ความแตกต่างระหว่างโมเลกุลซีฟ 3a 4a 5a และ 13x คืออะไร

โมเลกุลซีฟคืออะไร?

โมเลกุลซีฟ (Molecular Sieves) คือ ซีโอไลต์ผลึกสังเคราะห์ที่มีอะตอมจัดเรียงตามรูปแบบที่แน่นอน ภายในโครงสร้างมีช่องว่างจำนวนมากที่เชื่อมต่อกันด้วยรูขนาดเล็กที่มีขนาดเท่ากัน รูเหล่านี้สามารถรับและส่งผ่านโมเลกุลที่มีขนาดเท่ากันหรือเล็กกว่าไปยังช่องว่างได้เท่านั้น จึงมีชื่อว่า โมเลกุลซีฟ

คุณสมบัติการดูดซับไอน้ำนั้นแตกต่างอย่างมากจากคุณสมบัติของซิลิกาเจล ตัวกรองโมเลกุล สามารถดูดซับน้ำได้สูงสุดประมาณ 20% ตามน้ำหนัก ก่อนที่ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศรอบข้างจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ การเพิ่มขึ้นเพิ่มเติมใด ๆ จะทำให้ความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มขึ้นอย่างมาก

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้โมเลกุลซีฟสามารถรักษาจุดน้ำค้างให้อยู่ในระดับที่ต่ำมาก (-50°C สำหรับ 10% ตามน้ำหนักน้ำที่ถูกดูดซับ) นอกจากนี้ วัสดุนี้ยังมีความสามารถในการดูดซับไอน้ำได้อย่างรวดเร็ว และสามารถรักษาประสิทธิภาพการดูดซับไว้ได้สูงแม้ในอุณหภูมิสูงถึง 90°C

โมเลกุลซีฟเป็นสารประกอบอนินทรีย์ประเภทอลูมิโนซิลิเกต ซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงและมีความเสถียรทางความร้อนที่ดี ทำให้การฟื้นฟูเป็นไปอย่างสะดวก และสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้หลายครั้ง โครงสร้างหลักไม่ถูกสลายโดยจุลินทรีย์หรือสิ่งอื่นใด ส่วนประกอบหลักของโครงร่างโมเลกุลซีฟคือเตตระฮีดรอนซิลิคอน-ออกซิเจนและเตตระฮีดรอนอลูมิเนียม-ออกซิเจน เนื่องจากค่าวาเลนซ์ของอลูมิเนียมคือ 3 ค่าวาเลนซ์ของอะตอมออกซิเจนหนึ่งตัวในเตตระฮีดรอนอลูมิเนียม-ออกซิเจน AlO₄ จึงไม่สมดุล ทำให้เตตระฮีดรอนอลูมิเนียม-ออกซิเจนทั้งหมดมีประจุลบ เพื่อรักษาความเป็นกลางทางไฟฟ้า ต้องมีไอออนโลหะที่มีประจุบวกอยู่ใกล้กับเตตระฮีดรอนออกไซด์ของอะลูมิเนียม เพื่อชดเชยประจุลบของมัน จึงเกิดสนามไฟฟ้าที่แรงขึ้นระหว่างไอออนโลหะที่มีประจุบวกกับโครงร่างของโมเลกุลซีฟที่มีประจุลบ ซึ่งมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการดูดซับของโมเลกุลซีฟ ความสามารถในการดูดซับของโมเลกุลซีฟต่อสารที่มีขั้วจะสูงกว่าสารที่ไม่มีขั้วอย่างมาก ในขณะเดียวกัน เนื่องจากผลกระทบของสนามไฟฟ้าที่แรง สำหรับสารที่มีพันธะคู่หรือพันธะ π ขนาดใหญ่ ก็มีความสามารถในการดูดซับที่ค่อนข้างสูงผ่านปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำขั้ว โดยทั่วไป ยิ่งแคทไอออนมีประจุมาก รัศมีไอออนยิ่งเล็ก สนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นยิ่งแรง ผลกระทบการเหนี่ยวนำต่อพันธะคู่ยิ่งมาก และความสามารถในการดูดซับสำหรับสารดังกล่าวก็ยิ่งสูงขึ้น

