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

المنخل الجزيئي مادة ذات مسام (ثقوب صغيرة جدًا) متجانسة الحجم. تتشابه أقطار هذه المسام مع أحجام الجزيئات الصغيرة، ولذلك لا تستطيع الجزيئات الكبيرة الدخول أو الامتزاز، بينما تستطيع الجزيئات الأصغر ذلك. عندما ينتقل خليط من الجزيئات عبر طبقة ثابتة من مادة مسامية شبه صلبة تُعرف بالمنخل (أو المصفوفة)، فإن المكونات ذات الوزن الجزيئي الأعلى (التي لا تستطيع المرور عبر المسام الجزيئية) تغادر الطبقة أولًا، تليها الجزيئات الأصغر حجمًا تباعًا. تُستخدم بعض المناخل الجزيئية في كروماتوغرافيا الاستبعاد الحجمي، وهي تقنية فصل تُصنف الجزيئات بناءً على حجمها. بينما تُستخدم مناخل جزيئية أخرى كمجففات (من أمثلتها الفحم المنشط وهلام السيليكا).
يُقاس قطر مسام المنخل الجزيئي بالأنجستروم (Å) أو النانومتر (nm). ووفقًا لتسمية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC)، فإن المواد ذات المسام الميكروية لها أقطار مسام أقل من 2 نانومتر (20 Å)، بينما المواد ذات المسام الماكروية لها أقطار مسام أكبر من 50 نانومتر (500 Å)؛ وبالتالي، تقع فئة المواد ذات المسام الميزوية في المنتصف، حيث تتراوح أقطار مسامها بين 2 و50 نانومتر (20-500 Å).
مواد
يمكن أن تكون المناخل الجزيئية مواد دقيقة المسام، أو متوسطة المسام، أو كبيرة المسام.
مادة دقيقة المسام (
●الزيوليت (معادن ألومينوسيليكات، لا ينبغي الخلط بينها وبين سيليكات الألومنيوم)
● الزيوليت LTA: 3–4 أنغستروم
● الزجاج المسامي: 10 أنغستروم (1 نانومتر)، وما فوق
● الكربون النشط: 0-20 أنغستروم (0-2 نانومتر)، وما فوق
●الطين
●مخاليط المونتموريلونيت
● الهالوسيت (الإنديليت): يوجد منه شكلان شائعان، فعندما يكون الطين مُرطَّباً، تكون المسافة بين طبقاته 1 نانومتر، وعندما يكون جافاً (ميتا-هالوسيت) تكون المسافة 0.7 نانومتر. يوجد الهالوسيت طبيعياً على شكل أسطوانات صغيرة يبلغ متوسط ​​قطرها 30 نانومتراً، ويتراوح طولها بين 0.5 و10 ميكرومترات.
مادة مسامية متوسطة (2-50 نانومتر)
ثاني أكسيد السيليكون (يستخدم في صنع هلام السيليكا): 24 أنجستروم (2.4 نانومتر)
مادة ذات مسام كبيرة (>50 نانومتر)
السيليكا ذات المسام الكبيرة، 200-1000 أنجستروم (20-100 نانومتر)
التطبيقات[تعديل]
تُستخدم المناخل الجزيئية بكثرة في صناعة البترول، وخاصة لتجفيف تيارات الغاز. فعلى سبيل المثال، في صناعة الغاز الطبيعي المسال، يجب خفض محتوى الماء في الغاز إلى أقل من جزء واحد في المليون حجميًا لمنع الانسدادات الناتجة عن الجليد أو كلاثرات الميثان.
في المختبر، تُستخدم المناخل الجزيئية لتجفيف المذيبات. وقد أثبتت "المناخل" تفوقها على تقنيات التجفيف التقليدية، التي غالباً ما تستخدم مواد مجففة قوية.
تُستخدم المناخل الجزيئية، التي تُعرف باسم الزيوليت، في مجموعة واسعة من التطبيقات التحفيزية. فهي تحفز عمليات التماثل، والألكلة، والإيبوكسدة، وتُستخدم في العمليات الصناعية واسعة النطاق، بما في ذلك التكسير الهيدروجيني والتكسير التحفيزي المائع.
تُستخدم هذه المرشحات أيضًا في ترشيح الهواء المُزوَّد لأجهزة التنفس، مثل تلك التي يستخدمها الغواصون ورجال الإطفاء. في هذه التطبيقات، يُزوَّد الهواء بواسطة ضاغط هواء، ثم يمر عبر مرشح خرطوشي، يُملأ، حسب التطبيق، بمنخل جزيئي و/أو كربون مُنشَّط، ويُستخدم في النهاية لتعبئة خزانات هواء التنفس. يُمكن لهذا الترشيح إزالة الجسيمات ونواتج عادم الضاغط من هواء التنفس.
موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية.
وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية اعتبارًا من 1 أبريل 2012 على استخدام ألومينوسيليكات الصوديوم للتلامس المباشر مع المواد الاستهلاكية بموجب 21 CFR 182.2727. قبل هذه الموافقة، كان الاتحاد الأوروبي يستخدم المناخل الجزيئية مع المستحضرات الصيدلانية، وأشارت الاختبارات المستقلة إلى أن المناخل الجزيئية تفي بجميع المتطلبات الحكومية، لكن الصناعة لم تكن على استعداد لتمويل الاختبارات المكلفة المطلوبة للحصول على الموافقة الحكومية.
تجديد
تشمل طرق تجديد المناخل الجزيئية تغيير الضغط (كما في مُركِّزات الأكسجين)، والتسخين والتنقية بغاز ناقل (كما 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 بتسخينه في فرن عادي إلى 120 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت) لمدة ساعتين. مع ذلك، قد تنفجر بعض أنواع هلام السيليكا عند تعرضها لكمية كافية من الماء، وذلك نتيجة تكسر كريات السيليكا عند ملامستها للماء.

