Moleküler elek, tekdüze boyutta gözeneklere (çok küçük deliklere) sahip bir malzemedir. Bu gözenek çapları küçük moleküllerin boyutuna benzerdir ve bu nedenle büyük moleküller içeri giremez veya adsorbe edilemezken, daha küçük moleküller girebilir. Molekül karışımı, elek (veya matris) olarak adlandırılan gözenekli, yarı katı maddenin sabit yatağından geçerken, en yüksek moleküler ağırlığa sahip bileşenler (moleküler gözeneklere giremeyenler) yatağı ilk terk eder, ardından sırasıyla daha küçük moleküller ayrılır. 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).
Moleküler eleğin gözenek çapı angstrom (Å) veya nanometre (nm) cinsinden ölçülür. IUPAC notasyonuna göre, mikrogözenekli malzemelerin gözenek çapları 2 nm'den (20 Å) az, makrogözenekli malzemelerin ise 50 nm'den (500 Å) büyük; mezogözenekli kategori ise 2 ile 50 nm (20–500 Å) arasında değişen gözenek çaplarıyla bu ikisinin arasında yer alır.
Malzemeler
Moleküler elekler mikrogözenekli, mezogözenekli veya makrogözenekli malzemeden olabilir.
Mikrogözenekli malzeme (
●Zeolitler (alüminosilikat mineralleri, alüminyum silikat ile karıştırılmamalıdır)
●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 formu bulunur; hidrate olduğunda kilin katmanları arasındaki mesafe 1 nm iken, dehidrate olduğunda (meta-halloysit) bu mesafe 0,7 nm'dir. Halloysit doğal olarak ortalama 30 nm çapında ve 0,5 ile 10 mikrometre arasında değişen uzunluklarda küçük silindirler halinde bulunur.
Mezogözenekli malzeme (2–50 nm)
Silikon dioksit (silika jel yapımında kullanılır): 24 Å (2,4 nm)
Makro gözenekli malzeme (>50 nm)
Makro gözenekli silika, 200–1000 Å (20–100 nm)
Uygulamalar[düzenle]
Moleküler elekler, özellikle gaz akışlarının 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, çözücüleri kurutmak için moleküler elekler kullanılır. "Elekler", genellikle agresif kurutucu maddeler kullanan geleneksel kurutma tekniklerine göre üstün olduklarını kanıtlamıştır.
Zeolitler terimi altında, moleküler elekler çok çeşitli katalitik uygulamalar için kullanılır. İzomerizasyon, alkilasyon ve epoksidasyon reaksiyonlarını katalize ederler ve hidrokraking ve akışkan katalitik kraking dahil olmak üzere büyük ölçekli endüstriyel süreçlerde kullanılırlar.
Bunlar ayrıca, örneğin dalgıçlar ve itfaiyeciler tarafından kullanılan solunum cihazları için hava beslemesinin filtrelenmesinde de kullanılır. Bu tür uygulamalarda, hava bir hava kompresörü tarafından sağlanır ve uygulamaya bağlı olarak moleküler elek ve/veya aktif karbonla doldurulmuş bir kartuş filtreden geçirilerek son olarak solunum havası tanklarına doldurulur. Bu filtreleme, solunum havası beslemesinden partikülleri ve kompresör egzoz ürünlerini uzaklaştırabilir.
FDA onayı.
ABD Gıda ve İlaç İdaresi (FDA), 1 Nisan 2012 tarihi itibariyle, 21 CFR 182.2727 uyarınca sodyum alüminosilikatın tüketilebilir maddelerle doğrudan temasını onaylamıştır. Bu onaydan önce Avrupa Birliği, ilaçlarla birlikte moleküler elekler kullanmış ve bağımsız testler, moleküler eleklerin tüm hükümet gereksinimlerini karşıladığını göstermiştir; ancak sektör, hükümet onayı için gerekli olan pahalı testleri finanse etmeye yanaşmamıştır.
Yenilenme
Moleküler eleklerin rejenerasyon yöntemleri arasında basınç değişimi (oksijen konsantratörlerinde olduğu gibi), ısıtma ve taşıyıcı gazla arındırma (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 rejenere edilebilir. Bununla birlikte, bazı silika jel türleri yeterli miktarda suya maruz kaldığında "patlar". Bu, silika kürelerinin suyla temas ettiğinde kırılmasından kaynaklanır.
