ما الفرق بين المنخل الجزيئي 3A و4A و5A و13X؟

ما هو المنخل الجزيئي؟

المنخل الجزيئي هو عبارة عن زيوليت بلوري اصطناعي تُرتب فيه الذرات وفق نمط محدد. ويحتوي هذا الهيكل داخليًّا على العديد من التجاويف المترابطة عبر مسام أصغر حجمًا وموحدة الحجم. ولا تستطيع هذه المسام استقبال وتمرير الجزيئات إلى التجاويف إلا إذا كانت من نفس الحجم أو أصغر منه، ومن هنا جاءت تسميتها بالمنخل الجزيئي.

تختلف خصائص امتصاص بخار الماء اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بالسيليكا جيل. المناخل الجزيئية يمكنها امتصاص ما يصل إلى حوالي 20% من الماء من حيث الوزن قبل أن ترتفع الرطوبة النسبية للهواء المحيط بشكل ملحوظ. وأي زيادة إضافية تؤدي إلى ارتفاع كبير في الرطوبة النسبية.

تُمكّن هذه الخصائص المناخل الجزيئية من الحفاظ على نقطة ندى منخفضة جدًّا (-50 درجة مئوية لنوع 10% من حيث وزن الماء الممتص). كما تتمتع هذه المادة بالقدرة على امتصاص بخار الماء بسرعة، وهي قادرة على الحفاظ على كفاءة امتصاص عالية عند درجات حرارة تصل إلى 90 درجة مئوية

المنخل الجزيئي هو مركب غير عضوي من الألومينوسيليكات، وهو قادر على تحمل درجات الحرارة العالية ويتمتع باستقرار حراري جيد، مما يتيح سهولة إعادة التوليد وإمكانية إعادة استخدامه عدة مرات. ولا يتحلل الهيكل العظمي بفعل الكائنات الحية الدقيقة أو ما شابهها. المكونات الرئيسية للهيكل العظمي للمنخل الجزيئي هي رباعي الأوجه السيليكوني-الأكسجيني ورباعي الأوجه الألومنيومي-الأكسجيني. وبما أن تكافؤ الألومنيوم يساوي 3، فإن تكافؤ ذرة الأكسجين الواحدة في رباعي الأوجه الألومنيومي-الأكسجيني AlO₄ غير متوازن، مما يجعل رباعي الأوجه الألومنيومي-الأكسجيني بأكمله مشحونًا بشحنة سالبة. وللحفاظ على الحياد الكهربائي، يجب وجود أيونات معدنية موجبة الشحنة بالقرب من رباعي الأوجه لأكسيد الألومنيوم لتعويض شحنته السالبة. وينشأ مجال كهربائي قوي بين الأيونات المعدنية الموجبة الشحنة والهيكل السالب الشحنة للمنخل الجزيئي، مما يؤثر بشكل كبير على أداء الامتصاص للمنخل الجزيئي. وتكون قدرة الامتصاص للمنخلات الجزيئية للمواد القطبية أقوى بكثير من قدرتها على امتصاص المواد غير القطبية. وفي الوقت نفسه، وبسبب تأثير المجال الكهربائي القوي، فإن المواد التي تحتوي على روابط مزدوجة أو روابط π كبيرة تتمتع أيضًا بقدرة امتصاص كبيرة من خلال الاستقطاب المستحث. وبشكل عام، كلما زادت الشحنة التي يحملها الكاتيون، وقل نصف القطر الأيوني، وزاد قوة المجال الكهربائي المتولد، زاد تأثير الاستحثاث على الروابط المزدوجة، وزادت قدرة الامتصاص لهذه المواد.

