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

المنخل الجزيئي عبارة عن مادة ذات مسام (ثقوب صغيرة جدًا) ذات حجم موحد. تتشابه أقطار المسام هذه في الحجم مع الجزيئات الصغيرة، وبالتالي لا يمكن للجزيئات الكبيرة الدخول أو الامتصاص، بينما يمكن للجزيئات الأصغر ذلك. عندما يهاجر خليط من الجزيئات عبر الطبقة الثابتة من مادة مسامية وشبه صلبة يشار إليها بالمنخل (أو المصفوفة)، فإن المكونات ذات الوزن الجزيئي الأعلى (والتي لا تستطيع المرور إلى المسام الجزيئية) تترك الطبقة أولاً، تليها جزيئات أصغر على التوالي. تُستخدم بعض المناخل الجزيئية في كروماتوغرافيا استبعاد الحجم، وهي تقنية فصل تقوم بفرز الجزيئات بناءً على حجمها. يتم استخدام المناخل الجزيئية الأخرى كمجففات (تشمل بعض الأمثلة الفحم المنشط وهلام السيليكا).
يتم قياس قطر مسام المنخل الجزيئي بالأنجستروم (Å) أو النانومتر (نانومتر). وفقًا لتدوين IUPAC، فإن المواد المسامية الدقيقة لها مسام قطرها أقل من 2 نانومتر (20 Å) والمواد ذات المسام الكبيرة لها قطر مسام أكبر من 50 نانومتر (500 Å)؛ وبالتالي فإن فئة المسام المتوسطة تقع في المنتصف بأقطار مسام تتراوح بين 2 و 50 نانومتر (20-500 Å).
مواد
يمكن أن تكون المناخل الجزيئية عبارة عن مواد مسامية صغيرة أو مسامية أو كبيرة المسام.
المواد الصغيرة التي يسهل اختراقها (
● الزيوليت (معادن سيليكات الألومينيوم، لا ينبغي الخلط بينها وبين سيليكات الألومنيوم)
● الزيوليت LTA: 3-4 Å
● زجاج مسامي: 10 Å (1 نانومتر)، وما فوق
● الكربون النشط: 0–20 أنجستروم (0–2 نانومتر)، وما فوق
●الطين
●خلطات المونتموريلونيت
● الهالويسيت (الإنديليت): يوجد شكلان شائعان، عند ترطيب الطين يظهر مسافة 1 نانومتر بين الطبقات، وعند تجفيفه (ميتا هالويسيت) تكون المسافة 0.7 نانومتر. يتواجد الهالويزيت بشكل طبيعي على شكل أسطوانات صغيرة يبلغ متوسط ​​قطرها 30 نانومتر وأطوالها تتراوح بين 0.5 و10 ميكرومتر.
مادة مسامية (2-50 نانومتر)
ثاني أكسيد السيليكون (يستخدم لصنع هلام السيليكا): 24 Å (2.4 نانومتر)
مادة كبيرة المسام (> 50 نانومتر)
السيليكا كبيرة المسام، 200–1000 أنجستروم (20–100 نانومتر)
التطبيقات[عدل]
غالبًا ما تُستخدم المناخل الجزيئية في صناعة النفط، خاصة لتجفيف تيارات الغاز. على سبيل المثال، في صناعة الغاز الطبيعي السائل (LNG)، يجب تقليل محتوى الماء في الغاز إلى أقل من 1 جزء في المليون لمنع الانسداد الناجم عن الجليد أو هيدرات الميثان.
في المختبر، يتم استخدام المناخل الجزيئية لتجفيف المذيبات. لقد أثبتت "المناخل" أنها متفوقة على تقنيات التجفيف التقليدية، والتي غالبًا ما تستخدم مجففات قوية.
تحت مصطلح الزيوليت، يتم استخدام المناخل الجزيئية لمجموعة واسعة من التطبيقات الحفزية. وهي تحفز الأيزومرة، والألكلة، والإيبوكسيد، وتستخدم في العمليات الصناعية واسعة النطاق، بما في ذلك التكسير الهيدروجيني والتكسير التحفيزي للسوائل.
كما أنها تستخدم في ترشيح إمدادات الهواء لأجهزة التنفس، على سبيل المثال تلك المستخدمة من قبل الغواصين ورجال الإطفاء. في مثل هذه التطبيقات، يتم توفير الهواء عن طريق ضاغط الهواء ويتم تمريره عبر مرشح خرطوشة يتم ملؤه بمنخل جزيئي و/أو الكربون المنشط، اعتمادًا على التطبيق، ليتم استخدامه أخيرًا لشحن خزانات هواء التنفس. يمكن لهذا الترشيح إزالة الجسيمات ومنتجات عادم الضاغط من مصدر هواء التنفس.
موافقة ادارة الاغذية والعقاقير.
وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية اعتبارًا من 1 أبريل 2012 على ألومينوسيليكات الصوديوم للاتصال المباشر مع المواد الاستهلاكية بموجب 21 CFR 182.2727. قبل هذه الموافقة، استخدم الاتحاد الأوروبي المناخل الجزيئية مع المستحضرات الصيدلانية واقترحت الاختبارات المستقلة أن المناخل الجزيئية تلبي جميع المتطلبات الحكومية ولكن وكانت الصناعة غير راغبة في تمويل الاختبارات الباهظة الثمن المطلوبة للحصول على موافقة الحكومة.
تجديد
تتضمن طرق تجديد المناخل الجزيئية تغيير الضغط (كما هو الحال في مركزات الأكسجين)، والتسخين والتطهير باستخدام غاز حامل (كما هو الحال عند استخدامه في تجفيف الإيثانول)، أو التسخين تحت فراغ عالٍ. تتراوح درجات حرارة التجديد من 175 درجة مئوية (350 درجة فهرنهايت) إلى 315 درجة مئوية (600 درجة فهرنهايت) حسب نوع المنخل الجزيئي. في المقابل، يمكن تجديد هلام السيليكا عن طريق تسخينه في فرن عادي إلى 120 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت) لمدة ساعتين. ومع ذلك، فإن بعض أنواع هلام السيليكا "تنفجر" عند تعرضها لكمية كافية من الماء. يحدث هذا بسبب كسر كرات السيليكا عند ملامستها للماء.