| Model | Gözenek çapı (Ångström) | Hacimsel yoğunluk (g/ml) | Emilen su (% a/a) | Aşınma veya yıpranma, W(% a/a) | Kullanım |
| 3Å | 3 | 0,60–0,68 | 19–20 | 0,3–0,6 | Kurumaile ilgilipetrol çatlatmagaz ve alkenlerde, 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.altındaTıbbi kaplarda içeriği kuru tutmak için moleküler elek olarak kullanılır vegıda katkı maddesisahip olmakE-numarasıE-554 (topaklanmayı önleyici madde); Kapalı sıvı veya gaz sistemlerinde, örneğin ilaç, elektrikli bileşenler ve bozulabilir kimyasalların ambalajlanmasında statik dehidrasyon için tercih edilir; baskı ve plastik sistemlerinde su uzaklaştırma ve doymuş hidrokarbon akışlarının kurutulması için 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]ayrılıkdoğal gazVealkenlerAzot hassasiyeti olmayan ortamlarda suyun adsorpsiyonupoliüretan |
| 5Å-DW | 5 | 0,45–0,50 | 21–22 | 0,3–0,6 | Yağ giderme ve akma noktası düşmesihavacılık gazyağıVedizelve alkenlerin ayrılması |
| 5Å küçük oksijence zenginleştirilmiş | 5 | 0,4–0,8 | ≥23 | Tıbbi veya sağlıklı yaşam amaçlı oksijen jeneratörü olarak özel olarak tasarlanmıştır.Kaynak gösterilmesi gerekiyor] | |
| 5Å | 5 | 0,60–0,65 | 20–21 | 0,3–0,5 | Havanın kurutulması ve arındırılması;susuzlaştırmaVekükürt gidermedoğal gaz vesıvılaştırılmış petrol gazı;oksijenVehidrojenüretim tarafındanbasınç salınımlı adsorpsiyonişlem |
| 10X | 8 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,6 | Yüksek verimli sorpsiyon, gaz ve sıvıların kurutulması, karbon giderme, kükürt giderme ve ayrıştırma işlemlerinde kullanılır.aromatik hidrokarbon |
| 13X | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Petrol gazı ve doğal gazın kurutulması, kükürt giderme ve saflaştırılması |
| 13X-AS | 10 | 0,55–0,65 | 23–24 | 0,3–0,5 | Dekarbürizasyonve hava ayrıştırma endüstrisinde kurutma, oksijen yoğunlaştırıcılarında oksijenden azotun ayrılması |
| Cu-13X | 10 | 0,50–0,60 | 23–24 | 0,3–0,5 | Tatlandırıcı(kaldırılmasıtiyoller) ile ilgilihavacılık yakıtıve buna 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 yoluyla üretilir.potasyumiçinsodyum4A moleküler eleklerde (Aşağıya bakınız)
Kullanım
3Å moleküler elekler, çapları 3 Å'den büyük olan molekülleri adsorbe etmezler. Bu moleküler eleklerin özellikleri arasında hızlı adsorpsiyon hızı, sık rejenerasyon yeteneği, iyi ezilme direnci vekirlilik direnciBu özellikler, eleğin hem verimliliğini hem de ömrünü artırabilir. 3Å moleküler elekler, petrol ve kimya endüstrilerinde petrol rafinerisi, polimerizasyon ve kimyasal gaz-sıvı derin kurutma için gerekli kurutucudur.
3Å moleküler elekler, aşağıdakiler gibi çeşitli malzemelerin kurutulmasında kullanılır:etanol, hava,soğutucu akışkanlar,doğal gazVedoymamış hidrokarbonlarBunlara örnek olarak, çatlatma gazı verilebilir.asetilen,etilen,propilenVebütadien.
3Å moleküler elek, etanolden suyu uzaklaştırmak için kullanılır; bu sayede elde edilen etanol daha sonra doğrudan biyoyakıt olarak veya dolaylı olarak kimyasallar, gıda maddeleri, ilaçlar ve daha birçok ürünün üretiminde kullanılabilir. Normal damıtma, etanol üretiminden kaynaklanan istenmeyen bir yan ürün olan suyun tamamını etanol proses akışlarından uzaklaştıramadığı için, 3Å moleküler elek yöntemi tercih edilir.azeotropAğırlıkça yaklaşık %95,6 konsantrasyonda, moleküler elek boncukları, suyu boncuklara emdirerek ve etanolün serbestçe geçmesine izin vererek etanol ve suyu moleküler düzeyde ayırmak için kullanılır. Boncuklar suyla dolduktan sonra, sıcaklık veya basınç manipüle edilerek suyun moleküler elek boncuklarından salınması sağlanabilir.[15]
3Å moleküler elekler, %90'ı geçmeyen bağıl nemde, oda sıcaklığında saklanır. Düşük basınç altında kapatılır ve su, asit ve alkalilerden uzak tutulur.
