المجفف بالمنخل الجزيئي: كل ما تحتاج إلى معرفته

المكونات الرئيسية للمواد المجففة الشائعة هي المنخل الجزيئي، والمونتموريلونيت، وهلام السيليكا، وكلوريد الكالسيوم، وكلوريد المغنيسيوم. وسأقدم لكم اليوم مادة التجفيف التي تعتمد على المنخل الجزيئي.

مادة مجففة من نوع المنخل الجزيئي هو منتج مجفف اصطناعي يتمتع بقدرة امتصاص قوية لجزيئات الماء. ويمكن التحكم في حجم مسام المناخل الجزيئية من خلال تقنيات معالجة مختلفة. وبالإضافة إلى امتصاص بخار الماء، فإنها قادرة أيضًا على امتصاص غازات أخرى. وفي حالة ارتفاع درجة الحرارة إلى ما يزيد عن 230 ℃، فإنها تظل قادرة على الاحتفاظ بجزيئات الماء. وعادةً ما تُستخدم كممتصات للغازات أو السوائل. وهي أسرع في امتصاص الماء مقارنةً بالسيليكا جيل. قد تكون المناخل ذات مسام دقيقة، أو كبيرة، أو متوسطة. وهي توفر الحماية من الرطوبة والماء. تتوفر هذه المناخل الجزيئية المجففة على شكل حبيبات وكريات. تتميز المناخل ببنية بلورية ذات أحجام مسام مختلفة. وهي متجانسة في بنيتها، وبالتالي لا تسمح بخروج الرطوبة مرة أخرى إلى الحاوية بسهولة. تُستخدم في إزالة الماء من السوائل والغازات. المنخل الجزيئي وهو أكثر فعالية في إزالة الماء مقارنةً بالسيليكا جيل أو الكالسيوم أو الطين. كما أنه يحتفظ بالرطوبة حتى في درجات الحرارة المرتفعة. ولذلك فهو المادة المجففة الأكثر تفضيلاً.

ما هي استخدامات مجفف المنخل الجزيئي؟

مادة مجففة من نوع المنخل الجزيئي هو منتج مجفف اصطناعي يتميز بقدرة امتصاص قوية لجزيئات الماء. ويمكن التحكم في حجم مسام المناخل الجزيئية من خلال تقنيات معالجة مختلفة. وبالإضافة إلى امتصاص بخار الماء، فإنه قادر أيضًا على امتصاص غازات أخرى. وفي حالة درجات الحرارة المرتفعة التي تتجاوز 230 درجة مئوية، فإنه لا يزال قادرًا على الاحتفاظ بجزيئات الماء بشكل جيد.

المنخل الجزيئي هو مركب من الألومينوسيليكات ذو شبكة مكعبة، يتكون أساسًا من السيليكون والألومنيوم المرتبطين بجسور أكسجين لتشكيل هيكل هيكلي مفتوح. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يحتوي أيضًا على أيونات معدنية ذات شحنة كهربائية أقل ونصف قطر أيوني أكبر، بالإضافة إلى الماء في حالة مترابطة. ونظرًا لأن جزيئات الماء تُفقد باستمرار بعد التسخين، بينما تظل بنية الهيكل البلوري دون تغيير، تتشكل العديد من التجاويف ذات الحجم نفسه، وترتبط هذه التجاويف بالعديد من المسام الدقيقة ذات القطر نفسه. يتم امتصاص الجزيئات ذات الأقطار الصغيرة داخل المسام، بينما تُستبعد الجزيئات الأكبر حجمًا من المسام، مما يتيح فصل الجزيئات ذات الأشكال والأقطار المختلفة، والجزيئات ذات درجات القطبية المختلفة، والجزيئات ذات درجات الغليان المختلفة، والجزيئات ذات درجات التشبع المختلفة. وبعبارة أخرى، فإنه يؤدي وظيفة «غربلة» الجزيئات، ولذلك يُسمى المنخل الجزيئي. ويُستخدم مادة التجفيف بالمنخل الجزيئي على نطاق واسع في طبي, الصناعة الكيميائية, الإلكترونيات وغيرها من الصناعات.

ما هو مبدأ التجفيف باستخدام المنخل الجزيئي؟

1. استخدام فرن تجفيف كهربائي يعمل بنظام تدفق الهواء الساخن للتحكم في درجة الحرارة، واستخدام ستة محاليل مائية مشبعة من بروميد الزنك، وخلات البوتاسيوم، وكلوريد المغنيسيوم لتهيئة بيئات رطوبة مختلفة لمحاكاة ظروف درجة الحرارة والرطوبة الخاصة بتخزين المنتج، واستخدام المبادئ العامة للوزن لدراسة جدوى استخدام المنتج لأغراض أخرى. 4A من المناخل الجزيئية أداء امتصاص الماء وإطلاقه.