โมเลกุลซีฟถูกใช้เป็นตัวดูดซับแบบแข็งในอุตสาหกรรมเคมี โดยสารที่ถูกดูดซับสามารถถูกปล่อยออกได้ และโมเลกุลซีฟสามารถถูกฟื้นฟูสภาพได้หลังการใช้งาน นอกจากนี้ยังถูกใช้สำหรับการทำให้แห้ง การทำให้บริสุทธิ์ การแยก และการกู้คืนก๊าซและของเหลว ตั้งแต่ทศวรรษ 1960 โมเลกุลซีฟได้ถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการแตกตัวในอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมัน และปัจจุบันได้มีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาโมเลกุลซีฟหลากหลายชนิดที่เหมาะสมกับกระบวนการเร่งปฏิกิริยาต่าง ๆ มีตัวกรองโมเลกุลสองประเภท ได้แก่ ซีโอไลต์ธรรมชาติและซีโอไลต์สังเคราะห์ ① ซีโอไลต์ธรรมชาติส่วนใหญ่เกิดจากการทำปฏิกิริยาของหินทัฟฟ์ภูเขาไฟและหินตะกอนที่มีลักษณะคล้ายทัฟฟ์ในสภาพแวดล้อมทางทะเลหรือทะเลสาบ ปัจจุบันมีแร่ซีโอไลต์มากกว่า 1,000 ชนิด โดย 35 ชนิดมีความสำคัญมากกว่าชนิดอื่น ๆ ซึ่งชนิดที่พบได้บ่อย ได้แก่ คลินอปติโลไลต์ มอร์เดไนต์ เอริโอนิต และชาบาไซต์ กระจายตัวอยู่หลักๆ ในสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น ฝรั่งเศส และประเทศอื่นๆ ส่วนจีนก็พบแหล่งสะสมมอร์เดไนต์และคลินอปติโลไลต์ในปริมาณมากเช่นกัน ญี่ปุ่นเป็นประเทศที่มีการขุดเจาะซีโอไลต์ธรรมชาติมากที่สุด② เนื่องจากซีโอไลต์ธรรมชาติมีทรัพยากรจำกัด จึงมีการใช้ซีโอไลต์สังเคราะห์ในปริมาณมากตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา

ประเภทที่นิยมใช้ของตัวกรองโมเลกุลซีโอไลต์คืออะไร

ตัวกรองโมเลกุลมีอยู่สี่รูปแบบหลัก ได้แก่ 3A, 4A, 5A และ 13X แต่ละรูปแบบมีคุณสมบัติและการใช้งานเฉพาะตัว แต่ทั้งหมดล้วนมีความชอบแบบขั้วในการดูดซับน้ำ

ตามขนาดรูพรุนที่แตกต่างกัน โมเลกุลซีฟถูกแบ่งออกเป็นประเภท 3A, 4A, 5A และ 13X ซึ่งถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเคมี อิเล็กทรอนิกส์ ปิโตรเคมี ก๊าซธรรมชาติ และอุตสาหกรรมอื่นๆ

สูตรเคมีของ 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: เปิด₂O·Al₂O₃·2.45SiO₂·6.0H₂0

การทำงานของโมเลกุลซีฟเกี่ยวข้องกับขนาดรูของมัน ขนาดรูของโมเลกุลซีฟมี 0.3 นาโนเมตร / 0.4 นาโนเมตร / 0.5 นาโนเมตร รูเหล่านี้สามารถดูดซับโมเลกุลที่มีขนาดเล็กกว่ารูได้ และยิ่งรูมีขนาดใหญ่ขึ้น ก็ยิ่งมีความสามารถในการดูดซับสูงขึ้น และขนาดรูพรุนที่แตกต่างกันนี้คือปัจจัยที่กำหนดว่าโมเลกุลชนิดใดสามารถถูกดูดซับได้ โดยสรุป โมเลกุลที่มีขนาดต่ำกว่า 0.3 นาโนเมตรเท่านั้นที่สามารถถูกดูดซับโดยโมเลกุลซีฟ 3A ได้ ส่วน 4A และ 5A ก็ทำงานตามหลักการนี้เช่นกัน โมเลกุลซีฟตัวเดียวสามารถดูดซับความชื้นได้สูงสุดถึง 22% ของน้ำหนักตัวมันเอง เมื่อถูกใช้เป็นสารดูดความชื้น

