Sàng phân tử là vật liệu có các lỗ rỗng (lỗ rất nhỏ) có kích thước đồng đều

Sàng phân tử là vật liệu có các lỗ rỗng (lỗ rất nhỏ) có kích thước đồng đều. Các đường kính lỗ rỗng này có kích thước tương tự như các phân tử nhỏ và do đó các phân tử lớn không thể xâm nhập hoặc bị hấp phụ, trong khi các phân tử nhỏ hơn thì có thể. Khi hỗn hợp các phân tử di chuyển qua lớp chất bán rắn, xốp cố định được gọi là sàng (hoặc ma trận), các thành phần có trọng lượng phân tử cao nhất (không thể đi vào lỗ phân tử) sẽ rời khỏi lớp trước, tiếp theo là các phân tử nhỏ hơn liên tiếp. Một số sàng phân tử được sử dụng trong sắc ký loại trừ kích thước, một kỹ thuật tách phân loại các phân tử dựa trên kích thước của chúng. Các sàng phân tử khác được sử dụng làm chất hút ẩm (một số ví dụ bao gồm than hoạt tính và silica gel).
Đường kính lỗ rỗng của sàng phân tử được đo bằng ångströms (Å) hoặc nanomet (nm). Theo ký hiệu IUPAC, vật liệu xốp có đường kính lỗ nhỏ hơn 2 nm (20 Å) và vật liệu xốp lớn có đường kính lỗ rỗng lớn hơn 50 nm (500 Å); do đó loại xốp trung bình nằm ở giữa với đường kính lỗ rỗng trong khoảng từ 2 đến 50 nm (20–500 Å).
Nguyên vật liệu
Sàng phân tử có thể là vật liệu xốp nhỏ, xốp trung bình hoặc xốp lớn.
Vật liệu xốp (
●Zeolit ​​(khoáng chất aluminosilicate, không nên nhầm lẫn với nhôm silicat)
●Zeolit ​​LTA: 3–4 Å
●Kính xốp: 10 Å (1 nm) trở lên
●Than hoạt tính: 0–20 Å (0–2 nm) trở lên
●Đất sét
●Montmorillonite trộn lẫn
●Halloysite (endellite): Hai dạng phổ biến được tìm thấy, khi ngậm nước, đất sét thể hiện khoảng cách giữa các lớp là 1 nm và khi khử nước (meta-halloysite) khoảng cách là 0,7 nm. Halloysite tự nhiên tồn tại ở dạng hình trụ nhỏ có đường kính trung bình 30 nm với chiều dài từ 0,5 đến 10 micromet.
Vật liệu xốp (2–50 nm)
Silicon dioxide (dùng để sản xuất silica gel): 24 Å (2,4 nm)
Vật liệu xốp (>50 nm)
Silica xốp lớn, 200–1000 Å (20–100 nm)
Ứng dụng[sửa]
Sàng phân tử thường được sử dụng trong ngành dầu khí, đặc biệt là để làm khô dòng khí. Ví dụ, trong ngành công nghiệp khí tự nhiên lỏng (LNG), hàm lượng nước trong khí cần phải giảm xuống dưới 1 ppmv để ngăn ngừa tắc nghẽn do băng hoặc metan clathrate gây ra.
Trong phòng thí nghiệm, sàng phân tử được sử dụng để làm khô dung môi. "Sàng" đã được chứng minh là vượt trội so với các kỹ thuật sấy khô truyền thống thường sử dụng chất hút ẩm mạnh.
Theo thuật ngữ zeolit, sàng phân tử được sử dụng cho nhiều ứng dụng xúc tác. Chúng xúc tác quá trình đồng phân hóa, alkyl hóa và epoxid hóa và được sử dụng trong các quy trình công nghiệp quy mô lớn, bao gồm cả quá trình hydrocracking và Cracking xúc tác chất lỏng.
Chúng cũng được sử dụng trong việc lọc nguồn cung cấp không khí cho thiết bị thở, ví dụ như những thiết bị được sử dụng bởi thợ lặn và lính cứu hỏa. Trong các ứng dụng như vậy, không khí được cung cấp bởi máy nén khí và được đưa qua bộ lọc hộp mực, tùy thuộc vào ứng dụng, được làm đầy bằng rây phân tử và/hoặc than hoạt tính, cuối cùng được sử dụng để nạp bình khí thở. Quá trình lọc như vậy có thể loại bỏ các hạt và các sản phẩm khí thải của máy nén từ nguồn cung cấp khí thở.
Sự chấp thuận của FDA.
Kể từ ngày 1 tháng 4 năm 2012, FDA Hoa Kỳ đã phê duyệt natri aluminosilicate tiếp xúc trực tiếp với các mặt hàng tiêu dùng theo 21 CFR 182.2727. Trước phê duyệt này, Liên minh Châu Âu đã sử dụng sàng phân tử trong dược phẩm và thử nghiệm độc lập cho thấy rằng sàng phân tử đáp ứng mọi yêu cầu của chính phủ nhưng ngành công nghiệp đã không sẵn lòng tài trợ cho các cuộc thử nghiệm tốn kém cần thiết để được chính phủ phê duyệt.
tái sinh
Các phương pháp tái sinh sàng phân tử bao gồm thay đổi áp suất (như trong máy làm giàu oxy), gia nhiệt và làm sạch bằng khí mang (như khi sử dụng trong khử nước etanol) hoặc gia nhiệt trong chân không cao. Nhiệt độ tái sinh dao động từ 175 °C (350 °F) đến 315 °C (600 °F) tùy thuộc vào loại rây phân tử. Ngược lại, silica gel có thể được tái sinh bằng cách nung nó trong lò nướng thông thường ở nhiệt độ 120°C (250°F) trong hai giờ. Tuy nhiên, một số loại silica gel sẽ “bật” khi tiếp xúc với lượng nước vừa đủ. Điều này xảy ra do các quả cầu silica bị vỡ khi tiếp xúc với nước.