2. إذا بقيت درجة الحرارة دون تغيير جوهري، فإن معدل امتصاص الماء في المنخل الجزيئي المزود بكيس داخلي سيزداد بشكل عكسي التناسب مع مرور الوقت في بيئات الرطوبة المختلفة، ولا يكون ميل المنحنى متماثلاً في جميع مستويات الرطوبة المختلفة، لا سيما عندما ترتفع الرطوبة، حيث يتحسن معدل امتصاص الماء عند حالة التشبع في المنخل الجزيئي.

3. معدل امتصاص الرطوبة في المنخل الجزيئي المزود بكيس داخلي أقل بكثير من معدل امتصاص الماء المتوقع للمنخل الجزيئي، ولا يبلغ معدل امتصاص الماء في المنخل الجزيئي المزود بكيس داخلي سوى حوالي 16% من معدل امتصاص الماء الذاتي للمنخل الجزيئي.

4. بعد وصول امتصاص الماء في المنخل الجزيئي إلى حالة التشبع، يجب تعديل درجة الملوحة من 61% إلى 319%. هناك توازن بين امتصاص الماء في المنخل الجزيئي عند حالة التشبع والرطوبة البيئية، لا سيما في البيئات منخفضة الرطوبة التي يوجد فيها المنخل الجزيئي وهلام السيليكا، ويمكن أن يتحرر الماء الممتص على سطح المنخل الجزيئي في الوقت المناسب.

كيف يمكنني اختيار مادة مجففة من نوع المنخل الجزيئي؟

النوع الأكثر شيوعًا من مادة مجففة من نوع المنخل الجزيئي هو 4A من المناخل الجزيئية، والذي يُستخدم بشكل أساسي في التجفيف العميق للهواء، والغاز الطبيعي، والهيدروكربونات الألكانية الكاملة، ومواد التبريد، وغيرها من الغازات والسوائل؛ وفي تحضير وتنقية غاز الأرجون؛ وفي التجفيف الكهروستاتيكي للمكونات الإلكترونية والمواد المعرضة للتلف بسبب الرطوبة؛ وكعامل تجفيف في الدهانات، والبوليستر، والمواد المبيضة، والطلاءات.

خصائص مجفف بالمنخل الجزيئي: في الظروف الرطبة، لا يزال بإمكانه امتصاص كمية كبيرة من بخار الماء الموجود في البيئة والتحكم بفعالية في الرطوبة المحيطة. وتتميز سرعة امتصاص الرطوبة بأنها سريعة، لا سيما في امتصاص كمية كبيرة من بخار الماء خلال فترة زمنية قصيرة جدًّا. ويتميز هذا المادة بخصائص مادة مجففة ذات قدرة امتصاص عالية للماء وسرعة امتصاص فائقة، ولا سيما في فترة زمنية قصيرة، حيث لا يصل إلى حالة التشبع بالماء ويظل قادرًا على امتصاص الماء.

المجفف بالمنخل الجزيئي في مجال مواد التغليف الصيدلانية

كيس المنخل الجزيئي هو منتج مجفف صغير الحجم تم تطويره خصيصًا لامتصاص الرطوبة في بيئات التعبئة والتغليف الصغيرة (مثل عبوات الأدوية).

من أجل تسهيل نقل الأدوية واستخدامها وضمان جودتها، يتعين عادةً تعبئة الأدوية بمواد تغليف مناسبة قبل طرحها في السوق. ويجب أن تتوافق مواد التغليف والحاويات التي تتلامس مباشرةً مع الأدوية مع المعايير الخاصة بمواد التغليف الصيدلانية وتسجيل المنتجات التي تصدرها الدولة، كما يجب أن تكون غير سامة ونظيفة، وألا تتفاعل مع الأدوية بأي شكل من الأشكال، وألا تؤثر على الجودة الجوهرية للأدوية.

يمكن لمواد التغليف الصيدلانية المناسبة أن تضمن جودة الأدوية بشكل أفضل. مادة ماصة للرطوبة داخل العبوة.

يُستخدم المُجفف عادةً للحفاظ على جفاف المنتج واستقراره، حيث يمكنه امتصاص الرطوبة الموجودة في الهواء وتقليل الرطوبة في الفراغ العلوي للعبوة المغلقة من خلال الامتصاص الفيزيائي أو التفاعل الكيميائي.

