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

Rây phân tử là vật liệu có các lỗ rỗng (lỗ rất nhỏ) có kích thước đồng đều. Đường kính lỗ rỗng này tương tự như các phân tử nhỏ, do đó các phân tử lớn không thể đi vào hoặc bị hấp phụ, trong khi các phân tử nhỏ hơn thì có thể. Khi hỗn hợp các phân tử di chuyển qua lớp vật liệu bán rắn xốp cố định, được gọi là rây (hoặc ma trận), các thành phần có khối lượng phân tử cao nhất (không thể đi vào các lỗ rỗng phân tử) sẽ rời khỏi lớp vật liệu trước, tiếp theo là các phân tử nhỏ hơn lần lượt. Một số rây phân tử được sử dụng trong sắc ký loại trừ kích thước, một kỹ thuật phân tách phân loại các phân tử dựa trên kích thước của chúng. Các rây phân tử khác được sử dụng làm chất hút ẩm (ví dụ như than hoạt tính và silica gel).
Đường kính lỗ rỗng của rây phân tử được đo bằng ångström (Å) hoặc nanomet (nm). Theo ký hiệu IUPAC, vật liệu vi xốp có đường kính lỗ rỗng nhỏ hơn 2 nm (20 Å) và vật liệu đại xốp có đường kính lỗ rỗng lớn hơn 50 nm (500 Å); do đó, vật liệu trung xốp nằm ở giữa với đường kính lỗ rỗng từ 2 đến 50 nm (20–500 Å).
Nguyên vật liệu
Rây phân tử có thể là vật liệu có lỗ xốp nhỏ, lỗ xốp trung bình hoặc lỗ xốp lớn.
Vật liệu vi xốp (
●Zeolit ​​(khoáng chất aluminosilicat, không nên nhầm lẫn với nhôm silicat)
●Zeolite 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 (endellit): Có hai dạng phổ biến: khi ngậm nước, đất sét có khoảng cách giữa các lớp là 1 nm và khi mất nước (meta-halloysite), khoảng cách giữa các lớp là 0,7 nm. Halloysite tồn tại tự nhiên dưới dạng các hình trụ nhỏ, đường kính trung bình 30 nm với chiều dài từ 0,5 đến 10 micromet.
Vật liệu mesoporous (2–50 nm)
Silic dioxit (dùng để làm silica gel): 24 Å (2,4 nm)
Vật liệu xốp lớn (>50 nm)
Silica xốp lớn, 200–1000 Å (20–100 nm)
Ứng dụng[sửa]
Sàng phân tử thường được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu khí, đặc biệt là để sấy dòng khí. Ví dụ, trong ngành công nghiệp khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG), hàm lượng nước trong khí cần được giảm xuống dưới 1 ppmv để ngăn ngừa tắc nghẽn do băng hoặc clathrate metan.
Trong phòng thí nghiệm, rây phân tử được sử dụng để làm khô dung môi. "Rây" đã được chứng minh là vượt trội hơn 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 epoxy hóa, và được sử dụng trong các quy trình công nghiệp quy mô lớn, bao gồm hydrocracking và cracking xúc tác lưu chất.
Chúng cũng được sử dụng để lọc nguồn cung cấp khí cho thiết bị thở, ví dụ như 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 đi qua bộ lọc dạng hộp mực. Tùy thuộc vào ứng dụng, bộ lọc này được nạp bằng rây phân tử và/hoặc than hoạt tính, cuối cùng được sử dụng để nạp khí thở vào bình. Quá trình lọc này có thể loại bỏ các hạt và sản phẩm khí thải của máy nén khỏi nguồn cung cấp khí thở.
Được FDA chấp thuận.
Tính đến ngày 1 tháng 4 năm 2012, FDA Hoa Kỳ đã phê duyệt natri aluminosilicat để tiếp xúc trực tiếp với các vật dụng tiêu hao theo 21 CFR 182.2727. Trước khi có sự phê duyệt này, Liên minh Châu Âu đã sử dụng sàng phân tử với dược phẩm và thử nghiệm độc lập cho thấy sàng phân tử đáp ứng mọi yêu cầu của chính phủ nhưng ngành công nghiệp này không muốn tài trợ cho các 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 cô đặc oxy), gia nhiệt và thanh lọc bằng khí mang (như khi sử dụng trong quá trình tách nước bằng etanol), hoặc gia nhiệt trong điều kiện chân không cao. Nhiệt độ tái sinh dao động từ 175 °C (350 °F) đến 315 °C (600 °F) tùy thuộc vào loại sàng phân tử. Ngược lại, silica gel có thể được tái sinh bằng cách nung trong lò nướng thông thường đến 120 °C (250 °F) trong hai giờ. Tuy nhiên, một số loại silica gel sẽ "nổ" khi tiếp xúc với đủ nước. Điều này là do các hạt silica bị vỡ khi tiếp xúc với nước.

