المنخل الجزيئي

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
تُعتبر المناخل الجزيئية النموذجية من نوع LTA. وهي تحتوي على أقفاص من ألومينوسيليكات الصوديوم (الصوديوم غير موضح) التي تتمتع بألفة عالية للماء.
قوارير من السيليكا المسامية

المنخل الجزيئي مادة ذات مسام متجانسة الحجم، تُقارب حجم الجزيئات الفردية ، وتربط باطن المادة الصلبة بسطحها الخارجي. تُجسد هذه المواد تأثير المنخل الجزيئي ، حيث تُغربل الجزيئات الأكبر من المسام بشكل تفضيلي ، مما يسمح بالامتزاز الانتقائي لمركبات محددة بناءً على حجمها الجزيئي. [ أ ] تُظهر أنواع عديدة من المواد بعض خصائص المناخل الجزيئية، لكن الزيوليتات تُهيمن على هذا المجال. الزيوليتات هي في الغالب ألومينوسيليكات ، أو أنواع مُختلفة منها حيث تُستبدل بعض أو كل مراكز السيليكون أو الألومنيوم بعناصر ذات شحنة مُماثلة. [ ٢ ]

عملية الغربلة

تتشابه أقطار المسام المكونة للمناخل الجزيئية مع أحجام الجزيئات الصغيرة. 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 أولاً، تليها الجزيئات الأصغر حجماً تباعاً. معظم المناخل الجزيئية هي من سيليكات الألومنيوم ( الزيوليت ) بنسبة مولية Si/Al أقل من 2، ولكن توجد أيضاً أمثلة من الكربون المنشط وهلام السيليكا . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

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). [ 5 ]

تُصنف خصائص الغربلة للمناخل الجزيئية على النحو التالي:

  • المسام الدقيقة (3-10 أنغستروم) بما في ذلك الزيوليت A وLTA وFAU. بعض أنواع الطين والكربون النشط والزجاج المسامي تستوفي هذا المعيار.
  • المواد المسامية المتوسطة (  مسام أقل من 2 نانومتر)
  • المواد ذات المسام الكبيرة (2-50 نانومتر)، على سبيل المثال، في شكل ثاني أكسيد السيليكون (يستخدم لصنع هلام السيليكا): 24 أنجستروم (2.4  نانومتر) [ 6 ]

التطبيقات

تُستخدم بعض المناخل الجزيئية في كروماتوغرافيا الاستبعاد الحجمي ، وهي تقنية فصل تقوم بفرز الجزيئات بناءً على حجمها.

ومن الاستخدامات المهمة الأخرى استخدامها كمجفف . فهي تُستخدم بكثرة في صناعة البتروكيماويات 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 .

تُستخدم المناخل الجزيئية أيضًا على نطاق واسع كمواد مجففة في تطبيقات التجفيف والتحكم في الرطوبة للأجهزة الحساسة للرطوبة (MSD) مثل أشباه الموصلات المستخدمة في التصنيع الإلكتروني نظرًا لتقاربها القوي مع الماء وخصائص الامتصاص الانتقائي.

للاستخدام المختبري

في المختبر، تُستخدم المناخل الجزيئية لتجفيف المذيبات. وقد أثبتت المناخل الجزيئية تفوقها على تقنيات التجفيف التقليدية، التي غالباً ما تستخدم مواد مجففة قوية. [ 7 ]

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 . [ 8 ]

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 أو كربون مُنشَّط ، ويُستخدم في النهاية لتعبئة خزانات هواء التنفس. [ 9 ] 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 المادة 21 من قانون اللوائح الفيدرالية 182.2727. [ 10 ] قبل هذه الموافقة، كان الاتحاد الأوروبي يستخدم المناخل الجزيئية مع المستحضرات الصيدلانية، وأشارت الاختبارات المستقلة إلى أن هذه المناخل تستوفي جميع المتطلبات الحكومية، إلا أن الصناعة لم تكن مستعدة لتمويل الاختبارات المكلفة اللازمة للحصول على الموافقة الحكومية. [ 11 ]

