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 moleküllerin boyutlarına benzer olduğundan, büyük moleküller giremez veya adsorbe edilemezken, küçük moleküller girebilir. Bir molekül karışımı, elek (veya matris) olarak adlandırılan gözenekli, yarı katı bir maddenin sabit yatağından geçerken, en yüksek molekül ağırlığına sahip bileşenler (moleküler gözeneklere geçemeyenler) önce yatağı terk eder, ardından sırayla daha küçük moleküller gelir. Bazı moleküler elekler, molekülleri boyutlarına göre ayıran 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) küçük, makro gözenekli malzemelerin gözenek çapları ise 50 nm'den (500 Å) büyüktür; dolayısıyla mezo gözenekli kategori, gözenek çapları 2 ila 50 nm (20–500 Å) arasında olan bu kategorinin ortasında yer alır.
Malzemeler
Moleküler elekler mikro gözenekli, mezo gözenekli veya makro gözenekli malzemeden yapılabilir.
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): İki yaygın form bulunur; hidratlandığında kilin katmanlar arasında 1 nm'lik bir aralık görülürken, dehidratlandığında (meta-halloysit) bu aralık 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 (silikajel yapmak için kullanılır): 24 Å (2,4 nm)
Makrogözenekli malzeme (>50 nm)
Makrogözenekli silika, 200–1000 Å (20–100 nm)
Uygulamalar[düzenle]
Moleküler elekler, özellikle gaz akımlarının kurutulması için petrol endüstrisinde sıklıkla kullanılır. Örneğin, sıvılaştırılmış 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 uygulamalarda kullanılır. İzomerizasyon, alkilasyon ve epoksidasyonu katalize ederler ve hidrokraking ve akışkan katalitik kraking gibi büyük ölçekli endüstriyel proseslerde kullanılırlar.
Ayrıca, tüplü dalgıçlar ve itfaiyeciler tarafından kullanılan solunum cihazlarının hava beslemelerinin filtrelenmesinde de kullanılırlar. Bu tür uygulamalarda, hava bir hava kompresörü tarafından sağlanır ve uygulamaya bağlı olarak moleküler elek ve/veya aktif karbonla doldurulan bir kartuş filtreden geçirilir ve son olarak solunum havası tanklarını doldurmak için kullanılır. Bu tür bir 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 etmesini onayladı. Bu onaydan önce Avrupa Birliği, moleküler elekleri ilaçlarla kullanmıştı ve bağımsız testler, moleküler eleklerin tüm hükümet gerekliliklerini karşıladığını göstermişti ancak endüstri, hükümet onayı için gereken pahalı testleri finanse etmeye isteksizdi.
Yenilenme
Moleküler eleklerin rejenerasyon yöntemleri arasında basınç değişimi (oksijen konsantratörlerinde olduğu gibi), taşıyıcı gazla ısıtma ve temizleme (etanol dehidrasyonunda kullanıldığı gibi) veya yüksek vakum altında ısıtma yer alır. Rejenerasyon sıcaklıkları, moleküler elek tipine bağlı olarak 175 °C (350 °F) ile 315 °C (600 °F) arasında değişir. Buna karşılık, silika jel, normal bir fırında 120 °C'ye (250 °F) iki saat ısıtılarak rejenerasyona tabi tutulabilir. Ancak, bazı silika jel türleri yeterli suya maruz kaldığında "patlar". Bu durum, silika kürelerinin suyla temas ettiğinde kırılmasından kaynaklanır.

Model	Gözenek çapı (Ångström)	Yığın yoğunluğu (g/ml)	Adsorbe edilmiş su (% a/a)	Aşınma veya yıpranma, W(% a/a)	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 içeriğin kuru ve güvenli kalmasını sağlamak için moleküler elek olarak kullanılırgıda katkı maddesisahip olmakE-numarasıE-554 (topaklanmayı önleyici madde); Kapalı sıvı veya gaz sistemlerinde statik dehidrasyon için tercih edilir; örneğin ilaç, elektrik bileşenleri ve çabuk bozulan kimyasalların ambalajlanmasında; baskı ve plastik sistemlerinde su gideriminde ve doymuş hidrokarbon akımlarının kurutulmasında kullanılır. 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 duyarlı olmayan su adsorpsiyonupoliüretan
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Yağdan arındırma 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, dekarbürizasyonu, 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 saflaştırılması
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Dekarbürizasyonve 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 molekülleri adsorbe etmez. Bu moleküler eleklerin özellikleri arasında hızlı adsorpsiyon hızı, sık rejenerasyon kabiliyeti, iyi ezilme direnci vekirliliğe karşı dirençBu özellikler, eleklerin hem verimliliğini hem de kullanım ömrünü artırabilir. 3Å moleküler elekler, petrol ve kimya endüstrilerinde yağın rafine edilmesi, polimerizasyonu 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 uzaklaştırmak için kullanılır ve bu su daha sonra doğrudan biyoyakıt olarak veya kimyasallar, gıdalar, ilaçlar ve daha fazlası gibi çeşitli ürünlerin üretiminde dolaylı olarak kullanılabilir. Normal damıtma, etanol üretim proses akışlarından tüm suyu (etanol üretiminde istenmeyen bir yan ürün) uzaklaştıramadığından,azeotropAğırlıkça yaklaşık %95,6 konsantrasyonda olan 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 ayarlanabilir ve suyun moleküler elek boncuklarından salınması sağlanır.[15]