نموذج	قطر المسام (أنغستروم)	الكثافة الظاهرية (جم/مل)	الماء الممتص (% وزن/وزن)	الاحتكاك 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 العازل (IG)والبولي يوريثان، تجفيفوقود الإيثانوللخلطه مع البنزين.
4Å	4	0.60–0.65	20-21	0.3–0.6	امتصاص الماء فيألومينوسيليكات الصوديوموهو معتمد من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (انظرأقليُستخدم كمنخل جزيئي في الحاويات الطبية للحفاظ على المحتويات جافة، ومادة مضافة غذائيةتناولالرقم الإلكترونيE-554 (عامل مضاد للتكتل)؛ يُفضل استخدامه في التجفيف الساكن في الأنظمة المغلقة للسوائل أو الغازات، مثل تغليف الأدوية والمكونات الكهربائية والمواد الكيميائية القابلة للتلف؛ وامتصاص الماء في أنظمة الطباعة والبلاستيك وتجفيف تيارات الهيدروكربونات المشبعة. تشمل الأنواع الممتصة SO2 وCO2 وH2S وC2H4 وC2H6 وC3H6. يُعتبر عمومًا عامل تجفيف عالمي في الأوساط القطبية وغير القطبية.[12]فصلالغاز الطبيعيوالألكيناتامتصاص الماء في مواد غير حساسة للنيتروجينالبولي يوريثان
5Å-DW	5	0.45–0.50	21-22	0.3–0.6	إزالة الشحوم وانخفاض نقطة الانسكابالطيران الكيروسينوديزلوفصل الألكينات
5 أنجستروم صغير غني بالأكسجين	5	0.4–0.8	≥23		مصمم خصيصًا لمولدات الأكسجين الطبية أو الصحية[مطلوب مصدر]
5Å	5	0.60–0.65	20-21	0.3–0.5	تجفيف وتنقية الهواء؛جفافوإزالة الكبريتمن الغاز الطبيعي وغاز البترول المسال؛الأكسجينوهيدروجينإنتاج بواسطةامتزاز تأرجح الضغطعملية
10 أضعاف	8	0.50–0.60	23-24	0.3–0.6	امتصاص عالي الكفاءة، يُستخدم في تجفيف الغازات والسوائل، وإزالة الكربون، وإزالة الكبريت، وفصل...الهيدروكربون 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
Cu-13X	10	0.50–0.60	23-24	0.3–0.5	التحلية(إزالةالثيولات) لوقود الطائراتوما يقابلهاالهيدروكربونات السائلة