نموذج	قطر المسام (أنجستروم)	الكثافة الظاهرية (جم/مل)	الماء الممتز (٪ ث / ث)	الاستنزاف أو التآكل، W(٪ وزن / وزن)	الاستخدام
3أ	3	0.60-0.68	19-20	0.3-0.6	تجفيفلتكسير البترولالغازات والألكينات، الامتزاز الانتقائي لـ H2O فيزجاج معزول (IG)والبولي يوريثين، وتجفيفوقود الإيثانولللخلط مع البنزين .
4أ	4	0.60-0.65	20-21	0.3-0.6	امتصاص الماء فيألومينوسيليكات الصوديوموهو معتمد من إدارة الغذاء والدواء (انظرأقل) يستخدم كمنخل جزيئي في الحاويات الطبية للحفاظ على محتوياتها جافةالمضافات الغذائيةوجودالرقم الإلكترونيE-554 (عامل مضاد للتكتل)؛ يُفضل التجفيف الساكن في أنظمة السوائل أو الغاز المغلقة، على سبيل المثال، في عبوات الأدوية والمكونات الكهربائية والمواد الكيميائية القابلة للتلف؛ التخلص من المياه في أنظمة الطباعة والبلاستيك وتجفيف تيارات الهيدروكربون المشبعة. وتشمل الأنواع الممتزة SO2، وCO2، وH2S، وC2H4، وC2H6، وC3H6. يعتبر بشكل عام عامل تجفيف عالمي في الوسائط القطبية وغير القطبية؛[12]فصلالغاز الطبيعيوالألكينات، امتزاز الماء في المناطق غير الحساسة للنيتروجينالبولي يوريثين
5Å-DW	5	0.45-0.50	21-22	0.3-0.6	إزالة الشحوم وصب الاكتئاب نقطة منالطيران الكيروسينوديزل، وفصل الألكينات
5Å صغير غني بالأكسجين	5	0.4-0.8	≥23		مصمم خصيصًا لمولد الأكسجين الطبي أو الصحي[الاقتباس اللازمة]
5أ	5	0.60-0.65	20-21	0.3-0.5	تجفيف وتنقية الهواء.جفافوإزالة الكبريتمن الغاز الطبيعي وغاز البترول السائل;الأكسجينوهيدروجينالإنتاج بواسطةامتصاص الضغط المتأرجحعملية
10X	8	0.50-0.60	23-24	0.3-0.6	امتصاص عالي الكفاءة، يستخدم في التجفيف، وإزالة الكربنة، وإزالة الكبريت من الغاز والسوائل وفصلالهيدروكربونات العطرية
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 الكربنةوالتجفيف في صناعة فصل الهواء، وفصل النيتروجين عن الأكسجين في مركزات الأكسجين
النحاس 13X	10	0.50-0.60	23-24	0.3-0.5	تحلية(إزالةثيول) لوقود الطيرانوالمقابلةالهيدروكربونات السائلة