ความแตกต่างระหว่างโมเลกุลซีฟ 3a 4a 5a 13x คืออะไร

3A โมเลกุลซีฟ mดูดซับน้ำเป็นหลัก และใช้หลักในการทำให้แห้งก๊าซจากกระบวนการแตกตัวของน้ำมันปิโตรเลียม โอลีฟิน ก๊าซจากโรงกลั่น และก๊าซจากสนามน้ำมัน รวมถึงเป็นสารดูดความชื้นในอุตสาหกรรมเคมี เภสัชกรรม แก้วฉนวน และอุตสาหกรรมอื่น ๆ ใช้หลักในการทำให้แห้งของเหลว (เช่น เอทานอล) การทำให้แห้งด้วยอากาศของแก้วฉนวน การทำให้แห้งก๊าซผสมไนโตรเจนและไฮโดรเจน การทำให้แห้งสารทำความเย็น เป็นต้น

4A โมเลกุลไซฟ์ ใช้หลักๆ สำหรับการทำให้แห้งก๊าซธรรมชาติ ก๊าซและของเหลวทางเคมีต่างๆ สารทำความเย็น ยา ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ และสารที่ระเหยง่าย การทำให้บริสุทธิ์อาร์กอน และการแยกเมทาน เอทาน และโพรเพน ใช้หลักๆ สำหรับการทำให้แห้งอย่างลึกของก๊าซและของเหลว เช่น อากาศ ก๊าซธรรมชาติ ไฮโดรคาร์บอน สารทำความเย็น; การเตรียมและทำให้บริสุทธิ์อาร์กอน; การทำให้แห้งแบบสถิตของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และวัสดุที่เสื่อมสภาพได้ง่าย; สารดูดความชื้นในสี โพลีเอสเตอร์ สีย้อม และสารเคลือบ

5A โมเลกุลซีฟ ใช้หลักๆ สำหรับการทำให้ก๊าซธรรมชาติแห้ง การกำจัดกำมะถัน และการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์; การแยกไนโตรเจนและออกซิเจนเพื่อผลิตออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน; การกำจัดแว็กซ์จากน้ำมันดิบเพื่อแยกไฮโดรคาร์บอนสายตรงออกจากไฮโดรคาร์บอนสายกิ่งและไฮโดรคาร์บอนวงแหวน อย่างไรก็ตาม พื้นผิวจำเพาะที่กว้างและการดูดซับแบบขั้วของโมเลกุลซีฟ 5A ที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ สามารถดูดซับน้ำและแอมโมเนียที่เหลืออยู่ได้อย่างลึกซึ้ง ส่วนผสมของไนโตรเจนและไฮโดรเจนที่ผ่านการสลายตัวจะเข้าสู่เครื่องอบแห้งเพื่อกำจัดความชื้นที่เหลืออยู่และสิ่งเจือปนอื่น ๆ อุปกรณ์การทำให้บริสุทธิ์นี้ใช้หอดูดซับคู่ โดยหอหนึ่งดูดซับก๊าซสลายตัวของแอมโมเนียแห้ง ส่วนอีกหอหนึ่งจะปล่อยความชื้นและแอมโมเนียที่เหลืออยู่ในสภาพที่ถูกให้ความร้อน (โดยทั่วไปที่อุณหภูมิ 300-350) เพื่อบรรลุวัตถุประสงค์ในการฟื้นฟู

โมเลกุล 13Xด้วยตะแกรง, หรือที่รู้จักกันในชื่อ โมเลกุลซีฟประเภทโซเดียม X เป็นอลูมิโนซิลิเกตของโลหะอัลคาไล ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นเบสในระดับหนึ่ง และจัดอยู่ในกลุ่มของเบสแบบแข็ง โมเลกุลซีฟ 3.64A มีขนาดรูเล็กกว่า 10A สำหรับโมเลกุลใดๆ โมเลกุลซีฟ 13x ใช้หลักในการทำให้ก๊าซบริสุทธิ์ในหน่วยแยกอากาศ เพื่อกำจัดน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ รวมถึงการทำให้แห้งและการกำจัดกำมะถันจากก๊าซธรรมชาติ ก๊าซปิโตรเลียมเหลว และไฮโดรคาร์บอนเหลว การทำให้แห้งลึกของก๊าซทั่วไป

3A และ 5A ถูกผลิตขึ้นจาก Molecular Sieve 4A อย่างไร?