تجديد

تشمل طرق تجديد المناخل الجزيئية تغيير الضغط (كما في مُركِّزات الأكسجين)، والتسخين والتنقية بغاز ناقل (كما هو الحال في تجفيف الإيثانول )، أو التسخين تحت فراغ عالٍ. تتراوح درجات حرارة التجديد من 175 إلى 315 درجة مئوية (350 إلى 600 درجة فهرنهايت) حسب نوع المنخل الجزيئي. [ 12 ] 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، ويعود ذلك إلى تكسر كريات السيليكا عند ملامستها للماء. [ 13 ]    

قدرات الامتزاز

اسمالاسم المستعارقطر المسام ( أنجستروم )الكثافة الظاهرية (جم/مل)الماء الممتص ( ٪  وزن/وزن )الاحتكاك أو التآكل، W (% وزن/وزن)الاستخدام [ 14 ]
3أA-3، KA30.60–0.6819-200.3–0.6تجفيف غاز تكسير البترول والألكينات، والامتزاز الانتقائي لـ H2O في الزجاج المعزول (IG) والبولي يوريثان، وتجفيف وقود الإيثانول لخلطه مع البنزين.
4أA-4، Na-A40.60–0.6520-210.3–0.6يُستخدم ألومينوسيليكات الصوديوم، الحاصل على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (انظر أدناه )، لامتصاص الماء كمنخل جزيئي في العبوات الطبية للحفاظ على جفاف المحتويات، وكمضاف غذائي يحمل الرقم E-554 (عامل مضاد للتكتل). يُفضل استخدامه في التجفيف الساكن في الأنظمة المغلقة للسوائل أو الغازات، مثل تغليف الأدوية والمكونات الكهربائية والمواد الكيميائية القابلة للتلف؛ وفي امتصاص الماء في أنظمة الطباعة والبلاستيك، وتجفيف تيارات الهيدروكربونات المشبعة. تشمل الأنواع الممتزة SO₂ و CO₂ و H₂S و C₂H₄ و C₂H₆ و C₃H₆ . يُعتبر عمومًا عامل تجفيف عالمي في الأوساط القطبية وغير القطبية؛ [ 12 ] وفصل الغاز الطبيعي والألكينات ، وامتصاص الماء في البولي يوريثان غير الحساس للنيتروجين .
5A-DW50.45–0.5021-220.3–0.6إزالة الشحوم وخفض نقطة الانسكاب من الكيروسين والديزل المستخدم في الطائرات ، وفصل الألكينات
5A صغير غني بالأكسجين50.4–0.8≥23مصمم خصيصًا لمولد الأكسجين الطبي أو الصحي
5أA-5، Ca-A50.60–0.6520-210.3–0.5تجفيف وتنقية الهواء؛ إزالة الماء والكبريت من الغاز الطبيعي وغاز البترول المسال ؛ إنتاج الأكسجين والهيدروجين عن طريق عملية امتزاز تأرجح الضغط
10 أضعافF-9، Ca-X80.50–0.6023-240.3–0.6امتزاز عالي الكفاءة، يستخدم في تجفيف الغازات والسوائل، وإزالة الكربون، وإزالة الكبريت، وفصل الهيدروكربونات العطرية
13XF-9، Na-X100.55–0.6523-240.3–0.5تجفيف وإزالة الكبريت وتنقية غاز البترول والغاز الطبيعي
13X-AS100.55–0.6523-240.3–0.5إزالة الكربون والتجفيف في صناعة فصل الهواء، وفصل النيتروجين عن الأكسجين في أجهزة تركيز الأكسجين
Cu-13XCu-X100.50–0.6023-240.3–0.5تحلية (إزالة الثيولات ) وقود الطائرات والهيدروكربونات السائلة المقابلة له

3أ

  • الصيغة الكيميائية التقريبية : ((K 2 O) 2 ⁄ 3 (Na 2 O) 1 ⁄ 3 ) • Al 2 O 3 • 2 SiO 2 • 9/2 H 2 O
  • نسبة السيليكا إلى الألومينا: SiO₂ / Al₂O₃ ≈ 2

إنتاج

يتم إنتاج المناخل الجزيئية 3A عن طريق التبادل الكاتيوني للبوتاسيوم بالصوديوم في المناخل الجزيئية 4A (انظر أدناه) .

