חומר נקבובי וחצי מוצק המכונה מסננת (או מטריקס), המרכיבים בעלי המשקל המולקולרי הגבוה ביותר (אשר אינם מסוגלים לעבור דרך הנקבוביות המולקולריות) עוזבים את המצע קודם, ולאחריהם מולקולות קטנות יותר ויותר. כמה מסננות מולקולריות משמשות בכרומטוגרפיה, טכניקת הפרדה שממיינת מולקולות על בסיס גודלן. מסננים מולקולריים אחרים משמשים כסופחי לחות (דוגמאות מסוימות כוללות פחם פעיל וסיליקה ג'ל).

הקוטר של מסננת מולקולרית נמדד ב- אנגסטרום (Å) או בנאנומטרים (nm). על פי סימון IUPAC, לחומרים מיקרופוריים יש קוטר נקבוביות של פחות מ-2 ננומטר (20 אנגסטרום) וחומרים מקרופוריים הם בעלי קוטר נקבוביות של יותר מ-50 ננומטר (500 Å); חומרים מזופוריים נמצאים אפוא באמצע עם קוטר נקבוביות בין 2 ל-50 ננומטר (20–500 Å).

חומרים 
מסנן מולקולרי יכול להיות חומר מיקרופורי, מזופורי, או מקרופורי.

חומר מיקרופורי (<2 ננומטר) 
 זאוליטים (מינרלים אלומינוסיליקט, אין להתבלבל עם סיליקט אלומיניום)
 זאוליט LTA: 3–4 Å
 זכוכית נקבובית: 10 אנגסטרום (1 ננומטר), ומעלה
 פחם פעיל: 0–20 אנגסטרום (2 ננומטר), ומעלה
 חרסית
 תערובות של מונטמורילוניט
 הלויסייט (אנדלייט): שתי צורות נפוצות, שנמצאות כאשר החימר רטוב הוא מציג מרווח של 1 ננומטר בין השכבות וכאשר הוא מיובש (meta-halloysite) המרווח הוא 0.7 ננומטר. הלויסייט מתרחש באופן טבעי כצילינדרים קטנים בקוטר ממוצע של 30 ננומטר ובאורך בין 0.5 ל-10 מיקרומטר.

חומר מזופורוסי (2–50 ננומטר) 
 צורן דו-חמצני (משמש לייצור סיליקה ג'ל): 24 אנגסטרום (2.4 ננומטר)

חומר מקרופורי (> 50 ננומטר) 
 סיליקה מזופורית, 200-1000 אנגסטרום (20–100 ננומטר)

יישומים 
מסננים מולקולריים משמשים לרוב 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.

במעבדה משתמשים במנפות מולקולריות לייבוש ממסים. "מנפות" הוכחו כעדיפים על טכניקות ייבוש מסורתיות, אשר לרוב משתמשות בסופחי לחות אגרסיביים.

תחת המונח זאוליטים, מסננות מולקולריות משמשות למגוון רחב של יישומים קטליטיים. הם מזרזים איזומרציה, אלקילציה, ואפוקסידציה, והם משמשים בתהליכים תעשייתיים גדולים, כולל פיצוח פחמימנים ופיצוח קטליטי נוזלי.

הם משמשים גם לסינון אספקת אוויר למכשירי נשימה, למשל אלו המשמשים צוללנים וכבאים. ביישומים מסוג זה אוויר מסופק על ידי מדחס אוויר ומועבר דרך מחסנית סינון אשר, תלוי ביישום, ממולאת במסננת מולקולרית ו / או בפחם פעיל, ולבסוף משמשת להטענת מכלי אוויר לנשימה. סינון כזה יכול להסיר חלקיקים ומוצרי פליטה של מדחס מאספקת האוויר לנשימה.

אישור ה-FDA 
ה-FDA האמריקני אישר, החל מ-1 באפריל 2012, את נתרן אלומינוסיליקט למגע ישיר עם פריטים מתכלים תחת 21 CFR 182.2727. לפני אישור זה אירופה השתמשה במנפות מולקולריות עם תרופות, ובדיקות עצמאיות הציעו כי מסננות מולקולריות עומדות בכל הדרישות הממשלתיות אך התעשייה לא הייתה מוכנה לממן את הבדיקות היקרות הנדרשות לאישור הממשלה.

