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 (lỗ rất nhỏ) có kích thước đồng đều. Đường kính lỗ này có kích thước 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 có thể. Khi hỗn hợp các phân tử di chuyển qua lớp chất bán rắn xốp cố định được gọi là rây (hoặc ma trận), các thành phần có trọng lượng phân tử cao nhất (không thể đi vào các lỗ phân tử) sẽ rời khỏi lớp trước, tiếp theo là các phân tử nhỏ hơn liên tiếp. Một số rây 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 rây 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 một sàng 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 vĩ xốp có đường kính lỗ rỗng lớn hơn 50 nm (500 Å); do đó, loại mesoporous 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)
●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): 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 là 0,7 nm. Halloysite tự nhiên tồn tại dưới dạng các hình trụ nhỏ có đường kính trung bình là 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]
Rây phân tử thường được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu mỏ, đặc biệt là để sấy luồng khí. Ví dụ, trong ngành công nghiệp khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG), hàm lượng nước trong khí cần phải giảm xuống dưới 1 ppmv để tránh tắc nghẽn do băng hoặc clathrate mêtan.
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 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 hydrocracking và cracking xúc tác lưu chất.
Chúng cũng được sử dụng trong quá trình lọc nguồn cung cấp không khí cho thiết bị thở, ví dụ như những thiết bị được thợ lặn và lính cứu hỏa sử dụng. 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 đổ đầy sàng 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 sản phẩm khí thải của máy nén khỏi nguồn cung cấp khí thở.
Sự chấp thuận của FDA.
Tính đến ngày 1 tháng 4 năm 2012, FDA Hoa Kỳ đã chấp thuận natri aluminosilicate cho tiếp xúc trực tiếp với các vật dụng tiêu hao theo 21 CFR 182.2727. Trước khi có sự chấp thuận 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 chấp thuận.
Tái sinh
Các phương pháp tái tạo sàng phân tử bao gồm thay đổi áp suất (như trong máy cô đặc oxy), đun nóng và làm sạch bằng khí mang (như khi sử dụng trong quá trình khử nước bằng etanol) hoặc đun nóng trong điều kiện chân không cao. Nhiệt độ tái tạo 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 tạo bằng cách đun nóng trong lò nướng thông thường ở nhiệt độ 120 °C (250 °F) trong hai giờ. Tuy nhiên, một số loại silica gel sẽ "nổ" khi tiếp xúc với đủ nước. Nguyên nhân là 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 hấp thụ (% khối lượng)	Sự mài mòn hoặc mài mòn, W(% khối lượng)	Cách sử dụng
3Å	3	0,60–0,68	19–20	0,3–0,6	Sự khô héocủanứt 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 như rây 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 đóng bánh); Được ưa chuộng để khử nước tĩnh trong các hệ thống chất lỏng hoặc khí khép kín, ví dụ, trong bao bì thuốc, linh kiện điện và hóa chất dễ hỏng; loại bỏ nước trong các hệ thống in ấn và nhựa và làm 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]tách biệtkhí đốt tự nhiênVàanken, hấp thụ 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 làm 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 làm sạch không khí;mất nướcVàkhử lưu huỳnhcủa khí đốt tự nhiên vàkhí dầu mỏ hóa lỏng;ôxyVàhiđrôsản xuất bởihấp thụ 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 táchhiđrocacbon 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 thiên nhiên
13X-AS	10	0,55–0,65	23–24	0,3–0,5	Sự khử cacbonvà sấy khô trong ngành công nghiệp tách khí, tách nitơ khỏi oxy trong máy cô đặc oxy
Đồng-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 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 3 Å. Các đặc điểm 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. Các 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 độ sâu khí-lỏng 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 đốt tự nhiênVàhydrocarbon không no. Sau này bao gồm khí cracking,axetilen,etilen,propylenVàbutadien.

Rây 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 toàn bộ nước (một sản phẩm phụ không mong muốn từ quá trình sản xuất etanol) khỏi các luồng quy trình etanol do sự hình thànhazeotropeở nồng độ khoảng 95,6 phần trăm 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 đi qua tự do. Khi các hạt 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]

Rây 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

Sản xuất sàng 4Å tương đối đơn giản vì nó không đòi hỏi áp suất cao hoặc nhiệt độ đặc biệt 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. Rây 4A đóng vai trò là tiền chất cho rây 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 4 Å như NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 và C2H4. Chúng được sử dụng rộng rãi trong việc làm khô, tinh chế và làm sạch chất lỏng và khí (như chế tạo 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 chặn sự lắng đọng của bụi bẩn. Chúng được sử dụng rộng rãi để thay thếphốt pho. Rây phân tử 4Å đóng vai trò chính trong việc thay thế natri tripolyphosphate làm chất phụ trợ chất tẩy rửa nhằm giảm thiểu tác động của chất tẩy rửa đối với môi trường. 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 lĩnh vực này để chống lạiphú dưỡngvà các tác động khác trong đường thủy do lượng ion amoni quá mức. Rây 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 kali nước muối,rubidi,xesi, vân vân.

Ngành công nghiệp hóa dầu,chất xúc tác,chất làm khô, chất hấp phụ

Nông nghiệp:chất điều hòa đất

Thuốc: tải 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 sản xuất bằng cách trao đổi cationcanxivìnatritrong sàng phân tử 4A (Xem ở trên)

Cách sử dụng

Năm-chiều cao(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 vật liệu khởi đầu phản ứng sấy khô. 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 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. 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

Rây phân tử có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Nhưng hạt hình cầu có ưu điểm hơn các hình dạng khác vì chúng có độ giảm áp suất thấp hơn, chống mài mòn vì chúng 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 rây 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 hình dạng khác, do đó, đối với cùng một yêu cầu hấp phụ, thể tích rây phân tử cần thiết sẽ ít hơn. Do đó, khi thực hiện việc 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 mọi sửa đổi bình chứa.