تُستخدم المناخل الجزيئية كممتصات صلبة في الصناعة الكيميائية، ويمكن إزالة المواد الممتصة منها، كما يمكن إعادة تجديد المناخل الجزيئية بعد الاستخدام. وتُستخدم أيضًا في تجفيف وتنقية وفصل واستخلاص الغازات والسوائل. ومنذ ستينيات القرن العشرين، تُستخدم كمحفز للتكسير في صناعة تكرير النفط، وقد تم حتى الآن تطوير مجموعة متنوعة من محفزات المناخل الجزيئية المناسبة لمختلف العمليات التحفيزية. هناك نوعان من المناخل الجزيئية: الزيوليت الطبيعي والزيوليت الصناعي.① تتشكل معظم أنواع الزيوليت الطبيعي عن طريق تفاعل التوف البركاني والصخور الرسوبية التوفية في البيئات البحرية أو البحيرية. في الوقت الحالي، يوجد أكثر من 1000 نوع من خامات الزيوليت، من بينها 35 نوعًا أكثر أهمية، وأكثرها شيوعًا هي الكلينوبتيلوليت، والموردينيت، والإريونيت، والشابازيت. وتنتشر هذه الخامات بشكل رئيسي في الولايات المتحدة واليابان وفرنسا ودول أخرى، كما اكتشفت الصين أيضًا عددًا كبيرًا من رواسب الموردينيت والكلينوبتيلوليت، وتعد اليابان الدولة التي تمتلك أكبر كمية من تعدين الزيوليت الطبيعي.② ونظرًا لأن الزيوليت الطبيعي محدود من حيث الموارد، فقد تم استخدام عدد كبير من الزيوليتات الاصطناعية منذ خمسينيات القرن العشرين.

ما هو النوع الشائع من المنخل الجزيئي الزيوليت؟

تتوفر المناخل الجزيئية بأربعة أشكال عامة أساسية، وهي 3A و4A و5A و13X. ولكل شكل خصائصه وتطبيقاته المحددة، وتتميز جميعها بتفضيل قطبي لامتصاص الماء.

وفقًا لاختلاف حجم المسام، تُصنف المناخل الجزيئية إلى 3A و4A و5A و13X. وتُستخدم في الصناعات الكيميائية والإلكترونية والبتروكيماوية وصناعات الغاز الطبيعي، وغيرها.

الصيغة الكيميائية لـ 3A، 4A، 5A، 13X

3A: 2/3K₂O·Al₂O₃·SiO₂·4.5H₂O

4A: Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·4.5H₂O

5A: 3/4 CaO، 1/4 Na₂O، Al₂O₃·2SiO₂·4.5H₂O

13X: في₂O·Al₂O₃·2,45SiO₂·6.0 ساعة₂0

يرتبط عمل المنخل الجزيئي بحجم مسامه. ويبلغ حجم مسامها 0.3 نانومتر / 0.4 نانومتر / 0.5 نانومتر. ويمكن لهذه المسام امتصاص الجزيئات الأصغر منها، وكلما زاد حجمها، زادت سعة الامتصاص. وتحدد أحجام المسام المختلفة نوع الجزيئات التي يمكن امتصاصها. باختصار، لا يمكن للمنخل الجزيئي 3A امتصاص سوى الجزيئات التي يقل حجمها عن 0.3 نانومتر. ويتبع كل من المنخلين 4A و5A هذا المبدأ أيضًا. ويمكن للمنخل الجزيئي الواحد امتصاص رطوبة تصل إلى 22% من وزنه عند استخدامه كمجفف.

ما الفرق بين المناخل الجزيئية 3A و4A و5A و13X؟

3A من المناخل الجزيئية ميتميز بقدرته الكبيرة على امتصاص الماء، ويستخدم بشكل أساسي لتجفيف الغاز الناتج عن تكسير البترول، والأوليفينات، وغازات التكرير، وغازات حقول النفط، فضلاً عن استخدامه كمجفف في الصناعات الكيميائية والصيدلانية وصناعة الزجاج العازل وغيرها من الصناعات. ويستخدم بشكل أساسي لتجفيف السوائل (مثل الإيثانول)، وتجفيف الهواء المستخدم في صناعة الزجاج العازل، وتجفيف الغازات المختلطة من النيتروجين والهيدروجين، وتجفيف المبردات، وما إلى ذلك.