قدرات الامتزاز

3أ

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

نسبة السيليكا والألومينا: SiO2/ Al2O3≈2

إنتاج

يتم إنتاج المناخل الجزيئية 3A عن طريق التبادل الكاتيونيالبوتاسيوملالصوديومفي المناخل الجزيئية 4A (انظر أدناه)

الاستخدام

لا تمتص المناخل الجزيئية 3Å الجزيئات التي يزيد قطرها عن 3 Å. تشمل خصائص هذه المناخل الجزيئية سرعة الامتصاص السريعة، والقدرة على التجديد المتكرر، ومقاومة التكسير الجيدةمقاومة التلوث. يمكن لهذه الميزات تحسين كفاءة الغربال وعمره الافتراضي. تعتبر المناخل الجزيئية 3Å بمثابة المجفف الضروري في الصناعات البترولية والكيميائية 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 تكسير الغاز،الأسيتيلين,الإيثيلين,البروبيلينوالبيوتاديين.

يتم استخدام المنخل الجزيئي 3Å لإزالة الماء من الإيثانول، والذي يمكن استخدامه لاحقًا بشكل مباشر كوقود حيوي أو بشكل غير مباشر لإنتاج منتجات متنوعة مثل المواد الكيميائية، الأطعمة، الأدوية، والمزيد. نظرًا لأن التقطير العادي لا يمكنه إزالة كل الماء (منتج ثانوي غير مرغوب فيه من إنتاج الإيثانول) من تيارات عملية الإيثانول بسبب تكوينالأزيوتروببتركيز يبلغ حوالي 95.6 بالمائة من الوزن، يتم استخدام خرز المنخل الجزيئي لفصل الإيثانول والماء على المستوى الجزيئي عن طريق امتصاص الماء في الخرزات والسماح للإيثانول بالمرور بحرية. بمجرد امتلاء الخرزات بالماء، يمكن التحكم في درجة الحرارة أو الضغط، مما يسمح بتحرير الماء من خرز المنخل الجزيئي.[15]

يتم تخزين المناخل الجزيئية 3Å في درجة حرارة الغرفة، مع رطوبة نسبية لا تزيد عن 90%. يتم إغلاقها تحت ضغط منخفض، ويتم حفظها بعيدًا عن الماء والأحماض والقلويات.

4أ

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

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

إنتاج

يعد إنتاج الغربال 4Å أمرًا بسيطًا نسبيًا لأنه لا يتطلب ضغوطًا عالية ولا درجات حرارة عالية بشكل خاص. عادة المحاليل المائيةسيليكات الصوديوموألومينات الصوديوميتم دمجها عند 80 درجة مئوية. يتم "تنشيط" المنتج المشرب بالمذيبات عن طريق "الخبز" عند درجة حرارة 400 درجة مئوية. تعمل المناخل 4A كمقدمة للمناخل 3A و5A من خلالتبادل الكاتيونلالصوديوملالبوتاسيوم(لـ 3A) أوالكالسيوم(ل 5A)

الاستخدام

تجفيف المذيبات

تُستخدم المناخل الجزيئية 4Å على نطاق واسع لتجفيف المذيبات المختبرية. يمكنها امتصاص الماء والجزيئات الأخرى التي يبلغ قطرها الحرج أقل من 4 Å مثل NH3 وH2S وSO2 وCO2 وC2H5OH وC2H6 وC2H4. وهي تستخدم على نطاق واسع في تجفيف وتكرير وتنقية السوائل والغازات (مثل تحضير الأرجون).

