Moleküler elek, tekdüze boyutta gözeneklere (çok küçük deliklere) sahip bir malzemedir

Moleküler elek, tekdüze boyutta gözeneklere (çok küçük deliklere) sahip bir malzemedir. Bu gözenek çapları, küçük moleküllere benzer boyuttadır ve bu nedenle büyük moleküller giremez veya adsorbe edilemezken, daha küçük moleküller girebilir. Moleküllerin bir karışımı, elek (veya matris) olarak adlandırılan gözenekli, yarı katı maddenin sabit yatağından geçerken, en yüksek moleküler ağırlığa sahip bileşenler (moleküler gözeneklere geçemeyenler) önce yatağı terk eder, ardından sırayla daha küçük moleküller gelir. Bazı moleküler elekler, molekülleri boyutlarına göre sıralayan bir ayırma tekniği olan boyut dışlama kromatografisinde kullanılır. Diğer moleküler elekler kurutucu olarak kullanılır (bazı örnekler arasında aktif kömür ve silika jel bulunur).
Bir moleküler eleğin gözenek çapı ångström (Å) veya nanometre (nm) cinsinden ölçülür. IUPAC gösterimine göre, mikro gözenekli malzemelerin gözenek çapları 2 nm'den (20 Å) küçüktür ve makro gözenekli malzemelerin gözenek çapları 50 nm'den (500 Å) büyüktür; bu nedenle mezo gözenekli kategori, 2 ile 50 nm (20–500 Å) arasında gözenek çaplarıyla ortada yer alır.
Malzemeler
Moleküler elekler mikrogözenekli, mezogözenekli veya makrogözenekli malzemeden olabilir.
Mikro gözenekli malzeme (
●Zeolitler (alüminyum silikat ile karıştırılmaması gereken alüminosilikat mineralleri)
●Zeolit ​​LTA: 3–4 Å
●Gözenekli cam: 10 Å (1 nm) ve üzeri
●Aktif karbon: 0–20 Å (0–2 nm) ve üzeri
●Killer
●Montmorillonit karışımları
●Halloysit (endellit): Yaygın olarak bulunan iki form vardır, sulandırıldığında kilin katmanlar arasında 1 nm'lik bir aralık vardır ve susuz bırakıldığında (meta-halloysit) aralıklar 0,7 nm'dir. Halloysit doğal olarak çapı ortalama 30 nm ve uzunlukları 0,5 ile 10 mikron arasında değişen küçük silindirler halinde bulunur.
Mezogözenekli malzeme (2–50 nm)
Silisyum dioksit (silika jel yapmak için kullanılır): 24 Å (2,4 nm)
Makrogözenekli malzeme (>50 nm)
Makrogözenekli silika, 200–1000 Å (20–100 nm)
Uygulamalar[düzenle]
Moleküler elekler genellikle petrol endüstrisinde, özellikle gaz akımlarını kurutmak için kullanılır. Örneğin, sıvı doğal gaz (LNG) endüstrisinde, buz veya metan klatratının neden olduğu tıkanmaları önlemek için gazın su içeriğinin 1 ppmv'nin altına düşürülmesi gerekir.
Laboratuvarda, çözücüyü kurutmak için moleküler elekler kullanılır. "Elemeler", genellikle agresif kurutucular kullanan geleneksel kurutma tekniklerinden daha üstün olduğu kanıtlanmıştır.
Zeolitler terimi altında, moleküler elekler çok çeşitli katalitik uygulamalar için kullanılır. İzomerizasyonu, alkilasyonu ve epoksidasyonu katalize ederler ve hidrokraking ve akışkan katalitik kraking dahil olmak üzere büyük ölçekli endüstriyel proseslerde kullanılırlar.
Bunlar ayrıca solunum cihazları için hava beslemelerinin filtrelenmesinde de kullanılır, örneğin tüplü dalgıçlar ve itfaiyeciler tarafından kullanılanlar. Bu tür uygulamalarda, hava bir hava kompresörü tarafından sağlanır ve uygulamaya bağlı olarak moleküler elek ve/veya aktif karbonla doldurulan ve son olarak solunum havası tanklarını doldurmak için kullanılan bir kartuş filtresinden geçirilir. Bu tür filtreleme, solunum havası beslemesinden partikülleri ve kompresör egzoz ürünlerini giderebilir.
FDA onayı.
ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA), 1 Nisan 2012 tarihi itibarıyla sodyum alüminosilikatın 21 CFR 182.2727 uyarınca tüketilebilir maddelerle doğrudan temas halinde kullanılmasını onayladı. Bu onaydan önce Avrupa Birliği, moleküler elekleri ilaçlarla kullanmıştı ve bağımsız testler, moleküler eleklerin tüm hükümet gerekliliklerini karşıladığını öne sürmüştü; ancak sektör, hükümet onayı için gereken pahalı testleri finanse etmeye isteksizdi.
Yenilenme
Moleküler eleklerin rejenerasyonu için yöntemler arasında basınç değişikliği (oksijen konsantratörlerinde olduğu gibi), taşıyıcı bir gazla ısıtma ve temizleme (etanol dehidratasyonunda kullanıldığı gibi) veya yüksek vakum altında ısıtma bulunur. Rejenerasyon sıcaklıkları moleküler elek türüne bağlı olarak 175 °C (350 °F) ile 315 °C (600 °F) arasında değişir. Buna karşılık, silika jel normal bir fırında iki saat boyunca 120 °C'ye (250 °F) ısıtılarak rejenerasyon yapılabilir. Ancak, bazı silika jel türleri yeterli suya maruz kaldığında "patlar". Bu, silika kürelerinin suyla temas ettiğinde kırılmasıyla oluşur.