ได้มาจากการแทนที่ไอออนโซเดียมในโครงสร้างโมเลกุลซีฟ 4A (ซีโอไลต์ประเภท A ในรูปแบบโซเดียม) ด้วยไอออนโพแทสเซียม ทำให้ขนาดรูพรุนที่มีประสิทธิภาพลดลงเหลือ 3Å ตัวกรองโมเลกุล 3A ใช้เป็นหลักเป็นสารดูดความชื้นในก๊าซจากกระบวนการแตกน้ำมัน (oil cracking gas), โอเลฟิน (olefins), ก๊าซจากโรงกลั่น (refinery gas), ก๊าซจากบ่อน้ำมัน (oil well gas), อุตสาหกรรมเคมี, อุตสาหกรรมยา, แก้วฉนวน, การทำให้แห้งของของเหลว (แอลกอฮอล์), แก้วฉนวน, การทำให้แห้งของก๊าซผสมไนโตรเจนและไฮโดรเจน, การทำให้แห้งด้วยสารดูดความชื้น, การทำให้แห้งของสารทำความเย็น เป็นต้น ความชื้นและโมเลกุลที่มีขนาดต่ำกว่า 3Å สามารถถูกดูดซับโดยตัวกรองโมเลกุล 3A ได้

จากรูปแบบนี้ ได้ตัวกรองโมเลกุลที่มีขนาดรู 3Å และ 5Å โดยการแทนที่ไอออนโซเดียมด้วยไอออนโพแทสเซียมและไอออนแคลเซียมตามลำดับ ตัวกรองโมเลกุล 4A สามารถดูดซับความชื้นและ NH ได้₃, H₂S, SO₂, ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์, C₂H₅โอ้, ซี₂H₆, C₂H₄ และโมเลกุลอื่น ๆ ที่ผ่านตัวกรองโมเลกุล 4A ตัวกรองโมเลกุล 4A ใช้หลักในการทำให้แห้งก๊าซธรรมชาติ ก๊าซและของเหลวส่วนใหญ่ สารทำความเย็น ยา อุปกรณ์ดิจิทัล และสารที่ระเหยง่าย นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อทำให้อาร์กอนบริสุทธิ์ และแยกเมทาน เอทาน และโพรเพนได้อีกด้วย การใช้งานอื่น ๆ ยังรวมถึงการทำให้อากาศและไฮโดรคาร์บอนแห้งอย่างลึก รวมถึงการใช้เป็นตัวดูดความชื้นในสี โพลีเอสเตอร์ สีย้อม และสารเคลือบ