 

إضافات عامل البوليستر[يحرر]

تُستخدم المناخل الجزيئية لمساعدة المنظفات حيث يمكنها إنتاج المياه منزوعة المعادن من خلالهاالكالسيومالتبادل الأيوني وإزالة ومنع ترسب الأوساخ. يتم استخدامها على نطاق واسع ليحل محلالفوسفور. يلعب المنخل الجزيئي 4Å دورًا رئيسيًا في استبدال ترايبوليفوسفيت الصوديوم كمنظف مساعد من أجل تخفيف التأثير البيئي للمنظف. كما يمكن استخدامه كصابونوكيل تشكيل وفيمعجون أسنان.

معالجة النفايات الضارة

يمكن للمناخل الجزيئية 4Å تنقية مياه الصرف الصحي من الأنواع الكاتيونية مثلالأمونيومأيونات Pb2+ وCu2+ وZn2+ وCd2+. نظرًا للانتقائية العالية لـ NH4+ فقد تم تطبيقها بنجاح في الميدان للقتالالتخثثوغيرها من التأثيرات في المجاري المائية بسبب زيادة أيونات الأمونيوم. كما تم استخدام المناخل الجزيئية 4Å لإزالة أيونات المعادن الثقيلة الموجودة في الماء بسبب الأنشطة الصناعية.

أغراض أخرى

الصناعة المعادن: عامل فصل، فصل، استخلاص محلول البوتاسيوم،الروبيديوم,السيزيوم، إلخ.

صناعة البتروكيماويات،محفز,المجففةالممتزات

زراعة:مكيف التربة

الطب : حمل الفضةالزيوليتعامل مضاد للجراثيم.

5أ

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

نسبة السيليكا والألومينا: SiO2/ Al2O3≈2

إنتاج

يتم إنتاج المناخل الجزيئية 5A عن طريق التبادل الكاتيونيالكالسيوملالصوديومفي المناخل الجزيئية 4A (انظر أعلاه)

الاستخدام

خمسة-أنجسترومغالبًا ما يتم استخدام المناخل الجزيئية (5Å) فيالبترولالصناعة، وخاصة لتنقية تيارات الغاز وفي مختبر الكيمياء لفصلهامركباتوتجفيف المواد البادئة للتفاعل. أنها تحتوي على مسام صغيرة ذات حجم دقيق وموحد، وتستخدم بشكل رئيسي كمادة ماصة للغازات والسوائل.

تُستخدم المناخل الجزيئية ذات خمسة أنجستروم للتجفيفالغاز الطبيعي، إلى جانب الأداءإزالة الكبريتوإزالة الكربونمن الغاز. ويمكن استخدامها أيضًا لفصل مخاليط الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين والهيدروكربونات الشمعية الزيتية عن الهيدروكربونات المتفرعة ومتعددة الحلقات.

يتم تخزين المناخل الجزيئية ذات خمسة أنجستروم في درجة حرارة الغرفة، مع درجة حرارةالرطوبة النسبيةأقل من 90% في براميل من الورق المقوى أو عبوات كرتونية. لا ينبغي تعريض المناخل الجزيئية مباشرة للهواء والماء، وينبغي تجنب الأحماض والقلويات.

مورفولوجيا المناخل الجزيئية

المناخل الجزيئية متوفرة بأشكال وأحجام متنوعة. لكن الخرز الكروي يتميز عن الأشكال الأخرى لأنه يوفر انخفاضًا أقل في الضغط، كما أنه مقاوم للتآكل لأنه لا يحتوي على أي حواف حادة، وله قوة جيدة، أي أن قوة السحق المطلوبة لكل وحدة مساحة أعلى. توفر بعض المناخل الجزيئية المخروطية سعة حرارية أقل وبالتالي متطلبات طاقة أقل أثناء عملية التجديد.

الميزة الأخرى لاستخدام المناخل الجزيئية المطرزة هي أن الكثافة الظاهرية عادة ما تكون أعلى من الأشكال الأخرى، وبالتالي فإن حجم المنخل الجزيئي المطلوب لنفس متطلبات الامتزاز يكون أقل. وبالتالي، أثناء القيام بإزالة الاختناقات، يمكن للمرء استخدام المناخل الجزيئية المخروطية، وتحميل المزيد من المادة الممتزة بنفس الحجم، وتجنب أي تعديلات على الوعاء.