Örnek	Gözenek çapı (Angström)	Yığın yoğunluğu (g/ml)	Adsorbe edilmiş su (% ağırlık/ağırlık)	Aşınma veya yıpranma, W(% ağırlık/ağırlık)	Kullanım
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Kurumaile ilgilipetrol kırmagaz ve alkenler, H2O'nun seçici adsorpsiyonuyalıtımlı cam (IG)ve poliüretan, kurutmaetanol yakıtıbenzinle karıştırılmak üzere.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Suyun adsorpsiyonusodyum alüminosilikatFDA onaylı olan (bkz.altında) tıbbi kaplarda içerikleri kuru tutmak ve moleküler elek olarak kullanılırgıda katkı maddesisahip olmakE-numarasıE-554 (topaklanmayı önleyici madde); Kapalı sıvı veya gaz sistemlerinde statik dehidratasyon için tercih edilir, örneğin ilaç, elektrik bileşenleri ve çabuk bozulan kimyasalların paketlenmesinde; baskı ve plastik sistemlerinde su giderimi ve doymuş hidrokarbon akımlarının kurutulması. Adsorbe edilen türler arasında SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 ve C3H6 bulunur. Genellikle polar ve polar olmayan ortamlarda evrensel bir kurutma maddesi olarak kabul edilir;[12]ayrılmasıdoğal gazVealkenler, azot hassasiyeti olmayan sularda suyun adsorpsiyonupoliüretan
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Yağ giderme ve akma noktasının düşürülmesihavacılık gazyağıVedizelve alkenlerin ayrılması
5Å küçük oksijenle zenginleştirilmiş	5	0,4–0,8	≥23		Özellikle tıbbi veya sağlıklı oksijen jeneratörü için tasarlanmıştır[alıntı gerekli]
5Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Havanın kurutulması ve arıtılması;susuz kalmaVekükürt gidermedoğal gaz vesıvı petrol gazı;oksijenVehidrojenüretim tarafındanbasınç salınımlı adsorpsiyonişlem
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Gaz ve sıvıların kurutulması, karbürizasyonu, kükürtten arındırılması ve ayrıştırılmasında kullanılan yüksek verimli sorpsiyonaromatik hidrokarbon
13X	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Petrol gazı ve doğal gazın kurutulması, kükürtten arındırılması ve arıtılması
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Karbonsuzlaştırmave hava ayırma endüstrisinde kurutma, oksijen konsantratörlerinde oksijenden nitrojenin ayrılması
Cu-13X	10	0,50–0,60	23–24	0,3–0,5	Tatlandırıcı(kaldırılmasıtiyoller) ile ilgilihavacılık yakıtıve karşılık gelensıvı hidrokarbonlar