Người mẫu	Đường kính lỗ rỗng (Ångström)	Mật độ khối (g/ml)	Nước bị hấp phụ (% w/w)	Sự hao mòn hoặc mài mòn, W(% trọng lượng)	Cách sử dụng
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Hút ẩmcủanứt dầu mỏkhí và anken, hấp phụ chọn lọc H2O trongkính cách nhiệt (IG)và polyurethane, làm khônhiên liệu etanolđể pha trộn với xăng.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Sự hấp phụ nước ởnatri aluminosilicateđược FDA chấp thuận (xemdưới) được sử dụng làm sàng phân tử trong hộp đựng y tế để giữ cho chất bên trong khô ráo vàphụ gia thực phẩmcóSố điện tửE-554 (chất chống đóng bánh); Được ưa thích để khử nước tĩnh trong các hệ thống chất lỏng hoặc khí khép kín, ví dụ như trong bao bì thuốc, linh kiện điện và hóa chất dễ hỏng; quét nước trong hệ thống in ấn và nhựa và làm khô dòng hydrocarbon bão hòa. Các chất bị hấp phụ bao gồm SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 và C3H6. Thường được coi là chất làm khô phổ biến trong môi trường phân cực và không phân cực;[12]táchkhí tự nhiênVàanken, hấp phụ nước ở môi trường không nhạy cảm với nitơpolyurethan
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Tẩy dầu mỡ và giảm điểm đông đặc củahàng không dầu hỏaVàdầu diesel, và tách anken
5Å nhỏ giàu oxy	5	0,4–0,8	≥23		Được thiết kế đặc biệt cho máy tạo oxy y tế hoặc sức khỏe [cần trích dẫn]
5Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Hút ẩm và thanh lọc không khí;mất nướcVàkhử lưu huỳnhkhí tự nhiên vàkhí dầu mỏ lỏng;ôxyVàhydrosản xuất bởihấp phụ dao động áp suấtquá trình
10X	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Hấp phụ hiệu quả cao, được sử dụng trong hút ẩm, khử cacbon, khử lưu huỳnh khí và chất lỏng và táchhiđrocacbon thơm
13X	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Hút ẩm, khử lưu huỳnh và thanh lọc khí dầu mỏ và khí tự nhiên
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Khử cacbonvà hút ẩm trong ngành tách khí, tách nitơ khỏi oxy trong máy tập trung oxy
Cu-13X	10	0,50–0,60	23–24	0,3–0,5	Làm ngọt(loại bỏthiol) củanhiên liệu hàng khôngvà tương ứnghydrocarbon lỏng