3Å moleküler elekler, bağıl nemin %90'ı geçmediği 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, ne yüksek basınç ne de özellikle yüksek sıcaklıklar gerektirdiğinden nispeten basittir. Tipik olarak sulu çözeltilersodyum silikatVesodyum alüminat80 °C'de birleştirilir. Çözücü emdirilmiş ürün, 400 °C'de "pişirilerek" "aktifleştirilir". 4A elekler, 3A ve 5A eleklerin öncüsü olarak işlev görür.katyon değişimiile ilgilisodyumiçinpotasyum(3A için) veyakalsiyum(5A için)

Kullanım

Kurutma çözücüleri

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

 

Polyester katkı maddeleri[düzenlemek]

Bu moleküler elekler, deterjanların demineralize su üretmesine yardımcı olmak için kullanılır.kalsiyumiyon değişimi, kirlerin birikmesini önler ve giderir. Bunlar yaygın olarak şu amaçlarla kullanılır:fosfor4Å moleküler elek, deterjanın çevresel etkisini azaltmak amacıyla deterjan yardımcı maddesi olarak sodyum tripolifosfatın yerini almada önemli bir rol oynar. Ayrıca,sabunşekillendirici madde vediş macunu.

Zararlı atık arıtımı

4Å moleküler elekler, kanalizasyondaki katyonik türlerin arıtılmasını sağlayabilir.amonyumiyonları, Pb2+, Cu2+, Zn2+ ve Cd2+. NH4+ için yüksek seçicilikleri nedeniyle, sahada mücadele etmek için başarıyla uygulanmışlardır.ötrofikasyonve aşırı amonyum iyonlarından dolayı su yollarında oluşan diğer etkiler. 4Å moleküler elekler ayrıca endüstriyel faaliyetler nedeniyle 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-ångström(5Å) moleküler elekler genellikle şu şekilde kullanılır:petrolendüstride, özellikle gaz akımlarının arıtılmasında ve kimya laboratuvarlarında ayırmada kullanılırbileşiklerve kurutma reaksiyonu başlangıç ​​maddeleridir. Hassas ve homojen boyutlarda küçük gözenekler içerirler ve çoğunlukla gazlar ve sıvılar için adsorban olarak kullanılırlar.

Beş ångström moleküler elekler kurutmak için kullanılırdoğal gazperformans sergilemenin yanı sırakükürt gidermeVekarbonsuzlaştırmaGazın. Ayrıca oksijen, azot ve hidrojen karışımlarını ve dallı ve polisiklik hidrokarbonlardan yağ-mum n-hidrokarbonlarını ayırmak için de kullanılabilirler.

Beş ångström moleküler elekler oda sıcaklığında saklanır,bağıl nemKarton fıçılarda veya karton ambalajlarda %90'dan az. Moleküler elekler doğrudan hava ve su ile temas ettirilmemeli, asit ve alkalilerden kaçınılmalıdır.

Moleküler eleklerin morfolojisi

Moleküler elekler çeşitli şekil ve boyutlarda mevcuttur. Ancak küresel boncuklar, daha düşük basınç düşüşü sağladıkları, keskin kenarları olmadığı için aşınmaya dayanıklı oldukları ve iyi bir mukavemete sahip oldukları (yani birim alan başına gereken ezme kuvveti daha yüksek) gibi diğer şekillere göre avantajlıdır. Bazı boncuklu moleküler elekler daha düşük ısı kapasitesine ve dolayısıyla rejenerasyon sırasında daha düşük enerji gereksinimlerine sahiptir.

Boncuklu moleküler eleklerin diğer avantajlarından biri, hacim yoğunluğunun genellikle diğer şekillerdekilerden daha yüksek olmasıdır; bu nedenle aynı adsorpsiyon gereksinimi için gereken moleküler elek hacmi daha azdır. Böylece, darboğaz giderme işlemi sırasında boncuklu moleküler elekler kullanılabilir, aynı hacme daha fazla adsorban yüklenebilir ve kap modifikasyonlarından kaçınılabilir.