Màng lọc phân tử là một loại vật liệu có các lỗ nhỏ (các lỗ rất li ti) với kích thước đồng nhất.

Sàng phân tử là một loại vật liệu có các lỗ nhỏ (các lỗ rất nhỏ) với kích thước đồng nhất. Đường kính của các lỗ này tương đương với kích thước của 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 xốp, bán rắn được gọi là sàng (hoặc ma trận), các thành phần có khối lượng phân tử cao nhất (không thể đi vào các lỗ phân tử) sẽ rời khỏi lớp vật liệu trước, tiếp theo là các phân tử nhỏ hơn. Một số loại sàng phân tử được sử dụng trong sắc ký loại trừ kích thước, một kỹ thuật tách phân tử dựa trên kích thước của chúng. Các loại 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 xốp của sàng phân tử được đo bằng angstrom (Å) hoặc nanomet (nm). Theo ký hiệu IUPAC, vật liệu vi xốp có đường kính lỗ xốp nhỏ hơn 2 nm (20 Å) và vật liệu macro xốp có đường kính lỗ xốp lớn hơn 50 nm (500 Å); do đó, loại vật liệu trung xốp nằm ở giữa với đường kính lỗ xốp từ 2 đến 50 nm (20–500 Å).
Nguyên vật liệu
Các sàng phân tử có thể là vật liệu vi xốp, trung xốp hoặc vĩ xốp.
Vật liệu vi xốp (
●Zeolit ​​(khoáng chất aluminosilicat, không nên nhầm lẫn với nhôm silicat)
●Zeolit ​​LTA: 3–4 Å
●Thủy tinh xốp: 10 Å (1 nm) trở lên
●Than hoạt tính: 0–20 Å (0–2 nm), và 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, còn khi khử nước (meta-halloysite) thì khoảng cách là 0,7 nm. Halloysite tự nhiên tồn tại dưới dạng các hình trụ nhỏ, đường kính trung bình 30 nm và chiều dài từ 0,5 đến 10 micromet.
Vật liệu xốp trung bình (2–50 nm)
Silicon dioxide (được dùng để sản xuất silica gel): 24 Å (2,4 nm)
Vật liệu có cấu trúc xốp lớn (>50 nm)
Silica xốp, 200–1000 Å (20–100 nm)
Ứng dụng[chỉnh sửa]
Các chất hấp phụ phân tử thường được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu khí, đặc biệt là để làm khô dòng khí. Ví dụ, trong ngành công nghiệp khí tự 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 gây ra.
Trong phòng thí nghiệm, các chất hấp phụ phân tử được sử dụng để làm khô dung môi. "Chất hấp phụ" đã được chứng minh là vượt trội hơn so với các kỹ thuật làm khô truyền thống, vốn thường sử dụng các chất hút ẩm mạnh.
Trong thuật ngữ zeolit, các chất hấp phụ phân tử được sử dụng cho nhiều ứng dụng xúc tác khác nhau. Chúng xúc tác cho quá trình đồng phân hóa, ankyl hóa và epoxid hóa, và được sử dụng trong các quy trình công nghiệp quy mô lớn, bao gồm cả quá trình thủy phân và cracking xúc tác lỏng.
Chúng cũng được sử dụng trong việc lọc nguồn cung cấp không 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 được dẫn qua bộ lọc dạng hộp, tùy thuộc vào ứng dụng, bộ lọc này được chứa đầy chất hấp phụ phân tử và/hoặc than hoạt tính, cuối cùng được sử dụng để nạp vào bình khí thở. Quá trình lọc như vậy có thể loại bỏ các hạt bụi và sản phẩm khí thải của máy nén khỏi nguồn cung cấp khí thở.
Được FDA chấp thuận.
Vào ngày 1 tháng 4 năm 2012, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã phê duyệt natri aluminosilicat để tiếp xúc trực tiếp với các mặt hàng tiêu dùng theo quy định 21 CFR 182.2727. Trước khi được phê duyệt, Liên minh Châu Âu đã sử dụng sàng phân tử trong dược phẩm và các thử nghiệm độc lập cho thấy sàng phân tử đáp ứng tất cả các yêu cầu của chính phủ, nhưng ngành công nghiệp đã không sẵn lòng tài trợ cho các thử nghiệm tốn kém cần thiết để được chính phủ phê duyệt.
Sự tái sinh
Các phương pháp tái tạo sàng phân tử bao gồm thay đổi áp suất (như trong máy cô đặc oxy), gia nhiệt và làm sạch bằng khí mang (như khi sử dụng trong quá trình khử nước etanol), hoặc gia nhiệt dưới 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 nung nóng trong lò nướng thông thường đến 120 °C (250 °F) trong hai giờ. Tuy nhiên, một số loại silica gel sẽ bị "nổ" khi tiếp xúc với đủ lượng nước. Điều này là do sự vỡ của các hạt silica khi tiếp xúc với nước.

