المنخل الجزيئي هو مادة ذات مسام (ثقوب صغيرة جدًا) ذات حجم موحد

المنخل الجزيئي مادة ذات مسام (ثقوب صغيرة جدًا) ذات حجم موحد. تتشابه أقطار هذه المسامات في حجمها مع الجزيئات الصغيرة، وبالتالي لا يمكن للجزيئات الكبيرة الدخول أو الامتزاز، بينما يمكن للجزيئات الأصغر ذلك. عند انتقال خليط من الجزيئات عبر الطبقة الثابتة من مادة مسامية شبه صلبة تُعرف بالمنخل (أو المصفوفة)، تغادر المكونات ذات الوزن الجزيئي الأعلى (والتي لا تستطيع المرور عبر المسام الجزيئية) الطبقة أولًا، تليها الجزيئات الأصغر حجمًا. تُستخدم بعض المناخل الجزيئية في كروماتوغرافيا الاستبعاد الحجمي، وهي تقنية فصل تُصنف الجزيئات بناءً على حجمها. تُستخدم مناخل جزيئية أخرى كمجففات (من الأمثلة الفحم المنشط وهلام السيليكا).
يُقاس قطر مسام المنخل الجزيئي بالأنغستروم (Å) أو النانومتر (nm). ووفقًا لتصنيف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC)، فإن المواد الدقيقة المسامية لها أقطار مسام أقل من 2 نانومتر (20 Å)، والمواد الكبيرة المسامية لها أقطار مسام أكبر من 50 نانومتر (500 Å)؛ وبالتالي، تقع فئة المسام المتوسطة في المنتصف، حيث تتراوح أقطار مسامها بين 2 و50 نانومتر (20-500 Å).
مواد
يمكن أن تكون المناخل الجزيئية عبارة عن مواد مسامية دقيقة، أو متوسطة المسام، أو كبيرة المسام.
مادة دقيقة المسام (
●الزيوليتات (معادن سيليكات الألومنيوم، لا ينبغي الخلط بينها وبين سيليكات الألومنيوم)
●زيوليت LTA: 3-4 Å
●الزجاج المسامي: 10 Å (1 نانومتر)، وما فوق
●الكربون النشط: 0–20 Å (0–2 نانومتر)، وما فوق
●الطين
●مخاليط المونتموريلونيت
الهالويسيت (الإندلايت): يوجد شكلان شائعان منه: عند ترطيبه، تكون المسافة بين طبقاته نانومترًا واحدًا، وعند تجفيفه (ميتا هالويسيت)، تكون المسافة 0.7 نانومتر. يتواجد الهالويسيت طبيعيًا على شكل أسطوانات صغيرة يبلغ متوسط ​​قطرها 30 نانومترًا، وأطوالها تتراوح بين 0.5 و10 ميكرومتر.
مادة مسامية متوسطة الحجم (2-50 نانومتر)
ثاني أكسيد السيليكون (يستخدم في صنع هلام السيليكا): 24 Å (2.4 نانومتر)
مادة كبيرة المسام (>50 نانومتر)
سيليكا كبيرة المسام، 200–1000 أنجستروم (20–100 نانومتر)
التطبيقات[عدل]
تُستخدم المناخل الجزيئية بكثرة في صناعة البترول، وخاصةً لتجفيف تيارات الغاز. على سبيل المثال، في صناعة الغاز الطبيعي المسال (LNG)، يجب تقليل محتوى الماء في الغاز إلى أقل من جزء واحد في المليون من حيث الحجم لمنع الانسدادات الناتجة عن الجليد أو كلاثرات الميثان.
في المختبر، تُستخدم المناخل الجزيئية لتجفيف المذيبات. وقد أثبتت هذه المناخل تفوقها على تقنيات التجفيف التقليدية، التي غالبًا ما تستخدم مُجففات قوية.
تحت مصطلح الزيوليت، تُستخدم المناخل الجزيئية في مجموعة واسعة من التطبيقات التحفيزية. فهي تحفز عمليات الأيزومرة والألكلة والإيبوكسيد، وتُستخدم في العمليات الصناعية واسعة النطاق، بما في ذلك التكسير الهيدروجيني والتكسير التحفيزي للسوائل.
تُستخدم أيضًا في ترشيح إمدادات الهواء لأجهزة التنفس، مثل تلك التي يستخدمها الغواصون ورجال الإطفاء. في هذه التطبيقات، يُزوَّد الهواء بضاغط هواء، ثم يمر عبر فلتر خرطوشة يُملأ، حسب الاستخدام، بمنخل جزيئي و/أو كربون مُنشَّط، ويُستخدم أخيرًا لشحن خزانات هواء التنفس. يُزيل هذا الترشيح الجسيمات وعوادم الضاغط من مصدر هواء التنفس.
موافقة إدارة الغذاء والدواء.
وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية اعتبارًا من 1 أبريل 2012 على استخدام سيليكات الألومنيوم الصوديوم للاتصال المباشر بالمنتجات الاستهلاكية بموجب 21 CFR 182.2727. قبل هذه الموافقة، كان الاتحاد الأوروبي يستخدم المناخل الجزيئية مع الأدوية، وأشارت الاختبارات المستقلة إلى أن المناخل الجزيئية تلبي جميع متطلبات الحكومة، لكن الصناعة لم تكن راغبة في تمويل الاختبارات الباهظة الثمن المطلوبة للحصول على موافقة الحكومة.
تجديد
تشمل طرق تجديد المناخل الجزيئية تغيير الضغط (كما في مُكثِّفات الأكسجين)، والتسخين والتطهير باستخدام غاز حامل (كما هو الحال في تجفيف الإيثانول)، أو التسخين تحت تفريغ عالٍ. تتراوح درجات حرارة التجديد بين 175 درجة مئوية (350 درجة فهرنهايت) و315 درجة مئوية (600 درجة فهرنهايت) حسب نوع المناخل الجزيئية. في المقابل، يمكن تجديد هلام السيليكا بتسخينه في فرن عادي إلى 120 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت) لمدة ساعتين. مع ذلك، تُصدر بعض أنواع هلام السيليكا فرقعة عند تعرضها لكمية كافية من الماء. ويحدث هذا بسبب تكسر كرات السيليكا عند ملامستها للماء.