Adsorpsiyon yetenekleri

3Å

Yaklaşık kimyasal formül: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O

Silika-alümina oranı: SiO2/ Al2O3≈2

Üretme

3A moleküler elekler katyon değişimi ile üretilirpotasyumiçinsodyum4A moleküler eleklerde (Aşağıya bakın)

Kullanım

3Å moleküler elekler, çapları 3 Å'den büyük olan molekülleri adsorbe etmez. Bu moleküler eleklerin özellikleri arasında hızlı adsorpsiyon hızı, sık rejenerasyon yeteneği, iyi ezilme direnci veKirliliğe dayanıklılıkBu özellikler hem eleğin verimliliğini hem de kullanım ömrünü artırabilir. 3Å moleküler elekler, petrol ve kimya endüstrilerinde yağın rafine edilmesi, polimerizasyon ve kimyasal gaz-sıvı derinlemesine kurutma için gerekli kurutucudur.

3Å moleküler elekler, aşağıdakiler gibi çeşitli malzemeleri kurutmak için kullanılır:etanol, hava,soğutucular,doğal gazVedoymamış hidrokarbonlarİkincisi, gaz kırma işlemini içerir,asetilen,etilen,propilenVebütadien.

3Å moleküler elek, etanolden suyu çıkarmak için kullanılır, bu daha sonra doğrudan biyo-yakıt olarak veya kimyasallar, yiyecekler, ilaçlar ve daha fazlası gibi çeşitli ürünler üretmek için dolaylı olarak kullanılabilir. Normal damıtma, bir etanol üretim yan ürünü olan etanol proses akışlarından tüm suyu çıkaramadığından,azeotropAğırlıkça yaklaşık %95,6 konsantrasyonda, moleküler elek boncukları, suyu boncuklara adsorbe ederek ve etanolün serbestçe geçmesine izin vererek etanol ve suyu moleküler düzeyde ayırmak için kullanılır. Boncuklar suyla dolduğunda, sıcaklık veya basınç manipüle edilebilir ve suyun moleküler elek boncuklarından salınmasına izin verilebilir.[15]

3Å moleküler elekler %90'dan fazla olmayan bağıl nem oranına sahip oda sıcaklığında saklanır. Su, asit ve alkalilerden uzak tutularak düşük basınç altında kapatılır.

4Å

Kimyasal formül: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

Silisyum-alüminyum oranı: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

Üretme

4Å elek üretimi nispeten basittir çünkü ne yüksek basınçlar ne de özellikle yüksek sıcaklıklar gerektirir. Tipik olarak sulu çözeltilersodyum silikatVesodyum alüminat80 °C'de birleştirilir. Çözücü emdirilmiş ürün 400 °C'de "pişirilerek" "etkinleştirilir" 4A elekleri, 3A ve 5A eleklerinin öncüsü olarak hizmet ederkatyon değişimiile ilgilisodyumiçinpotasyum(3A için) veyakalsiyum(5A için)

Kullanım

Kurutma çözücüleri

4Å moleküler elekler laboratuvar çözücülerini kurutmak için yaygın olarak kullanılır. NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 ve C2H4 gibi kritik çapı 4 Å'den küçük olan su ve diğer molekülleri emebilirler. Sıvıların ve gazların kurutulması, rafine edilmesi ve saflaştırılmasında (argon hazırlanması gibi) yaygın olarak kullanılırlar.