התחדשות 
שיטות להתחדשות של מסננות מולקולריות כוללות שינוי לחץ (כמו במרכזי חמצן), חימום וטיהור באמצעות גז נשא (כמו בשימוש בייבוש אתנול), או חימום בוואקום גבוה. טמפרטורות התחדשות נעות בין 175 מעלות צלזיוס ל-315 מעלות צלזיוס, תלוי בסוג המסננת המולקולרית. לעומת זאת, ניתן לחדש סיליקה ג'ל על ידי חימום בתנור רגיל ל-120 מעלות צלזיוס (250 פרנהייט) למשך שעתיים. עם זאת, סוגים מסוימים של סיליקה ג'ל "יתפוצצו" כאשר הם נחשפים למספיק מים. הדבר נגרם כתוצאה משבירת כדוריות הסיליקה בעת מגע עם המים.

יכולות ספיחה

3Å 
 פורמולה כימית משוערת: (K 2 O) ⅔ (Na 2 O) ⅓ ) • Al 2 O 3 • 2 SiO 2 • 9/2 H 2 O)
 יחס סיליקה-אלומינה: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

הפקה 
מסננות מולקולריות 3A מיוצרות על ידי חילופי קטיונים של סידן לנתרן במנפות מולקולריות 4A (ראה להלן)

שימוש 
מסננות מולקולריות 3Å לא סופגות מולקולות שקוטרן גדול מ-3 Å. המאפיינים של מסננות מולקולריות אלה כוללים מהירות ספיחה מהירה, יכולת התחדשות תכופה, התנגדות ריסוק טובה ועמידות בפני זיהום. תכונות אלו יכולות לשפר הן את היעילות ואת אורך חייה של המסננת. מסננות מולקולריות 3Å הן סופח הלחות הנחוץ בתעשיות נפט וכימיה לזיקוק נפט, פילמור (Polymerization) וייבוש עומק כימי של גזי-נוזלי.

מסננות מולקולריות 3Å משמשות לייבוש מגוון חומרים, כמו אתנול, אוויר, מקררים, גז טבעי ופחמימנים בלתי רווים. האחרונים כוללים גז פיצוח, אצטילן, אתילן, פרופילן ובוטדיאן.

מסננת מולקולרית 3Å משמשת לפינוי מים מאתנול, אשר מאוחר יותר יכולים לשמש ישירות כדלק ביולוגי או בעקיפין לייצור מוצרים שונים כמו כימיקלים, מזון, תרופות ועוד. מכיוון שזיקוק רגיל אינו יכול להוציא את כל המים (תוצר לוואי בלתי רצוי מייצור אתנול) מזרמי תהליך עיבוד אתנול כתוצאה מהיווצרות אזאוטרופה בריכוז של 95 אחוז, חרוזי מסננת מולקולרית משמשים להפרדת אתנול ומים ברמה מולקולרית על ידי ספיחת המים לתוך החרוזים ומאפשרים לאתנול לעבור בחופשיות. ברגע שהחרוזים מלאים במים, ניתן לטפל בטמפרטורה או בלחץ, מה שמאפשר לשחרר את המים מחרוזי המסננת המולקולרית.

מסננות מולקולריות 3Å מאוחסנות בטמפרטורת החדר, עם לחות יחסית שאינה עולה על 90%. הם אטומים בלחץ מופחת, ומרחיקים אותם ממים, חומצות ואבקות.

4Å 
 פורמולה כימית: Na 2 O • Al 2 O 3 • 2SiO 2 • 9 / 2H 2 O
 יחס סיליקה-אלומינה: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

הפקה 
ייצור 4Å הוא יחסית פשוט ואינו דורש לחץ גבוה או טמפרטורות גבוהות במיוחד. שילוב תמיסות מימיות של נתרן סיליקט ונתרן אלומינט בטמפרטורה של 80 ° צלזיוס ערבוב / עירור למשך זמן, ואז "הפעלה" על ידי "אפייה" ב-400 צלזיוס מסנני 4A משמשים כמקדים למנפות 3A ו-5A באמצעות חילופי קטיונים של נתרן לאשלגן (ל-3A) או לסידן (ל-5A).

שימוש

ייבוש ממסים 
מסננות מולקולריות 4Å נמצאות בשימוש נרחב לייבוש ממיסים במעבדה. הן יכולות לספוג מים ומולקולות אחרות בקוטר קריטי פחות מ-4 Å כגון NH 3, H 2 S, SO 2, CO 2, C 2 H 5 OH, C 2 H 6, ו- C 2 H 4. הן נמצאות בשימוש נרחב בייבוש, זיקוק וטיהור נוזלים וגזים (כגון הכנת ארגון).