Người mẫu	Đường kính lỗ (Ångström)	Khối lượng riêng (g/ml)	Nước hấp thụ (% w/w)	Sự mài mòn hoặc trầy xước, W(% khối lượng/khối lượng)	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, quá trình làm khô củanhiên liệu ethanolDùng để pha trộn với xăng.
4Å	4	0,60–0,65	20–21	0,3–0,6	Sự hấp phụ nước trongnatri aluminosilicatđược FDA chấp thuận (xemdưới(được sử dụng như chất sàng phân tử trong các hộp đựng y tế để giữ cho vật chứa bên trong khô ráo và như...)phụ gia thực phẩmcóSố EE-554 (chất chống vón cục); Được ưa chuộng để khử 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 hư hỏng; loại bỏ nước trong hệ thống in ấn và nhựa và làm khô dòng hydrocarbon bão hòa. Các chất được hấp phụ bao gồm SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 và C3H6. Nói chung được coi là chất làm khô đa năng trong môi trường phân cực và không phân cực;[12]sự tách rời củakhí tự nhiênVàanken, sự hấp phụ nước trong môi trường không nhạy cảm với nitơpolyurethane
5Å-DW	5	0,45–0,50	21–22	0,3–0,6	Tẩy dầu mỡ và hạ điểm đông đặc củahàng không dầu hỏaVàdầu dieselvà sự 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 có dẫn nguồn]
5Å	5	0,60–0,65	20–21	0,3–0,5	Làm khô và thanh lọc không khí;mất nướcVàkhử lưu huỳnhkhí đốt tự nhiên vàkhí dầu mỏ hóa lỏng;ôxyVàhydrosản xuất bởihấp phụ dao động áp suấtquá trình
10 lần	8	0,50–0,60	23–24	0,3–0,6	Hấp phụ hiệu quả cao, được sử dụng trong quá trình làm khô, khử cacbon, khử lưu huỳnh khí và chất lỏng và tách chất.hiđrocacbon 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 quá trình làm khô trong ngành công nghiệp tách khí, tách nitơ khỏi oxy trong các thiết bị 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 ứnghiđrocacbon 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-alumina: SiO2/ Al2O3≈2

Sản xuất

Các sàng phân tử 3A được sản xuất bằng phương pháp trao đổi cation.kalivìnatritrong sàng phân tử 4A (Xem bên dưới)

Cách sử dụng

Các 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 tạo thường xuyên, khả năng chống nghiền tốt vàkhả năng chống ô nhiễmNhững đặc điểm 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 khí và hóa chất để tinh chế dầu, trùng hợp và sấy sâu khí-lỏng trong hóa chất.

Các sàng phân tử 3Å được sử dụng để làm khô nhiều loại vật liệu, chẳng hạn nhưetanol, không khí,chất làm lạnh,khí tự nhiênVàhiđrocacbon không bão hòaCác yếu tố sau bao gồm quá trình cracking khí,axetylen,etylen,propyleneVàbutadien.