4A - المناخل الجزيئية تُستخدم بشكل أساسي لتجفيف الغاز الطبيعي ومختلف الغازات والسوائل الكيميائية، والمبردات، والمستحضرات الصيدلانية، والبيانات الإلكترونية، والمواد المتطايرة، وتنقية الأرجون، وفصل الميثان والإيثان والبروبان. وتُستخدم بشكل أساسي للتجفيف العميق للغازات والسوائل مثل الهواء، والغاز الطبيعي، والهيدروكربونات، والمبردات؛ وتحضير الأرجون وتنقيته؛ والتجفيف الساكن للمكونات الإلكترونية والمواد القابلة للتلف؛ وكعامل تجفيف في الدهانات، والبوليستر، والأصباغ، والطلاءات

5A من المناخل الجزيئية تُستخدم بشكل أساسي في تجفيف الغاز الطبيعي، وإزالة الكبريت، وإزالة ثاني أكسيد الكربون؛ وفصل النيتروجين عن الأكسجين لإنتاج الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين؛ وإزالة الشمع من النفط لفصل الهيدروكربونات العادية عن الهيدروكربونات المتفرعة والهيدروكربونات الحلقية. ومع ذلك، فإن المساحة السطحية النوعية الكبيرة والامتصاص القطبي للمنخل الجزيئي 5A القابل للتجديد يمكن أن يحققا امتصاصًا عميقًا للماء والأمونيا المتبقية. يدخل خليط النيتروجين والهيدروجين المتحلل إلى مجفف لإزالة الرطوبة المتبقية والشوائب الأخرى. يعتمد جهاز التنقية على أبراج امتصاص مزدوجة، حيث يمتص أحدهما غاز تحلل الأمونيا الجاف، بينما يقوم الآخر بإزالة الرطوبة والأمونيا المتبقية في حالة تسخين (بشكل عام عند 300-350) لتحقيق الغرض من إعادة التوليد

13X جزيءمع الزوجة، والمعروف أيضًا باسم المنخل الجزيئي من نوع الصوديوم X، هو ألومينوسيليكات فلز قلوي، يتمتع بدرجة قاعدية معينة وينتمي إلى فئة القواعد الصلبة. يبلغ طول 3.64A أقل من 10A لأي جزيء. ويُستخدم المنخل الجزيئي 13x بشكل أساسي في تنقية الغاز في وحدة فصل الهواء لإزالة الماء وثاني أكسيد الكربون، وكذلك في تجفيف وإزالة الكبريت من الغاز الطبيعي وغاز البترول المسال والهيدروكربونات السائلة. التجفيف العميق للغازات بشكل عام.

كيف يتم تصنيع 3A و5A من المنخل الجزيئي 4A؟

ويتم الحصول عليه عن طريق استبدال أيونات الصوديوم في بنية المنخل الجزيئي 4A (الشكل الصوديوم من الزيوليت من النوع A) بأيونات البوتاسيوم، بحيث ينخفض حجم المسام الفعال إلى 3 آنجستروم. يُستخدم المنخل الجزيئي 3A بشكل أساسي كمجفف في غاز تكسير النفط، والأوليفينات، وغاز المصافي، وغاز آبار النفط، والصناعة الكيميائية، والصيدلة، والزجاج العازل، وتجفيف السوائل (الكحول)، وتجفيف الغاز المختلط من النيتروجين والهيدروجين، والتجفيف بالمجففات، وتجفيف المبردات، وما إلى ذلك. يمكن للمنخل الجزيئي 3A امتصاص الرطوبة والجزيئات التي يقل حجمها عن 3 آنجستروم.

من هذا الشكل، يتم الحصول على منخلات جزيئية ذات أحجام مسام تبلغ 3Å و5Å، حيث يتم استبدال أيونات الصوديوم بأيونات البوتاسيوم والكالسيوم، على التوالي. يمكن للمنخل الجزيئي 4A امتصاص الرطوبة وNH₃، H₂S، SO₂، ثاني أكسيد الكربون، C₂H₅أوه، ج₂H₆، C₂H₄ وغيرها من الجزيئات التي تستخدم المنخل الجزيئي 4A. ويُستخدم المنخل الجزيئي 4A بشكل أساسي لتجفيف الغاز الطبيعي، ومعظم أنواع الغازات والسوائل، ومواد التبريد، والأدوية، والمعدات الرقمية، والمواد المتطايرة، كما أنه قادر على تنقية الأرجون وفصل الميثان والإيثان والبروبان. وتشمل التطبيقات الأخرى التجفيف العميق للهواء والهيدروكربونات، حيث يُستخدم كعامل تجفيف في الدهانات، والبوليستر، والأصباغ، والطلاءات.