4Å
Kimyasal formül: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O
Silisyum-alüminyum oranı: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)
Üretme
4Å elek üretimi, yüksek basınç veya özellikle yüksek sıcaklık gerektirmediği için nispeten basittir. Tipik olarak sulu çözeltiler kullanılır.sodyum silikatVesodyum alüminat80 °C'de birleştirilirler. Çözücü emdirilmiş ürün, 400 °C'de "fırınlanarak" "aktive edilir". 4A elekleri, 3A ve 5A eleklerinin öncüsü olarak görev yapar.katyon değişimiile ilgilisodyumiçinpotasyum(3A için) veyakalsiyum(5A için)
Kullanım
Kurutma çözücüleri
4Å moleküler elekler, laboratuvar çözücülerini kurutmak için yaygın olarak kullanılır. Su ve NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 ve C2H4 gibi kritik çapı 4 Å'den küçük diğer molekülleri emebilirler. Sıvıların ve gazların kurutulması, arıtılması ve saflaştırılmasında (örneğin argon hazırlanmasında) yaygın olarak kullanılırlar.
Polyester katkı maddesi[düzenlemek]
Bu moleküler elekler, deterjanlara yardımcı olmak amacıyla kullanılır çünkü bu elekler, demineralize su üretmelerine olanak tanır.kalsiyumİyon değişimi, kirin uzaklaştırılması ve birikmesinin önlenmesinde etkilidir. Genellikle değiştirme amacıyla kullanılırlar.fosfor4Å moleküler elek, deterjanın çevresel etkisini azaltmak amacıyla sodyum tripolifosfatın deterjan yardımcı maddesi olarak yerini almasında önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca, birsabunşekillendirici madde ve içindediş macunu.
Zararlı atık arıtımı
4Å moleküler elekler, atık suları aşağıdakiler gibi katyonik türlerden arındırabilir:amonyumPb2+, Cu2+, Zn2+ ve Cd2+ iyonlarına karşı yüksek seçicilikleri nedeniyle NH4+ ile mücadelede başarıyla kullanılmışlardır.ötrofikasyonAyrıca, aşırı amonyum iyonlarından kaynaklanan su yollarındaki diğer etkiler de söz konusudur. 4Å moleküler elekler, endüstriyel faaliyetler nedeniyle suda bulunan ağır metal iyonlarını gidermek için de kullanılmıştır.
Diğer amaçlar
Ometalurji endüstrisiAyırıcı madde, ayırma, tuzlu su potasyumunun ekstraksiyonu,rubidyum,sezyum, vesaire.
Petrokimya endüstrisi,katalizör,kurutucuadsorban
Tarım:toprak düzenleyici
Tıp: gümüşü 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 yoluyla üretilir.kalsiyumiçinsodyum4A moleküler eleklerde (Yukarıya bakınız)
Kullanım
Beş-ångström(5Å) moleküler elekler genellikle şu alanlarda kullanılır:petrolEndüstride, özellikle gaz akışlarının saflaştırılmasında ve kimya laboratuvarında ayırma işlemlerinde kullanılır.bileşiklerve kurutma reaksiyonu başlangıç maddeleridir. Hassas ve homojen boyutta küçük gözenekler içerirler ve esas olarak gazlar ve sıvılar için adsorban olarak kullanılırlar.
Beş angstromluk moleküler elekler kurutma işleminde kullanılır.doğal gazperformans sergilemenin yanı sırakükürt gidermeVekarbondan arındırmaGazın ayrıştırılmasında da kullanılabilirler. Ayrıca oksijen, azot ve hidrojen karışımlarını ve petrol-mum n-hidrokarbonlarını dallı ve polisiklik hidrokarbonlardan ayırmak için de kullanılabilirler.
Beş angstromluk moleküler elekler oda sıcaklığında saklanır.bağıl nemKarton varillerde veya karton ambalajlarda %90'dan az oranda bulunur. Moleküler elekler doğrudan havaya ve suya maruz bırakılmamalı, asit ve alkalilerden uzak tutulmalıdır.
Moleküler eleklerin morfolojisi
Moleküler elekler çeşitli şekil ve boyutlarda mevcuttur. Ancak küresel boncuklar, diğer şekillere göre daha düşük basınç düşüşü sunmaları, keskin kenarları olmadığı için aşınmaya dayanıklı olmaları ve iyi bir mukavemete sahip olmaları (yani birim alan başına gereken ezme kuvvetinin daha yüksek olması) nedeniyle avantajlıdır. Bazı boncuklu moleküler elekler daha düşük ısı kapasitesi sunarak rejenerasyon sırasında daha düşük enerji gereksinimleri sağlar.
Boncuklu moleküler eleklerin kullanımının bir diğer avantajı da, genellikle diğer şekillere göre daha yüksek yoğunluğa sahip olmalarıdır; bu nedenle, aynı adsorpsiyon gereksinimi için gereken moleküler elek hacmi daha azdır. Dolayısıyla, darboğaz giderme işlemi yapılırken, boncuklu moleküler elekler kullanılabilir, aynı hacimde daha fazla adsorban yüklenebilir ve kapta herhangi bir değişiklik yapılmasına gerek kalmaz.
Yayın tarihi: 18 Temmuz 2023