الاستخدام

لا تمتص المناخل الجزيئية من النوع 3A الجزيئات التي يزيد قطرها عن 3 أنغستروم. وتتميز هذه المناخل بسرعة امتصاص عالية، وقابلية تجديد متكررة، ومقاومة جيدة للتكسير والتلوث . تُسهم هذه الخصائص في تحسين كفاءة المنخل وإطالة عمره. تُعد المناخل الجزيئية من النوع 3A مادة مجففة ضرورية في صناعات البترول والكيماويات لتكرير النفط، وعمليات البلمرة، والتجفيف العميق للغازات والسوائل الكيميائية.

تُستخدم المناخل الجزيئية من النوع 3A لتجفيف مجموعة متنوعة من المواد، مثل الإيثانول والهواء والمبردات والغاز الطبيعي والهيدروكربونات غير المشبعة . وتشمل هذه الأخيرة غاز التكسير والأسيتيلين والإيثيلين والبروبيلين والبيوتادين . تُخزّن المناخل الجزيئية من النوع 3A في درجة حرارة الغرفة، مع رطوبة نسبية لا تتجاوز 90%. وتُغلق بإحكام تحت ضغط منخفض، مع إبعادها عن الماء والأحماض والقلويات.

4أ

  • الصيغة الكيميائية: Na 2 O•Al 2 O 3 •2SiO 2 •9/2H 2 O
  • نسبة السيليكون إلى الألومنيوم: 1:1 (SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2)

إنتاج

لإنتاج منخل 4A، تُخلط عادةً محاليل مائية من سيليكات الصوديوم وألومينات الصوديوم عند درجة حرارة 80 درجة مئوية (180 درجة فهرنهايت) . يُفعّل المنتج بالتسخين عند درجة حرارة 400 درجة مئوية (750 درجة فهرنهايت) [ 15 ]. تُستخدم مناخل 4A كمادة أولية لمناخل 3A و5A من خلال تبادل كاتيونات الصوديوم بالبوتاسيوم ( للمنخل 3A ) أو الكالسيوم (للمنخل 5A) [ 16 ] [ 17 ].    

الاستخدامات

يُستخدم المناخل الجزيئية الزيوليتية بشكل أساسي في منظفات الغسيل. في عام 2001،  تم إنتاج ما يقدر بنحو 1.2 مليون طن من الزيوليت A لهذا الغرض، والذي يتضمن تليين المياه . [ 2 ]

تُستخدم المناخل الجزيئية من النوع 4A على نطاق واسع لتجفيف المذيبات المختبرية. ويمكنها امتصاص الماء وأنواع أخرى ذات قطر حرج أقل من 4 أنغستروم مثل NH3 و H2S و SO2 و CO2 و C2H5OH و C2H6 و C2H4 .

زجاجة من المناخل الجزيئية 4A

تُستخدم بعض المناخل الجزيئية كمساعدات في صناعة المنظفات، إذ تُنتج ماءً منزوع المعادن عبر تبادل أيونات الكالسيوم ، وتزيل الأوساخ وتمنع ترسبها. وتُستخدم على نطاق واسع كبديل للفوسفور . ويلعب المنخل الجزيئي 4A دورًا رئيسيًا في استبدال ثلاثي فوسفات الصوديوم كمادة مساعدة في المنظفات، وذلك للحد من الأثر البيئي للمنظفات. كما يُمكن استخدامه كعامل مُكوِّن للصابون وفي معجون الأسنان .

لأغراض أخرى

  1. الصناعة المعدنية : عامل الفصل، الفصل، استخلاص البوتاسيوم، الروبيديوم ، السيزيوم ، إلخ من المحلول الملحي.
  2. صناعة البتروكيماويات، المحفز ، المجفف ، المادة الماصة
  3. الزراعة: محسن التربة
  4. الدواء: عامل مضاد للبكتيريا من الزيوليت الفضي .