תוספי סוכן פוליאסטר 
מסננות מולקולריות אלה משמשות לסיוע לחומרי ניקוי מכיוון שהן יכולות לייצר מים מפורזים באמצעות חילופי יונים של סידן, להסיר ולמנוע את הימצאות עפר. הם נמצאים בשימוש נרחב להחלפת זרחן. המסננת המולקולרית 4Å ממלאת תפקיד מרכזי בהחלפת נתרן טריפוליפוספט כעזר דטרגנט על מנת להפחית את ההשפעה הסביבתית של חומר הניקוי. זה יכול לשמש גם כחומר ליצירת סבון ומשחת שיניים.

טיפול בפסולת מזיקה 
מסננות מולקולריות 4Å יכולות לטהר ביוב של מינים קטיוניים כמו יוני אמוניום, Pb 2+, Cu 2+, Zn 2+ ו- Cd 2+ . בשל הסלקטיביות הגבוהה ל- NH 4 + הם יושמו בהצלחה בתחום כדי להילחם בהסמכת יתר והשפעות אחרות בנתיבי מים בגלל כמות מוגזמת של יוני אמוניום. מסננות מולקולריות 4Å שימשו גם להסרת יוני מתכת כבדים שנמצאים במים עקב פעילויות תעשייתיות.

מטרות אחרות 
 התעשייה המתכתית: סוכן הפרדה, הפרדה, מיצוי אשלגן מי מלח, רובידיום, צזיום וכו'.
 תעשייה פטרוכימית, זרז, סופח לחות, סופג.
 חקלאות: התניית אדמה.
 רפואה: העמסת סוכן אנטוליטריאלי של זאוליט כסף.

5Å 
 פורמולה כימית: 0.7CaO • 0.30Na 2 O • Al 2 O 3 • 2.0SiO 2 • 4.5H 2 O
 יחס סיליקה-אלומינה: SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

הפקה 
מסננות מולקולריות 5A מיוצרות על ידי חילופי קטיונים של אשלגן לנתרן במנפות מולקולריות 4A (ראה לעיל).

שימוש 
מסננות מולקולריות של חמישה אנגסטרום (5A) מנוצלת בתעשיית הנפט, במיוחד עבור הטיהור של זרמי גז במעבדה לכימיה להפרדת תרכובות וייבוש חומרי התחלת תגובה. הם מכילים נקבוביות זעירות בגודל מדויק ואחיד ומשמשים בעיקר כחומר סופג לגזים ונוזלים.

מסננות מולקולריות בגודל חמישה אנגסטרום משמשות לייבוש גז טבעי, יחד עם ביצוע desulfurization ו-decarbonation של גז. ניתן להשתמש בהם גם כדי להפריד תערובות של חמצן, חנקן ומימן, ופחמימני שעווה עם נפט ופחמימנים מסועפים ופוליציקליים.

מסננות אלו מאוחסנות בטמפרטורת החדר, עם לחות יחסית נמוכה מ־90% בחביות קרטון או באריזת קרטון. אין לחשוף את המסננות המולקולריות ישירות לאוויר ולמים, יש להימנע מחומצות ואלקליות.

בחירת מסננות מולקולריות 
מסננות מולקולריות זמינות בצורות ובגדלים שונים. אך לחרוזים הכדוריים יש יתרון על פני צורות אחרות מכיוון שהם מציעים ירידת לחץ נמוכה יותר, הם עמידים בפני התשה מכיוון שאין להם שום קצוות חדים, ויש להם חוזק טוב, כלומר כוח הריסוק הנדרש לכל שטח יחידה גבוה יותר. מסננות מולקולריות מסוימות עם חרוזים מציעות קיבולת חום נמוכה יותר ובכך מורידות את דרישות האנרגיה במהלך התחדשות.

היתרון הנוסף של שימוש במנפות מולקולריות עם חרוזים הוא שצפיפות בתפזורת היא בדרך כלל גבוהה יותר מצורות אחרות, ולכן עבור אותה דרישת ספיחה נפח המסננת המולקולרית הנדרש הוא קטן יותר. לכן, בזמן מניעת צוואר בקבוק (de-bottlenecking), תוכלו להשתמש במנפות מולקולריות עם חרוזים כדי להעמיס יותר חומר ספיגה באותו נפח ולהימנע מכל שינוי בכלי.

ראו גם 
 פחם פעיל
 סיד
 סיליקה ג'ל
 זאוליט

קישורים חיצוניים

הערות שוליים 

דפים עם תרגומים שלא נסקרו
הנדסת חומרים