Khả năng hấp phụ

3Å

Công thức hóa học gần đúng: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3© 2 SiO2 • 9/2 H2O

Tỷ lệ silic-nhôm: SiO2/ Al2O3≈2

Sản xuất

Sàng phân tử 3A được tạo ra bằng cách trao đổi cation củakalivìnatritrong sàng phân tử 4A (Xem bên dưới)

Cách sử dụng

Sàng phân tử 3Å không hấp phụ các phân tử có đường kính lớn hơn 3 Å. Đặc điểm của các sàng phân tử này bao gồm tốc độ hấp phụ nhanh, khả năng tái sinh thường xuyên, khả năng chống nghiền tốt vàchống ô nhiễm. Những tính năng này có thể cải thiện cả hiệu quả và tuổi thọ của sàng. Sàng phân tử 3Å là chất hút ẩm cần thiết trong ngành dầu khí và hóa chất để lọc dầu, trùng hợp và sấy khô sâu chất lỏng khí hóa học.

Sàng phân tử 3Å được sử dụng để làm khô nhiều loại vật liệu, chẳng hạn nhưetanol, không khí,chất làm lạnh,khí tự nhiênVàhydrocacbon không bão hòa. Loại thứ hai bao gồm khí nứt,axetylen,etylen,propylenVàbutadien.

Sàng phân tử 3Å được sử dụng để loại bỏ nước khỏi ethanol, sau này có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu sinh học hoặc gián tiếp để sản xuất các sản phẩm khác nhau như hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, v.v. Vì quá trình chưng cất thông thường không thể loại bỏ toàn bộ nước (sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình sản xuất etanol) khỏi dòng quy trình etanol do sự hình thànhđẳng phíở nồng độ khoảng 95,6% tính theo trọng lượng, các hạt sàng phân tử được sử dụng để tách etanol và nước ở cấp độ phân tử bằng cách hấp phụ nước vào các hạt và cho phép etanol đi qua tự do. Khi các hạt đầy nước, nhiệt độ hoặc áp suất có thể được điều chỉnh, cho phép nước thoát ra khỏi các hạt sàng phân tử.[15]

Sàng phân tử 3Å được bảo quản ở nhiệt độ phòng, độ ẩm tương đối không quá 90%. Chúng được bịt kín dưới áp suất giảm, tránh xa nước, axit và kiềm.

4Å

Công thức hóa học: Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O

Tỷ lệ silicon-nhôm: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

Sản xuất

Việc sản xuất sàng 4Å tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu áp suất cao cũng như nhiệt độ đặc biệt cao. Thông thường dung dịch nước củanatri silicatVànatri aluminatđược kết hợp ở 80°C. Sản phẩm tẩm dung môi được “kích hoạt” bằng cách “nung” ở nhiệt độ 400°C. Sàng 4A đóng vai trò là tiền thân của sàng 3A và 5A thông quatrao đổi cationcủanatrivìkali(đối với 3A) hoặccanxi(cho 5A)

Cách sử dụng

Sấy dung môi

Sàng phân tử 4Å được sử dụng rộng rãi để làm khô dung môi trong phòng thí nghiệm. Chúng có thể hấp thụ nước và các phân tử khác có đường kính tới hạn nhỏ hơn 4 Å như NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 và C2H4. Chúng được sử dụng rộng rãi trong việc sấy khô, tinh chế và tinh chế chất lỏng và khí (chẳng hạn như điều chế argon).