 

Polyester katkı maddeleri[düzenlemek]

Bu moleküler elekler, deterjanlara yardımcı olmak için kullanılır çünkü bunlar demineralize su üretebilirler.kalsiyumiyon değişimi, kirlerin birikmesini önler ve ortadan kaldırır. Bunlar yaygın olarak değiştirmek için kullanılırfosfor4Å moleküler elek, deterjanın çevresel etkisini azaltmak için deterjan yardımcı maddesi olarak sodyum tripolifosfatın yerini almakta önemli bir rol oynar. Ayrıca birsabunoluşturan madde vediş macunu.

Zararlı atıkların arıtımı

4Å moleküler elekler, aşağıdakiler gibi katyonik türlerin kanalizasyonunu arıtabilir:amonyumiyonları, Pb2+, Cu2+, Zn2+ ve Cd2+. NH4+ için yüksek seçicilik nedeniyle, sahada mücadele etmek için başarıyla uygulanmışlardır.ötrofikasyonve aşırı amonyum iyonlarından dolayı su yollarında oluşan diğer etkiler. 4Å moleküler elekler ayrıca endüstriyel faaliyetlerden dolayı suda bulunan ağır metal iyonlarını gidermek için de kullanılmıştır.

Diğer amaçlar

Themetalurji endüstrisi: ayırıcı madde, ayırma, tuzlu su potasyumunun çıkarılması,rubidyum,sezyum, vesaire.

Petrokimya endüstrisi,katalizör,kurutucu, adsorban

Tarım:toprak düzenleyici

Tıp: gümüş yüklezeolitantibakteriyel madde.

5Å

Kimyasal formül: 0.7CaO•0.30Na2O•Al2O3•2.0SiO2 •4.5H2O

Silika-alümina oranı: SiO2/ Al2O3≈2

Üretme

5A moleküler elekler katyon değişimi ile üretilirkalsiyumiçinsodyum4A moleküler eleklerde (Yukarıya bakın)

Kullanım

Beş-acı(5Å) moleküler elekler genellikle şu şekilde kullanılır:petrolendüstride, özellikle gaz akımlarının arıtılmasında ve kimya laboratuvarında ayırmada kullanılırbileşiklerve kurutma reaksiyonu başlangıç ​​malzemeleri. Bunlar hassas ve düzgün bir boyutta küçük gözenekler içerir ve esas olarak gazlar ve sıvılar için bir adsorban olarak kullanılır.

Kurutmak için beş ångström moleküler elekler kullanılırdoğal gaz, performans sergilemenin yanı sırakükürt gidermeVekarbon gidermegazın. Ayrıca oksijen, azot ve hidrojen karışımlarını ve dallı ve polisiklik hidrokarbonlardan yağ-mum n-hidrokarbonlarını ayırmak için de kullanılabilirler.

Beş angström moleküler elekler oda sıcaklığında saklanır,bağıl nemkarton fıçılarda veya karton ambalajlarda %90'dan az. Moleküler elekler doğrudan hava ve suya maruz bırakılmamalı, asitler ve alkalilerden kaçınılmalıdır.

Moleküler eleklerin morfolojisi

Moleküler elekler çeşitli şekil ve boyutlarda mevcuttur. Ancak küresel boncuklar, daha düşük basınç düşüşü sundukları, keskin kenarları olmadığı için aşınmaya dayanıklı oldukları ve iyi bir mukavemete sahip oldukları için diğer şekillere göre avantajlıdır, yani birim alan başına gereken ezme kuvveti daha yüksektir. Bazı boncuklu moleküler elekler daha düşük ısı kapasitesi sunar, dolayısıyla rejenerasyon sırasında daha düşük enerji gereksinimi vardır.

Boncuklu moleküler eleklerin kullanılmasının diğer avantajı, yığın yoğunluğunun genellikle diğer şekillerden daha yüksek olmasıdır, bu nedenle aynı adsorpsiyon gereksinimi için gereken moleküler elek hacmi daha azdır. Bu nedenle, darboğaz giderme işlemi yapılırken boncuklu moleküler elekler kullanılabilir, aynı hacme daha fazla adsorban yüklenebilir ve herhangi bir kap modifikasyonundan kaçınılabilir.