نموذج	قطر المسام (أنغستروم)	الكثافة الظاهرية (جم/مل)	الماء الممتص (% وزن/وزن)	التآكل أو التآكل، W(% وزن/وزن)	الاستخدام
3Å	3	0.60–0.68	19–20	0.3–0.6	تجفيفلتكسير البترولالغاز والألكينات، الامتزاز الانتقائي لـ H2O فيالزجاج المعزول (IG)والبولي يوريثين، تجفيفوقود الإيثانولللخلط مع البنزين.
4Å	4	0.60–0.65	20–21	0.3–0.6	امتصاص الماء فيسيليكات الألومنيوم الصوديوموالتي تمت الموافقة عليها من قبل إدارة الغذاء والدواء (انظرأقل) يستخدم كمنخل جزيئي في الحاويات الطبية للحفاظ على المحتويات جافة وكمادة مضافة للغذاءوجودالرقم الإلكترونيE-554 (عامل مضاد للتكتل)؛ يُفضل استخدامه في إزالة الماء الساكن في أنظمة السوائل أو الغازات المغلقة، مثل تغليف الأدوية، والمكونات الكهربائية، والمواد الكيميائية القابلة للتلف؛ وفي إزالة الماء من أنظمة الطباعة والبلاستيك، وفي تجفيف تيارات الهيدروكربون المشبعة. تشمل الأنواع الممتصة ثاني أكسيد الكبريت (SO2)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وكبريت الهيدروجين (H2S)، وكربون الهيدروجين (C2H4)، وكربون الهيدروجين (C2H6)، وكربون الهيدروجين (C3H6). يُعتبر عمومًا عامل تجفيف شامل في الأوساط القطبية وغير القطبية.[12]فصلالغاز الطبيعيوالألكينات، امتصاص الماء في غير الحساسة للنيتروجينالبولي يوريثين
5Å-DW	5	0.45–0.50	21–22	0.3–0.6	إزالة الشحوم وانخفاض نقطة الصبالطيران الكيروسينوديزل، وفصل الألكينات
5Å صغير مدعم بالأكسجين	5	0.4–0.8	≥23		مصمم خصيصًا لمولد الأكسجين الطبي أو الصحي[مطلوب توثيق]
5أ	5	0.60–0.65	20–21	0.3–0.5	تجفيف وتنقية الهواء؛جفافوإزالة الكبريتمن الغاز الطبيعي وغاز البترول السائل؛الأكسجينوهيدروجينالإنتاج بواسطةامتصاص تأرجح الضغطعملية
10x	8	0.50–0.60	23–24	0.3–0.6	امتصاص عالي الكفاءة، يستخدم في التجفيف، وإزالة الكربون، وإزالة الكبريت من الغازات والسوائل وفصلالهيدروكربون العطري
13X	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	تجفيف وإزالة الكبريت وتنقية غاز البترول والغاز الطبيعي
13X-AS	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	إزالة الكربونوالتجفيف في صناعة فصل الهواء، وفصل النيتروجين عن الأكسجين في أجهزة تركيز الأكسجين
النحاس-13X	10	0.50–0.60	23–24	0.3–0.5	التحلية(إزالةالثيولات) لوقود الطائراتوالمقابلةالهيدروكربونات السائلة