Sàng phân tử 3Å được sử dụng để loại bỏ nước khỏi ethanol, 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 quá trình chưng cất thông thường không thể loại bỏ hết nước (một sản phẩm phụ không mong muốn từ quá trình sản xuất ethanol) khỏi dòng sản phẩm của ethanol do sự hình thành của...hỗn hợp đẳng phíVới nồng độ khoảng 95,6% 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 đã bão hòa nước, nhiệt độ hoặc áp suất có thể được điều chỉnh để giải phóng nước ra khỏi các hạt sàng phân tử.[15]

Các sàng phân tử 3Å được bảo quản ở nhiệt độ phòng, với 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 sàng 4Å tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu áp suất cao cũng như nhiệt độ quá cao. Thông thường, dung dịch nước củanatri silicatVànatri aluminatđược kết hợp ở 80 °C. Sản phẩm được tẩm dung môi được "hoạt hóa" bằng cách "nung" ở 400 °C. Các sàng 4A đóng vai trò là tiền chất cho các sàng 3A và 5A thông quatrao đổi cationcủanatrivìkali(cho 3A) hoặccanxi(cho 5A)

Cách sử dụng

Dung môi làm khô

Các 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 quá trình làm khô, tinh chế và lọc sạch chất lỏng và khí (chẳng hạn như điều chế argon).

 

Phụ gia chất 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 qua quá trình này.canxiTrao đổi ion, loại bỏ và ngăn ngừa sự lắng đọng bụi bẩn. Chúng được sử dụng rộng rãi để thay thế.phốt pho. Màng lọc phân tử 4Å đóng vai trò quan trọng trong việc thay thế natri tripolyphosphat làm chất phụ trợ trong chất tẩy rửa nhằm giảm thiểu tác động môi trường của chất tẩy rửa. Nó cũng có thể được sử dụng như một...xà phòngchất tạo hình và trongkem đánh răng.

Xử lý chất thải độc hại

Các sàng phân tử 4Å có thể làm sạch nước thải khỏi các ion dương như...amonicác 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 lại...phú dưỡngvà các tác động khác trong nguồn nước 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.

Các mục đích khác

Cáingành công nghiệp luyện kim: chất tách, quá trình tách, chiết xuất kali từ nước muối.rubidium,xesi, vân vân.

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

Nông nghiệp:chất cải tạo đất

Y học: nạp bạczeolitChất kháng khuẩn.

5Å

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

Tỷ lệ silica-alumina: SiO2/ Al2O3≈2

Sản xuất

5A sàng phân tử được sản xuất bằng phương pháp trao đổi cation.canxivìnatritrong sàng phân tử 4A (Xem ở trên)

Cách sử dụng

Năm-ångströmCác sàng phân tử (5Å) thường được sử dụng trongdầu mỏtrong công nghiệp, đặc biệt là để tinh chế dòng khí và trong phòng thí nghiệm hóa học để tách các chất.hợp chấtvà các nguyên liệu ban đầu của phản ứng sấy khô. Chúng chứa các lỗ nhỏ có kích thước chính xác và đồng nhất, và chủ yếu được sử dụng làm chất hấp phụ cho khí và chất lỏng.

Sàng phân tử 5 angstrom được sử dụng để làm khôkhí 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 các hydrocarbon n-dầu-sáp khỏi các hydrocarbon mạch nhánh và đa vòng.

Các sàng phân tử năm angstrom được bảo quản ở nhiệt độ phòng, vớiđộ ẩm tương đốiDưới 90% được đựng trong thùng carton hoặc bao bì carton. Không nên để các chất hấp phụ phân tử tiếp xúc trực tiếp với không khí và nước, cần tránh axit và kiềm.

Hình thái học của sàng phân tử

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

Một ưu điểm khác của việc sử dụng sàng phân tử dạng hạt là mật độ khối thường cao hơn so với các hình dạng khác, do đó, với cùng yêu cầu hấp phụ, thể tích sàng phân tử cần thiết sẽ ít hơn. Vì vậy, khi thực hiện việc loại bỏ điểm nghẽn, người ta có thể sử dụng sàng phân tử dạng hạt, nạp nhiều chất hấp phụ hơn trong cùng một thể tích và tránh bất kỳ sự sửa đổi nào đối với thiết bị chứa.