مورفولوجيا المناخل الجزيئية

تتوفر المناخل الجزيئية بأشكال وأحجام متنوعة. تتميز الخرزات الكروية عن الأشكال الأخرى بانخفاض الضغط فيها ومتانتها الميكانيكية.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ فيما يتعلق بالمواد الصلبة المسامية، يمكن تسمية السطح المرتبط بالمسام المتصلة بالفضاء الخارجي بالسطح الداخلي. ولأن إمكانية الوصول إلى المسام قد تعتمد على حجم جزيئات السائل، فإن مدى السطح الداخلي قد يعتمد على حجم الجزيئات المكونة للسائل، وقد يختلف باختلاف مكونات خليط السائل. [ 1 ]

مراجع

  1. ↑ "تأثير المنخل الجزيئي" . كتاب IUPAC الذهبي .
  2. 1 2 3 كريسج، تشارلز ت.؛ دينجرا، سانديب س. (2004). "المناخل الجزيئية". موسوعة كيرك-أوتمير للتكنولوجيا الكيميائية . doi : 10.1002/0471238961.1315120511210812.a01.pub2 . ISBN 978-0-471-48494-3.
  3. ↑ مازور، ميخال؛ بريتش، يان؛ تشيكا، جيري (2019). "الزيوليتات وغيرها من المناخل الجزيئية الدقيقة والمتوسطة المسامية". موسوعة كيرك-أوتمير للتكنولوجيا الكيميائية . ص 1-36 . doi : 10.1002/0471238961.zeolcejk.a01.pub2 . ISBN  978-0-471-48494-3.
  4. ↑ كوهين، آلان ب. (2003). "المجففات". موسوعة كيرك-أوتمير للتكنولوجيا الكيميائية . doi : 10.1002/0471238961.0405190903150805.a01.pub2 . ISBN 978-0-471-48494-3.
  5. ↑ ج. روكيرول وآخرون (1994). "توصيات لتوصيف المواد الصلبة المسامية (تقرير فني)" (تحميل مجاني بصيغة PDF) . مجلة الكيمياء البحتة والتطبيقية . 66 (8): 1739-1758 . doi : 10.1351/pac199466081739 . S2CID 18789898 .  
  6. ↑ "أنواع المواد المجففة" . SorbentSystems.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26-02-2014 .
  7. ↑ ويليامز، دي بي جي، لوتون، إم، "تجفيف المذيبات العضوية: تقييم كمي لكفاءة العديد من المجففات"، مجلة الكيمياء العضوية 2010، المجلد 75، 8351. doi : 10.1021/jo101589h
  8. ^ بوخادو، العلاقات العامة؛ رابو، جا؛ أنتوس، جي جي. جيمبيكي، سا (1992/03/11). “التطبيقات التحفيزية الصناعية للمناخل الجزيئية”. الحفز اليوم . 13 (1): 113-141 . دوى : 10.1016 / 0920-5861 (92)80191-O .
  9. ↑أُرشف بتاريخ 16 أبريل 2012 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
  10. ↑ "المادة 182.2727 ألومينوسيليكات الصوديوم" . إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. 1 أبريل 2012. مؤرشف من الأصل في 15 سبتمبر 2003. تم الاطلاع عليه في 10 ديسمبر 2012 .
  11. ↑ "مجفف المنخل الجزيئي" . DesiccantPacks.net . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26-02-2014 .
  12. 1 2 "المناخل الجزيئية" . سيجما-ألدريتش . تم الاسترجاع في 26-02-2014 .
  13. ↑ سبنس كوندي، "تحضير حبيبات الزيوليت عالية السيليكا من هلام السيليكا"، تم الاطلاع عليه بتاريخ 26-09-2011
  14. ↑ "المنخل الجزيئي، مناخل ييوان الجزيئية" . Chemicalpackingcorp.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26-02-2014 .
  15. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 3433588 ، ماكس ميشيل ودينيس بابي، "طريقة لتحضير الزيوليتات ذات وحدة أنغستروم 4"، نُشرت في 18 مارس 1969، وصدرت في 18 مارس 1969 
  16. ↑ زيوكيم
  17. ↑ داخل العالم