قدرات الامتصاص

3Å

الصيغة الكيميائية التقريبية: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3 • 2 SiO2 • 9/2 H2O

نسبة السيليكا إلى الألومينا: SiO2/ Al2O3≈2

إنتاج

يتم إنتاج المناخل الجزيئية 3A عن طريق تبادل الكاتيوناتالبوتاسيوملالصوديومفي المناخل الجزيئية 4A (انظر أدناه)

الاستخدام

لا تمتص المناخل الجزيئية 3Å الجزيئات التي يزيد قطرها عن 3Å. تشمل خصائص هذه المناخل الجزيئية سرعة امتصاص عالية، وقدرتها على التجدد المتكرر، ومقاومة جيدة للسحق، ومقاومة التلوثيمكن لهذه الميزات تحسين كفاءة وعمر المنخل. تعتبر المناخل الجزيئية 3Å بمثابة المجفف الضروري في صناعات البترول والكيميائيات لتكرير النفط والبلمرة والتجفيف العميق للغاز والسائل الكيميائي.

تُستخدم المناخل الجزيئية 3Å لتجفيف مجموعة من المواد، مثلالإيثانول، هواء،المبردات،الغاز الطبيعيوالهيدروكربونات غير المشبعة. وتشمل الأخيرة غاز التكسير،الأسيتيلين،الإيثيلين،البروبيلينوالبيوتادين.

يُستخدم المنخل الجزيئي 3Å لإزالة الماء من الإيثانول، والذي يمكن استخدامه لاحقًا مباشرةً كوقود حيوي أو بشكل غير مباشر لإنتاج منتجات متنوعة مثل المواد الكيميائية والأغذية والأدوية وغيرها. بما أن التقطير العادي لا يمكنه إزالة كل الماء (وهو ناتج ثانوي غير مرغوب فيه من إنتاج الإيثانول) من تيارات عملية الإيثانول بسبب تكوينأزيوتروببتركيز حوالي 95.6% وزنًا، تُستخدم حبيبات المنخل الجزيئي لفصل الإيثانول عن الماء على المستوى الجزيئي، وذلك بامتصاص الماء في الحبيبات والسماح للإيثانول بالمرور بحرية. بعد امتلاء الحبيبات بالماء، يمكن التحكم في درجة الحرارة أو الضغط، مما يسمح بخروج الماء من حبيبات المنخل الجزيئي.[15]

تُخزَّن المناخل الجزيئية 3Å في درجة حرارة الغرفة، مع رطوبة نسبية لا تزيد عن 90%. وهي مُغلَّفة تحت ضغط منخفض، وتُحفظ بعيدًا عن الماء والأحماض والقلويات.

4Å

الصيغة الكيميائية: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

نسبة السيليكون إلى الألومنيوم: 1:1 (SiO2/ Al2O3≈2)

إنتاج

إنتاج غربال 4Å سهل نسبيًا، إذ لا يتطلب ضغوطًا عالية ولا درجات حرارة عالية جدًا. عادةً ما تُستخدم المحاليل المائية لـسيليكات الصوديوموألومينات الصوديوميتم دمجها عند درجة حرارة 80 درجة مئوية. يُنشَّط المنتج المُشبَّع بالمذيب عن طريق "الخبز" عند درجة حرارة 400 درجة مئوية. تُستخدَم مناخل 4A كمُقدِّمة لمناخل 3A و5A من خلالتبادل الكاتيونلالصوديوملالبوتاسيوم(لـ 3A) أوالكالسيوم(لـ 5A)

الاستخدام

مذيبات التجفيف

تُستخدم المناخل الجزيئية 4Å على نطاق واسع لتجفيف المذيبات المخبرية. فهي قادرة على امتصاص الماء وجزيئات أخرى ذات قطر حرج أقل من 4Å، مثل NH3، وH2S، وSO2، وCO2، وC2H5OH، وC2H6، وC2H4. كما تُستخدم على نطاق واسع في تجفيف وتكرير وتنقية السوائل والغازات (مثل تحضير الأرجون).