على سبيل المثال، تتحقق وظيفة امتصاص الرطوبة في مادة السيليكا جيل المجففة عن طريق الامتصاص الفيزيائي، في حين تتحقق وظيفة امتصاص الرطوبة في أكسيد الكالسيوم من خلال تفاعل كيميائي.

أكثر المواد المجففة استخدامًا في تغليف المستحضرات الصيدلانية الصلبة هي هلام السيليكا، والتراب الدياتومي، والمناخل الجزيئية.

عند اختيار مادة المجفف، يجب أولاً تحديد منحنى امتصاص الرطوبة للمجفف وتحديد الكمية المطلوبة. وتعد كمية المجفف أمرًا بالغ الأهمية؛ فإذا كانت الكمية غير كافية، فلن يتمكن المجفف من أداء دوره الوقائي على النحو المطلوب؛ أما إذا تم استخدامه بكميات زائدة، فسيؤدي ذلك إلى تجفيف مفرط وزيادة غير ضرورية في التكلفة.

في معظم الحالات، لا يؤثر الإفراط في استخدام المادة المجففة على جودة المنتج. ومع ذلك، فإن الإفراط في تجفيف بعض الهيدرات قد يؤدي إلى تكوين مواد غير متبلورة وغير مستقرة، مما يؤثر سلبًا على جودة المنتج.

 المجفف بالمنخل الجزيئي في مجال الزجاج العازل

بالإضافة إلى ذلك، تجدر الإشارة إلى أن «جالون» قد المنخل الجزيئي للزجاج العازل، والتي تتميز بقدرة كبيرة على امتصاص الماء وبطء عملية الامتصاص. فهي لا تشبع بالماء لفترة طويلة وتظل تحتفظ بقدرتها على امتصاص الماء؛ كما تتميز برطوبة نسبية منخفضة. وتظل قادرة على امتصاص الماء عند استخدامها، مما يضمن بقاء الطبقة البينية للزجاج العازل جافة لفترة طويلة، ويحافظ على نقاء الزجاج وشفافيته. يتراكم الغبار الناعم على السطح الداخلي للزجاج العازل، مما يؤثر على جودة الزجاج العازل؛ يتميز هذا المنتج بقدرة امتصاص عالية للماء، ولكنه في الوقت نفسه لا يمتص الغازات الأخرى مثل النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون، مما يضمن عدم انخفاض الضغط الداخلي للزجاج العازل.

المجفف بالمنخل الجزيئي في مجال المبردات

المنخل الجزيئي هو نوع من المواد الماصة عالية الكفاءة والانتقائية. فهو قادر على امتصاص كمية كبيرة من الماء حتى في ظروف الرطوبة المنخفضة أو درجات الحرارة المرتفعة. ونظرًا لعدم امتصاصه للمبردات والزيوت، فإن المنخل الجزيئي يتمتع بقدرة امتصاص للماء أعلى مقارنة بالمواد الماصة الأخرى، ويمكنه تجفيف أنواع مختلفة من المبردات بفعالية.

تُعد وحدة التبريد نظامًا ذو دوران مغلق، ولا يُسمح بوجود أي شوائب في وسيط العمل المتدفق داخل النظام. فقد يؤدي دخول الشوائب إلى تعطيل عمل النظام بشكل طبيعي، وتقليل الكفاءة، وزيادة استهلاك الطاقة، بل والتسبب في وقوع حوادث في الحالات الخطيرة. ومن الشوائب الشائعة في وحدات التبريد الهواء، والرطوبة، وزيت التشحيم، والشوائب الميكانيكية. تعد الرطوبة أحد أكبر العوامل التي تؤثر على أنظمة التبريد. تتطلب عملية التبريد في مكيف الهواء أن يكون محتوى الماء في المبرد أقل من 15 جزء في المليون. ويرجع ذلك إلى أنه عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون 0 درجة مئوية، فإن انسداد الأنابيب الشعرية الناتج عن تجمد الماء في المبرد بسبب انخفاض درجة الحرارة سيؤثر بشكل خطير على النظام ويجعل عملية التبريد مستحيلة. علاوة على ذلك، عند وجود الرطوبة في النظام، يتولد حمض ضعيف، مما يؤدي إلى تآكل المعادن، وسيؤثر تآكل المعادن بشكل خطير على عمر النظام وتشغيله الطبيعي.