ويتم الحصول عليه عن طريق استبدال أيونات الصوديوم في بنية المنخل الجزيئي 4A بأيونات الكالسيوم، بحيث يمكن زيادة الحجم الفعال للمسام إلى 5 آنجستروم. ويمكن للمنخل الجزيئي 5A امتصاص أي جزيئات أصغر من مسامه. وإلى جانب خصائص المنخلين الجزيئيين 3A و4A، يمكن للمنخل الجزيئي 5A أيضًا امتصاص الكربون₃-C₄ n-الألكان، كلوريد الإيثيل، بروميد الإيثيل، البوتانول، إلخ. ويمكن استخدامه في فصل الهيدروكربونات n-الإيزومرية، والامتصاص المتأرجح بالضغط، والامتصاص المشترك للماء وثاني أكسيد الكربون. وتتمثل التطبيقات الرئيسية للمنخل الجزيئي 5A في تجفيف الغاز الطبيعي، وامتصاص الكبريت وثاني أكسيد الكربون، وفصل النيتروجين والأكسجين، وإنتاج الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين. إلى جانب ذلك، يُعد إزالة الشمع من النفط، وفصل الهيدروكربونات العادية عن الهيدروكربونات المتفرعة والحلقيّة من التخصصات الأخرى للمنخل الجزيئي 5A. أما بالنسبة لتجديد المنخل الجزيئي 5A، فإن مساحته السطحية النوعية الكبيرة وقدرته الامتصاصية يمكن أن تسهم في الامتصاص العميق للماء والأمونيا. ثم تدخل الهيدروكربونات المتحللة إلى المجفف لإزالة الرطوبة المتبقية والشوائب الأخرى. تتكون معدات التنقية من برجي امتصاص. أحدهما مخصص لغاز تحلل الأمونيا الجاف، والآخر للرطوبة والأمونيا المتبقية في ظروف التجديد (عادةً ما تكون 300-350 درجة مئوية).

يُعرف المنخل الجزيئي 13X أيضًا باسم المنخل الجزيئي من النوع X. وهو الشكل الصوديوم للزيوليت X، الذي تتميز مسامه بأنها أكبر من تلك الموجودة في الزيوليت من النوع A (المنخل الجزيئي 4A). وهي عبارة عن ألومينوسيليكات فلزية قلوية، تتمتع بدرجة معينة من القلوية وتنتمي إلى فئة القلويات الصلبة. يبلغ حجم مسامها 10 آنجستروم، ويمكنها امتصاص جزيئات يتراوح حجمها بين 3.64 آنجستروم و10 آنجستروم. وتتمثل التطبيقات الرئيسية لـ 13X في تنقية الغاز عن طريق امتصاص الرطوبة وثاني أكسيد الكربون في وحدة فصل الهواء، وتجفيف وإزالة الكبريت من الغاز الطبيعي والغاز الطبيعي المسال والهيدروكربونات السائلة، والتجفيف العميق للغاز العادي. كما يمكن استخدامه كحامل للمحفز، والامتصاص المشترك للماء وثاني أكسيد الكربون، والامتصاص المشترك للماء والهيدروجين₂غاز S.

ومن الأنواع الأخرى الأقل شيوعًا للمنخل الجزيئي «المنخل الجزيئي 10X»، الذي يبلغ حجم مسامه 8A ويُستخدم لتجفيف الغازات والسوائل وإزالة الكبريت منها، وكذلك لفصل الهيدروكربونات العطرية. كما يمكننا العثور على منخلات جزيئية أكثر تخصصًا مصممة على أساس أنواع أخرى من الزيوليت. تتوفر المناخل الجزيئية بأشكال وأحجام جزيئات متنوعة، وأكثرها شيوعًا هي الكرات والحبيبات. تتمتع الكرات بعدة مزايا، مثل أن كثافة تحميلها أعلى من الحبيبات، لذا يمكننا تحميل كمية أكبر من المنتج في نفس الحجم، مما يطيل دورة حياة المادة الماصة. كما أنها، لعدم وجود حواف حادة بها، تكون أكثر مقاومة للتآكل، مما يؤدي إلى تقليل تكوين الجسيمات الدقيقة، وبالتالي تجنب زيادة انخفاض الضغط في الطبقة.