قدرات الامتزاز

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 من النوع 3A عن طريق التبادل الكاتيوني لـالبوتاسيوملالصوديومفي المناخل الجزيئية 4A (انظر أدناه)

الاستخدام

لا تمتص المناخل الجزيئية ذات الفتحات 3 أنغستروم الجزيئات التي يزيد قطرها عن 3 أنغستروم. وتشمل خصائص هذه المناخل الجزيئية سرعة امتصاص عالية، وقدرة على التجديد المتكرر، ومقاومة جيدة للسحق.مقاومة التلوثتساهم هذه الخصائص في تحسين كفاءة المنخل وإطالة عمره. تُعدّ المناخل الجزيئية ذات مسام 3 أنغستروم المادة المجففة الضرورية في صناعات البترول والكيماويات لتكرير النفط، والبلمرة، والتجفيف العميق للغازات والسوائل الكيميائية.

تُستخدم المناخل الجزيئية ذات مسام 3 أنغستروم لتجفيف مجموعة متنوعة من المواد، مثلالإيثانول، هواء،المبردات،الغاز الطبيعيوالهيدروكربونات غير المشبعةوتشمل هذه الأخيرة غاز التكسير،الأسيتيلين،الإيثيلين،البروبيلينوالبيوتادين.

يُستخدم المنخل الجزيئي 3Å لإزالة الماء من الإيثانول، الذي يمكن استخدامه لاحقًا مباشرةً كوقود حيوي أو بشكل غير مباشر لإنتاج منتجات متنوعة مثل المواد الكيميائية والأغذية والأدوية وغيرها. ونظرًا لأن التقطير العادي لا يستطيع إزالة كل الماء (وهو منتج ثانوي غير مرغوب فيه من إنتاج الإيثانول) من تيارات عملية الإيثانول بسبب تكوّن طبقة رقيقة من الماء.الأزيوتروبتُستخدم حبيبات المنخل الجزيئي، بتركيز يبلغ حوالي 95.6% وزناً، لفصل الإيثانول عن الماء على المستوى الجزيئي، وذلك عن طريق امتصاص الماء داخل الحبيبات والسماح للإيثانول بالمرور بحرية. وبمجرد امتلاء الحبيبات بالماء، يمكن التحكم في درجة الحرارة أو الضغط، مما يسمح بتحرير الماء من حبيبات المنخل الجزيئي.[15]

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

4Å

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

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

إنتاج

إنتاج منخل 4Å عملية بسيطة نسبياً، إذ لا تتطلب ضغوطاً عالية ولا درجات حرارة مرتفعة بشكل خاص. عادةً ما تُستخدم محاليل مائية منسيليكات الصوديوموألومينات الصوديومتُدمج المكونات عند درجة حرارة 80 درجة مئوية. يُفعّل المنتج المشبع بالمذيب عن طريق خبزه عند درجة حرارة 400 درجة مئوية. تُستخدم المناخل من النوع 4A كمادة أولية للمناخل من النوعين 3A و5A.تبادل الكاتيوناتلالصوديوملالبوتاسيوم(لـ 3أ) أوالكالسيوم(لـ 5A)

الاستخدام

مذيبات التجفيف

تُستخدم المناخل الجزيئية ذات الفتحات 4 أنغستروم على نطاق واسع لتجفيف المذيبات المختبرية. فهي قادرة على امتصاص الماء وجزيئات أخرى ذات قطر حرج أقل من 4 أنغستروم، مثل الأمونيا (NH3)، وكبريتيد الهيدروجين (H2S)، وثاني أكسيد الكبريت (SO2)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، والإيثانول (C2H5OH)، والإيثان (C2H6)، والإيثان (C2H4). وتُستخدم هذه المناخل على نطاق واسع في تجفيف وتكرير وتنقية السوائل والغازات (مثل تحضير غاز الأرغون).

 

إضافات عامل البوليستر[يحرر]

تُستخدم هذه المناخل الجزيئية لمساعدة المنظفات لأنها قادرة على إنتاج الماء منزوع المعادن من خلالالكالسيومتعمل تقنية التبادل الأيوني على إزالة الأوساخ ومنع ترسبها. وهي تُستخدم على نطاق واسع كبديلالفوسفوريلعب المنخل الجزيئي ذو المسام 4 أنغستروم دورًا رئيسيًا في استبدال ثلاثي فوسفات الصوديوم كمادة مساعدة في المنظفات، وذلك للحد من الأثر البيئي للمنظفات. كما يمكن استخدامه أيضًا كـصابونعامل التشكيل وفيمعجون أسنان.