 

إضافات عامل البوليستر[يحرر]

تُستخدم هذه المناخل الجزيئية لمساعدة المنظفات حيث يمكنها إنتاج مياه منزوعة المعادن من خلالالكالسيومتبادل الأيونات، وإزالة ومنع ترسب الأوساخ. تُستخدم على نطاق واسع لاستبدالالفوسفوريلعب المنخل الجزيئي 4Å دورًا رئيسيًا في استبدال ثلاثي بولي فوسفات الصوديوم كمادة مساعدة في المنظفات، وذلك للتخفيف من تأثيرها البيئي. كما يمكن استخدامه كـصابونعامل التشكيل وفيمعجون أسنان.

معالجة النفايات الضارة

يمكن للمناخل الجزيئية 4Å تنقية مياه الصرف الصحي من الأنواع الكاتيونية مثلالأمونيومأيونات الرصاص، والنحاس، والزنك، والكادميوم. وبفضل انتقائيتها العالية لـ NH4+، فقد تم تطبيقها بنجاح في الميدان لمكافحةالتغذية الزائدةوقد تم استخدام المناخل الجزيئية 4Å أيضًا لإزالة أيونات المعادن الثقيلة الموجودة في المياه بسبب الأنشطة الصناعية.

أغراض أخرى

الالصناعة المعدنية: عامل فصل، فصل، استخلاص محلول ملحي البوتاسيوم،الروبيديوم،السيزيوم، إلخ.

صناعة البتروكيماويات،محفز،مجفف، مادة ماصة

زراعة:مُحسِّن التربة

الطب: تحميل الفضةالزيوليتعامل مضاد للبكتيريا.

5أ

الصيغة الكيميائية: 0.7CaO•0.30Na2O•Al2O3•2.0SiO2 •4.5H2O

نسبة السيليكا إلى الألومينا: SiO2/ Al2O3≈2

إنتاج

يتم إنتاج المناخل الجزيئية 5A عن طريق تبادل الكاتيوناتالكالسيوملالصوديومفي المناخل الجزيئية 4A (انظر أعلاه)

الاستخدام

خمسة-أنجسترومغالبًا ما يتم استخدام المناخل الجزيئية (5Å) فيالبترولالصناعة، وخاصة لتنقية تيارات الغاز وفي مختبر الكيمياء لفصلالمركباتمواد بدء تفاعل التجفيف. تحتوي على مسام دقيقة وموحدة الحجم، وتُستخدم بشكل رئيسي كممتزات للغازات والسوائل.

يتم استخدام المناخل الجزيئية ذات الخمسة أنجستروم للتجفيفالغاز الطبيعي، جنبا إلى جنب مع الأداءإزالة الكبريتوإزالة الكربونللغاز. كما يمكن استخدامها لفصل مخاليط الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين، والهيدروكربونات الشمعية الزيتية عن الهيدروكربونات المتفرعة ومتعددة الحلقات.

يتم تخزين المناخل الجزيئية التي يبلغ حجمها خمسة أنجستروم في درجة حرارة الغرفة، معالرطوبة النسبيةأقل من 90% في براميل الكرتون أو العبوات الكرتونية. يجب عدم تعريض المناخل الجزيئية للهواء والماء مباشرةً، وتجنب الأحماض والقلويات.

مورفولوجيا المناخل الجزيئية

تتوفر المناخل الجزيئية بأشكال وأحجام متنوعة. إلا أن الحبيبات الكروية تتميز عن الأشكال الأخرى بانخفاض انخفاض الضغط، ومقاومة التآكل لعدم وجود حواف حادة، ومتانة عالية، أي أن قوة السحق المطلوبة لكل وحدة مساحة أعلى. بعض المناخل الجزيئية ذات الحبيبات توفر سعة حرارية أقل، وبالتالي تتطلب طاقة أقل أثناء التجديد.

الميزة الأخرى لاستخدام المناخل الجزيئية المُحببة هي أن كثافتها الظاهرية أعلى عادةً من الأشكال الأخرى، وبالتالي، فإن حجم المناخل الجزيئية المطلوبة لنفس متطلبات الامتصاص أقل. وبالتالي، عند إزالة الاختناقات، يُمكن استخدام المناخل الجزيئية المُحببة، وتحميل المزيد من المواد الماصة في نفس الحجم، وتجنب أي تعديلات على الأوعية.