لذلك، من الضروري إزالة الرطوبة من نظام التبريد. ويُعد استخدام مجفف المنخل الجزيئي لإزالة الرطوبة في نظام التبريد خيارًا أفضل. وقد لاحظ الناس أن المبردات المكلورة التي تعتمد على الفريون تلحق ضررًا هائلًا بالغلاف الجوي، مما أجبر صناعة التبريد على استبدال المبرد، وأدى إلى ظهور جيل جديد من المبردات «الصديقة للبيئة». وفي الوقت نفسه، تسبب ذلك أيضًا في مشكلة التوافق بين المنخل الجزيئي والمبرد الجديد. بمعنى آخر، إذا تم تجفيف المبرد الجديد باستخدام المنخل الجزيئي غير المعالج، فقد يمتص المنخل الجزيئي كمية كبيرة من الماء أثناء عملية إزالة الماء والتجفيف. وسيؤدي جزء من المبرد إلى حدوث عيوب مثل التأثير على كفاءة التبريد، مما يتسبب في انخفاض قوة المجفف أو حتى حدوث تشققات وانسداد أنابيب الدوران في نظام التبريد. وقد أثبتت التجربة أن المناخل الجزيئية غير المعالجة غير مناسبة لتجفيف المبردات الجديدة.

مجفف بالمنخل الجزيئي في تجفيف الإيثانول

تعمل تقنية MSDH (تجفيف بالمنخل الجزيئي) وفقًا لمبدأ الامتصاص بالتأرجح الضغطي. وتستند عملية التشغيل إلى التفاعلات الكهروستاتيكية والقطبية بين المادة الماصة ومزيج الإيثانول والماء.

تتألف العملية من عمودين (طبقتين) للامتصاص مملوءين بـ المنخل الجزيئي 3a؛ ومع ذلك، يمكن استخدام غرابيل بأي حجم يتراوح بين 2.9 آنجستروم و4.3 آنجستروم. يُسمح للتدفق المستمر لبخار الإيثانول والماء (حيث تبلغ نسبة الإيثانول حوالي 95.63% (وزن/وزن)) بالمرور عبر طبقة الغرابيل. وتحتفظ هذه الغربالات، بناءً على حجم مسامها المحدد (3 آنغستروم)، بجزيئات الماء (2.8 آنغستروم) من أبخرة خليط الإيثانول والماء، مما يمنع جزيئات الإيثانول (4.4 آنغستروم) من المرور عبرها. وبالتالي، تدخل جزيئات الماء عبر المسام وتُحتجز في أقفاص الزيوليت.

خلال مرحلة الامتصاص تحت الضغط، يتم امتصاص جزيئات الماء الموجودة في بخار الإيثانول والماء داخل مسام المناخل الجزيئية، في حين يغادر العمود بخار الإيثانول غير الممتص والخالي من جزيئات الماء. ويحدث تكثف لبخار الإيثانول هذا بعد خروجه من عمود الامتصاص، ثم يتم تجميع الإيثانول النقي غير المائي المتكثف في خزان. وبعد مرور فترة زمنية معينة، يصبح العمود الخاضع لعملية الامتصاص مشبعًا بجزيئات الماء. ثم يخضع هذا العمود المشبع لعملية إزالة الامتصاص من أجل تجديد المناخل. وأثناء تجديد العمود، تتم إزالة الماء عن طريق تخفيف الضغط عن العمود (عن طريق تطبيق الفراغ) وتطهير الطبقة بجزء من بخار الإيثانول النقي. وتخضع هذه المناخل الموجودة في الأعمدة بالتناوب لعمليتي امتصاص الماء وإزالة الامتصاص. وتعد تقنية MSDH بديلاً واعداً لعمليات التجفيف التقليدية ومحاولة جيدة لتقليل استهلاك الطاقة مقارنةً بها. لا يزال من الممكن خفض استهلاك الطاقة في هذه العملية، المقاس من حيث استهلاك البخار، من خلال تطبيق الامتصاص في الطور السائل، حيث إن كلا من الامتصاص في الطور السائل والطور البخاري ممكنان من الناحية التقنية. ومع ذلك، يُفضل عادةً الامتصاص في الطور البخاري الذي ينطوي على تبخير وتسخين مفرط لمزيج الإيثانول والماء قبل تعريضه لطبقة المنخل الجزيئي.