معالجة النفايات الضارة

يمكن للمناخل الجزيئية ذات مسام 4 أنغستروم تنقية مياه الصرف الصحي من الأنواع الكاتيونية مثلالأمونيومأيونات الرصاص (Pb2+)، والنحاس (Cu2+)، والزنك (Zn2+)، والكادميوم (Cd2+). ونظرًا لانتقائيتها العالية لأيون الأمونيوم (NH4+)، فقد تم استخدامها بنجاح في الميدان لمكافحةالتخثثوغيرها من الآثار في المجاري المائية نتيجة لزيادة أيونات الأمونيوم. كما استُخدمت المناخل الجزيئية ذات مسام 4 أنغستروم لإزالة أيونات المعادن الثقيلة الموجودة في الماء نتيجة للأنشطة الصناعية.

لأغراض أخرى

الصناعة المعادنعامل فصل، فصل، استخلاص البوتاسيوم من المحلول الملحي،الروبيديوم،السيزيوم، إلخ.

صناعة البتروكيماويات،المحفز،مادة مجففةمادة ماصة

زراعة:محسن التربة

دواء: تحميل الفضةالزيوليتعامل مضاد للبكتيريا.

5Å

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

نسبة السيليكا إلى الألومينا: SiO2/Al2O3 ≈ 2

إنتاج

يتم إنتاج المناخل الجزيئية من النوع 5A عن طريق التبادل الكاتيوني لـالكالسيوملالصوديومفي المناخل الجزيئية 4A (انظر أعلاه)

الاستخدام

خمسة-أنغسترومتُستخدم المناخل الجزيئية (5 أنغستروم) غالبًا فيالبترولالصناعة، وخاصة لتنقية تيارات الغاز وفي مختبر الكيمياء لفصلالمركباتوتُستخدم هذه المواد في تجفيف المواد الأولية للتفاعلات. وهي تحتوي على مسامات دقيقة ذات حجم موحد ودقيق، وتُستخدم بشكل أساسي كمادة ماصة للغازات والسوائل.

تُستخدم المناخل الجزيئية ذات الخمسة أنجستروم لتجفيفالغاز الطبيعيبالإضافة إلى الأداءإزالة الكبريتوإزالة الكربوناتمن الغاز. ويمكن استخدامها أيضًا لفصل مخاليط الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين، والهيدروكربونات العادية الزيتية الشمعية عن الهيدروكربونات المتفرعة والمتعددة الحلقات.

يتم تخزين المناخل الجزيئية ذات الخمسة أنغستروم في درجة حرارة الغرفة، معالرطوبة النسبيةيجب ألا تتجاوز نسبة الترشيح 90% في براميل كرتونية أو عبوات كرتونية. يجب عدم تعريض المناخل الجزيئية للهواء والماء والأحماض والقلويات بشكل مباشر.

مورفولوجيا المناخل الجزيئية

تتوفر المناخل الجزيئية بأشكال وأحجام متنوعة. إلا أن الخرز الكروي يتميز عن الأشكال الأخرى بانخفاض فرق الضغط، ومقاومته للتآكل لعدم احتوائه على حواف حادة، وقوته العالية، أي أن قوة السحق المطلوبة لكل وحدة مساحة أعلى. كما أن بعض المناخل الجزيئية ذات الخرز تتميز بسعة حرارية أقل، مما يقلل من متطلبات الطاقة أثناء التجديد.

تتمثل الميزة الأخرى لاستخدام المناخل الجزيئية ذات الشكل الخرزي في أن كثافتها الظاهرية عادةً ما تكون أعلى من الأشكال الأخرى، وبالتالي، لتحقيق نفس متطلبات الامتزاز، يكون حجم المنخل الجزيئي المطلوب أقل. لذا، عند إجراء تحسينات على كفاءة العملية، يمكن استخدام المناخل الجزيئية ذات الشكل الخرزي، وتحميل كمية أكبر من المادة المازة في نفس الحجم، وتجنب أي تعديلات على الوعاء.