Người mẫu	Đường kính lỗ rỗng (Ångström)	Mật độ khối (g/ml)	Nước hấp phụ (% w/w)	Sự mài mòn hoặc mài mòn, W(% w/w)	Cách sử dụng
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Sự khô héocủacracking dầu mỏkhí và anken, hấp phụ chọn lọc H2O trongkính cách nhiệt (IG)và polyurethane, sấy khônhiên liệu etanolđể pha trộn với xăng.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Sự hấp thụ nước trongnatri aluminosilicatđược FDA chấp thuận (xemdưới) được sử dụng làm sàng phân tử trong các thùng chứa y tế để giữ cho nội dung khô ráo và nhưphụ gia thực phẩmcóSố điện tửE-554 (chất chống vón cục); Thích hợp cho quá trình tách nước tĩnh trong các hệ thống chất lỏng hoặc khí kín, ví dụ như trong bao bì thuốc, linh kiện điện tử và hóa chất dễ hỏng; hút nước trong hệ thống in ấn và nhựa, và sấy khô các dòng hydrocarbon bão hòa. Các chất được hấp phụ bao gồm SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 và C3H6. Nhìn chung được coi là chất làm khô phổ biến trong môi trường phân cực và không phân cực;[12]sự tách biệt củakhí đốt tự nhiênVàanken, hấp phụ nước trong chất 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 dieselvà 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	Làm khô và thanh lọc không khí;mất nướcVàkhử lưu huỳnhcủa khí đốt tự nhiên vàkhí dầu mỏ hóa 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 quá trình sấy khô, khử cacbon, khử lưu huỳnh của khí và chất lỏng và táchhydrocarbon thơm
13X	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Làm khô, khử lưu huỳnh và tinh chế khí dầu mỏ và khí tự nhiên
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Khử cacbonvà sấy khô trong ngành công nghiệp tách khí, tách nitơ khỏi oxy trong máy cô đặc 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 silica-nhôm: SiO2/ Al2O3≈2

Sản xuất

Sàng phân tử 3A được sản xuất bằng cách trao đổi cationkalivìnatritrong 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 3Å. Các đặc tính của sàng phân tử này bao gồm tốc độ hấp phụ nhanh, khả năng tái sinh thường xuyên, khả năng chống nghiền tốt vàkhả năng chống 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 công nghiệp dầu mỏ và hóa chất để lọc dầu, trùng hợp và sấy khô sâu khí-lỏng hóa học.

Sàng phân tử 3Å được sử dụng để làm khô một loạt các vật liệu, chẳng hạn nhưetanol, không khí,chất làm lạnh,khí đốt tự nhiênVàhydrocarbon không bão hòa. Sau này bao gồm khí cracking,axetilen,etilen,propyleneVàbutadien.

Sàng phân tử 3Å được sử dụng để loại bỏ nước khỏi etanol, sau đó có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu sinh học hoặc gián tiếp để sản xuất nhiều sản phẩm khác nhau như hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, v.v. Vì chưng cất thông thường không thể loại bỏ hoàn toàn nước (một sản phẩm phụ không mong muốn từ quá trình sản xuất etanol) khỏi dòng quy trình etanol do sự hình thànhazeotropeVới nồng độ khoảng 95,6% theo trọng lượng, hạt sàng phân tử được sử dụng để tách etanol và nước ở cấp độ phân tử bằng cách hấp thụ nước vào hạt và cho phép etanol tự do đi qua. Khi các hạt chứa đầy nước, nhiệt độ hoặc áp suất có thể được điều chỉnh, cho phép nước được giải phóng 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 niêm phong dưới áp suất giảm, tránh xa nước, axit và kiềm.