สารนี้ผลิตได้โดยการแทนที่ไอออนโซเดียมในโครงสร้างของตัวกรองโมเลกุล 4A ด้วยไอออนแคลเซียม ทำให้ขนาดรูที่มีประสิทธิภาพสามารถเพิ่มขึ้นเป็น 5Å ตัวกรองโมเลกุล 5A สามารถดูดซับโมเลกุลใดก็ตามที่มีขนาดเล็กกว่ารูของมัน นอกจากคุณสมบัติของ 3A และ 4A แล้ว 5A ยังสามารถดูดซับ C ได้อีกด้วย₃-C₄ n-อัลคาน, เอทิลคลอไรด์, เอทิลบรอมิด, บูทานอล, เป็นต้น และสามารถใช้ในการแยกไฮโดรคาร์บอนไอโซเมอร์ n, การดูดซับแบบความดันสวิง (PSA), และการดูดซับร่วมของน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ การใช้งานหลักของโมเลกุลซีฟ 5A ได้แก่ การทำให้ก๊าซธรรมชาติแห้ง, การดูดซับกำมะถันและ CO2, การแยกไนโตรเจนและออกซิเจน, รวมถึงการผลิตออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน นอกจากนี้ การกำจัดขี้ผึ้งจากน้ำมันดิบ และการแยกไฮโดรคาร์บอนแบบปกติออกจากไฮโดรคาร์บอนแบบกิ่งและแบบวงแหวน ก็เป็นสองจุดเด่นของ 5A เช่นกัน ส่วนการฟื้นฟู 5A พื้นที่ผิวจำเพาะและความสามารถในการดูดซับที่สูงของมันสามารถช่วยในการดูดซับน้ำและแอมโมเนียอย่างลึกซึ้งได้ ไฮโดรคาร์บอนที่ถูกสลายตัวจะเข้าสู่เครื่องอบแห้งเพื่อกำจัดความชื้นที่เหลืออยู่และสิ่งเจือปนอื่น ๆ อุปกรณ์การทำให้บริสุทธิ์ประกอบด้วยหอดูดซับสองหอ หอหนึ่งใช้สำหรับก๊าซที่สลายตัวจากแอมโมเนียแห้ง และหออีกหอใช้สำหรับความชื้นและแอมโมเนียที่เหลืออยู่ภายใต้สภาวะการฟื้นฟู (ปกติ 300-350℃)

โมเลกุลซีฟ 13X ยังถูกเรียกว่าโมเลกุลซีฟประเภท X เป็นรูปแบบโซเดียมของซีโอไลต์ X ซึ่งมีรูพรุนที่ใหญ่กว่ารูพรุนของซีโอไลต์ประเภท A (โมเลกุลซีฟ 4A) มันเป็นอลูมิโนซิลิเกตของโลหะอัลคาลี ซึ่งมีค่าความเป็นด่างในระดับหนึ่ง และจัดอยู่ในกลุ่มของสารอัลคาลีแบบแข็ง ขนาดรูพรุนของมันคือ 10Å และสามารถดูดซับโมเลกุลที่มีขนาดระหว่าง 3.64Å ถึง 10Å ได้ การใช้งานหลักของ 13X ได้แก่ การทำความสะอาดก๊าซโดยการดูดซับความชื้นและคาร์บอนไดออกไซด์ในหน่วยแยกอากาศ การทำให้แห้งและการกำจัดกำมะถันสำหรับก๊าซธรรมชาติ LNG และไฮโดรคาร์บอนเหลว รวมถึงการทำให้แห้งอย่างลึกของก๊าซปกติ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นสารพาหะของตัวเร่งปฏิกิริยา การดูดซับร่วมของน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ และการดูดซับร่วมของน้ำและ H₂ก๊าซ S.

ประเภทของโมเลกุลซีฟอื่น ๆ ที่ไม่เป็นที่นิยมมากนัก ได้แก่ โมเลกุลซีฟ 10X ซึ่งมีขนาดรู 8A และใช้สำหรับการทำให้แห้งและการกำจัดกำมะถันของก๊าซและของเหลว รวมถึงการแยกไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก นอกจากนี้ เรายังสามารถพบโมเลกุลซีฟที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับซีโอไลต์ชนิดอื่น ๆ ได้อีกด้วย โมเลกุลซีฟมีให้เลือกในรูปทรงและขนาดอนุภาคที่หลากหลาย โดยรูปทรงที่พบมากที่สุดคือทรงกลมและเม็ด ทรงกลมมีข้อดีหลายประการ เช่น ความหนาแน่นในการบรรจุสูงกว่าเม็ด ดังนั้นในปริมาตรเดียวกันจึงสามารถบรรจุผลิตภัณฑ์ได้มากขึ้น ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของสารดูดซับ นอกจากนี้ เนื่องจากไม่มีขอบคม จึงทนต่อการสึกหรอได้ดีกว่า ส่งผลให้เกิดอนุภาคขนาดเล็กน้อยลง และช่วยป้องกันการเพิ่มขึ้นของความดันตกในชั้นสารดูดซับ