 

Phụ gia đại lý polyester [biên tập]

Những sàng phân tử này được sử dụng để hỗ trợ chất tẩy rửa vì chúng có thể tạo ra nước khử khoáng thông quacanxitrao đổi ion, loại bỏ và ngăn chặn sự lắng đọng của bụi bẩn. Chúng được sử dụng rộng rãi để thay thếphốt pho. Sàng phân tử 4Å đóng vai trò chính thay thế natri tripolyphosphate làm chất phụ trợ chất tẩy rửa nhằm giảm thiểu tác động môi trường của chất tẩy rửa. Nó cũng có thể được sử dụng như mộtxà phòngchất tạo thành và trongkem đánh răng.

Xử lý chất thải độc hại

Sàng phân tử 4Å có thể lọc nước thải của các loại cation nhưamonicác ion Pb2+, Cu2+, Zn2+ và Cd2+. Do tính chọn lọc cao của NH4+ nên chúng đã được ứng dụng thành công trên thực địa để chống lạisự phú dưỡngvà các ảnh hưởng khác trong đường thủy do ion amoni quá mức. Sàng phân tử 4Å cũng được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng có trong nước do hoạt động công nghiệp.

Mục đích khác

cácngành luyện kim: chất tách, chất tách, chiết nước muối kali,rubidi,xêzi, vân vân.

Công nghiệp hóa dầu,chất xúc tác,chất hút ẩm, chất hấp phụ

Nông nghiệp:chất điều hòa đất

Thuốc: nạp bạczeolitchất kháng khuẩn.

5Å

Công thức hóa học: 0,7CaO·0,30Na2O·Al2O3·2,0SiO2 •4,5H2O

Tỷ lệ silic-nhôm: SiO2/ Al2O3≈2

Sản xuất

Sàng phân tử 5A được tạo ra bằng cách trao đổi cation củacanxivìnatritrong sàng phân tử 4A (Xem ở trên)

Cách sử dụng

Năm-ångström(5Å) sàng phân tử thường được sử dụng trongxăng dầucông nghiệp, đặc biệt là để lọc các dòng khí và trong phòng thí nghiệm hóa học để táchhợp chấtvà làm khô nguyên liệu ban đầu của phản ứng. Chúng chứa các lỗ nhỏ có kích thước chính xác và đồng đều và chủ yếu được sử dụng làm chất hấp phụ cho khí và chất lỏng.

Sàng phân tử 5-ångström được sử dụng để làm khôkhí tự nhiên, cùng với việc biểu diễnkhử lưu huỳnhVàsự khử cacbonatcủa khí. Chúng cũng có thể được sử dụng để tách hỗn hợp oxy, nitơ và hydro, và n-hydrocacbon sáp dầu khỏi các hydrocacbon phân nhánh và đa vòng.

Sàng phân tử 5-ångström được bảo quản ở nhiệt độ phòng, vớiđộ ẩm tương đốiít hơn 90% trong thùng các tông hoặc bao bì carton. Các sàng phân tử không được tiếp xúc trực tiếp với không khí và nước, nên tránh axit và kiềm.

Hình thái của sàng phân tử

Sàng phân tử có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Nhưng các hạt hình cầu có lợi thế hơn các hình dạng khác vì chúng giảm áp suất thấp hơn, có khả năng chống mài mòn vì chúng không có bất kỳ cạnh sắc nào và có độ bền tốt, tức là lực nghiền cần thiết trên một đơn vị diện tích cao hơn. Một số sàng phân tử dạng hạt cung cấp công suất nhiệt thấp hơn do đó yêu cầu năng lượng thấp hơn trong quá trình tái sinh.

Ưu điểm khác của việc sử dụng sàng phân tử dạng hạt là mật độ khối thường cao hơn các hình dạng khác, do đó, đối với cùng một yêu cầu hấp phụ, thể tích sàng phân tử cần ít hơn. Do đó, trong khi thực hiện thông tắc cổ chai, người ta có thể sử dụng sàng phân tử dạng hạt, nạp thêm chất hấp phụ trong cùng một thể tích và tránh bất kỳ sự thay đổi nào trong bình.