4Å

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

Tỷ lệ silic-nhôm: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

Sản xuất

Việc sản xuất rây 4Å tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu áp suất cao hay nhiệt độ quá cao. Thông thường, dung dịch nướcnatri silicatVànatri aluminatđược kết hợp ở 80 °C. Sản phẩm tẩm dung môi được "kích hoạt" bằng cách "nướng" ở 400 °C. Sàng 4A đóng vai trò là tiền chất cho sàng 3A và 5A thông quatrao đổi cationcủanatrivìkali(cho 3A) hoặccanxi(cho 5A)

Cách sử dụng

Dung môi sấy khô

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 4Å như NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 và C2H4. Chúng được sử dụng rộng rãi trong việc làm khô, tinh chế và tinh chế chất lỏng và khí (chẳng hạn như điều chế argon).

 

Phụ gia tác nhân polyester[biên tập]

Các 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 ngừa sự lắng đọng của bụi bẩn. Chúng được sử dụng rộng rãi để thay thếphốt phoSàng phân tử 4Å đóng vai trò quan trọng trong việc thay thế natri tripolyphosphate làm chất phụ trợ 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 nguy hại

Sàng phân tử 4Å có thể làm sạch nước thải khỏi các loài cation nhưamonicác ion Pb2+, Cu2+, Zn2+ và Cd2+. Do tính chọn lọc cao đối với NH4+, chúng đã được ứng dụng thành công trong thực tế để chống lạiphú dưỡngvà các tác động khác trong đường thủy do lượng ion amoni quá mức. Sàng phân tử 4Å cũng đã được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng có trong nước do các hoạt động công nghiệp.

Mục đích khác

Cácngành công nghiệp luyện kim: chất tách, tách, chiết xuất nước muối kali,rubidi,xesi, vân vân.

Ngành công nghiệp hóa dầu,chất xúc tác,chất hút ẩm, chất hấp phụ

Nông nghiệp:chất cải tạo đất

Thuốc: tải bạczeolitchất kháng khuẩn.

5Å

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

Tỷ lệ silica-nhôm: SiO2/ Al2O3≈2

Sản xuất

Sàng phân tử 5A được sản xuất bằng cách trao đổi cationcanxivìnatritrong sàng phân tử 4A (Xem ở trên)

Cách sử dụng

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

Sàng phân tử năm ångström được sử dụng để sấy khôkhí đốt tự nhiên, cùng với việc thực hiệnkhử lưu huỳnhVàkhử cacboncủa khí. Chúng cũng có thể được sử dụng để tách hỗn hợp oxy, nitơ và hydro, và n-hydrocacbon dầu-sáp khỏi hydrocarbon mạch nhánh và đa vòng.

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

Hình thái của sàng phân tử

Sàng phân tử có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Tuy nhiên, hạt hình cầu có ưu điểm hơn các hình dạng khác vì chúng có độ giảm áp suất thấp hơn, chống mài mòn do không có cạnh sắc và có độ bền tốt, tức là lực nghiền cần thiết trên một đơn vị diện tích cao hơn. Một số loại sàng phân tử dạng hạt có nhiệt dung thấp hơn, do đó yêu cầu năng lượng thấp hơn trong quá trình tái sinh.

Một lợi thế khác của việc sử dụng rây phân tử dạng hạt là khối lượng riêng thường cao hơn các dạng rây khác, do đó, với cùng nhu cầu hấp phụ, thể tích rây phân tử cần thiết sẽ nhỏ hơn. Do đó, khi thực hiện quá trình loại bỏ tắc nghẽn, người ta có thể sử dụng rây phân tử dạng hạt, nạp nhiều chất hấp phụ hơn vào cùng một thể tích và tránh bất kỳ sự thay đổi nào về bình chứa.