سيؤدي ذلك إلى زيادة كبيرة في استهلاك البخار، لكن استهلاك الطاقة في هذه العملية يظل منخفضًا مقارنةً بتقنيات التجفيف الأخرى. ويكمن الاختلاف الأساسي بين عمليات الأغشية والمناخل الجزيئية المستخدمة في تجفيف الإيثانول في أن إنتاجية نظام الأغشية تزداد مع ارتفاع تركيز الماء، بينما تنخفض إنتاجية المناخل الجزيئية مع ارتفاع تركيز الماء. وبالرغم من وجود بعض القيود، يظل التجفيف باستخدام المناخل الجزيئية هو التقنية الأكثر تفضيلاً لتجفيف الإيثانول. يُعد امتصاص الماء على الزيوليت عملية طاردة للحرارة بشدة. فعندما يدخل بخار الماء المخلوط بالإيثانول إلى الطبقة، يحدث امتصاص سريع للماء يتبعه توليد كمية كبيرة من الحرارة. ويمكن أيضًا استكشاف إمكانية استخدام هذه الحرارة المنبعثة في تبخير خليط الماء والإيثانول، مما يقلل من إجمالي استهلاك البخار في العملية، في المستقبل القريب. على الرغم من أن العملية ترتبط باستهلاك منخفض للطاقة مقارنة بالتقطير؛ إلا أن استخدام تقنية MSDH لاستخلاص الإيثانول من السائل المتخمر غير مستحسن على الإطلاق، حيث إن التعرض المباشر للمنخل الجزيئي للسائل المتخمر سيؤدي إلى انسداد مسام المنخل، مما يقلل من المواقع المتاحة لامتصاص الماء. تتمتع تقنية MSDH بالقدرة على تجفيف الإيثانول إلى تركيز يزيد عن 99.8% (وزن/وزن) من الإيثانول.

أصبح تجفيف الإيثانول باستخدام المناخل الجزيئية الطريقة الأكثر شيوعًا حتى الآن في إنتاج الكحول. الشبكة الجزيئية،

بالمقارنة مع عمليات التجفيف بالكحول الأخرى، يتميز التجفيف بالإيثانول بالمزايا التالية: بساطة العملية؛ انخفاض تكلفة التركيب؛ سهولة التشغيل؛

صديق للبيئة، لكن الأهم على الأرجح هو أن يكون استهلاك الطاقة أقل من 3000 وحدة حرارية بريطانية لكل جالون (btu/gal) كقيمة حرارية لامتصاص الإيثانول.

في عملية المعالجة بالامتصاص بالإيثانول، تُعد المنخل الجزيئي أهم مادة خام.

تُعد المناخل الجزيئية مواد امتصاص فريدة وقيّمة، ولها تاريخ يمتد لأكثر من خمسة وثلاثين عامًا في التطبيقات الصناعية. والمناخل الجزيئية هي مركبات معدنية بلورية من الألومينوسيليكات. وتُستخدم المناخل الجزيئية الاصطناعية بشكل شائع تجاريًّا، إلا أن تركيبها يشبه تركيب الزيوليت الطبيعي. وعندما يُشار إلى «المناخل الجزيئية» في العادة، فإن المقصود عمومًا هو «الزيوليت».

تجدر الإشارة إلى أن المناخل الجزيئية تتمتع بقدرة استرطابية قوية جدًّا وتُستخدم لتنقية الغازات، لذا يجب تجنب تعرضها المباشر للهواء أثناء التخزين. أما المناخل الجزيئية التي تم تخزينها لفترة طويلة وامتصت الرطوبة، فيجب إعادة تجديدها قبل الاستخدام. تتجنب المناخل الجزيئية ملامسة الزيت والماء السائل. لذا، عند الاستخدام، حاول تجنب ملامستها للزيت والماء السائل. تشمل الغازات المستخدمة للتجفيف في الإنتاج الصناعي الهواء، والهيدروجين، والأكسجين، والنيتروجين، والأرجون، وما إلى ذلك. يتم توصيل مجففين بالامتصاص بالتوازي، أحدهما يعمل والآخر يمكن تجديده. يتم التناوب بين العمل والتجديد لضمان التشغيل المستمر للمعدات. يعمل المجفف عند درجة حرارة تتراوح بين 8 و12 درجة مئوية، ويتم تجديده عن طريق الشطف تحت التسخين حتى 350 درجة مئوية. تختلف درجة حرارة إعادة التجديد للمنخلات الجزيئية ذات المواصفات المختلفة اختلافًا طفيفًا. وللمنخلات الجزيئية تأثير تحفيزي جيد على بعض التفاعلات العضوية في الطور الغازي.

بالإضافة إلى المواد المجففة الصناعية مثل المستحضرات الصيدلانية والزجاج العازل والمبردات، يمكن أيضًا استخدام المناخل الجزيئية في صناعات مثل غاز تكسير البترول والأوليفينات ومصافي الغاز وتجفيف غاز حقول النفط.

إذا كنت ترغب في معرفة المزيد، يرجى متابعة موقع «جالون» الإلكتروني، حيث سنقوم بتحديث هذه التطبيقات.