Кіріспе

Нанометрлік диапазондағы біртекті өлшемдегі тесіктері бар сүзгі материалы. Молекулалық сілем – тесіктері біркелкі өлшемдегі материал. Бұл тесік диаметрлері кішкентай молекулалардың мөлшерімен шамалас, сондықтан ірі молекулалар кіре алмай немесе жұтыла алмайды, ал кішкентай молекулалар олай етеді. Молекулалардың қоспасы сілем (немесе матрица) деп аталатын, кеуекті, жартылай қатты заттың тұрақты қабаты арқылы жылжығанда, ең жоғары молекулалық салмағы бар компоненттер (молекулалық тесіктерге өте алмайтын) қабаттан бірінші болып шығып кетеді, одан кейін одан кішкентай молекулалар тікелей шығады. Кейбір молекулалық сілемдер мөлшері бойынша бөліп шығару хроматографиясында қолданылады, яғни молекулаларды олардың мөлшеріне қарай саралайтын ажырату техникасында. Тағы бір маңызды қолданысы – кептіргіш ретінде пайдалану. Молекулалық сілемдердің көпшілігі Si/Al молярлық қатынасы 2-ден кем алюминосиликатты цеолиттер, бірақ белсендірілген көмір және кремний гелінің де мысалдары бар. Молекулалық сілемнің тесік диаметрі ангстремдерде (Å) немесе нанометрлерде (nm) өлшенеді. IUPAC номенклатурасына сәйкес, микрокеуекті материалдардың тесік диаметрі 2 нм (20 Å)-ден кішіді, ал макрокеуекті материалдардың тесік диаметрі 50 нм (500 Å)-ден үлкен; мезокеуекті категория, демек, 2 мен 50 нм (20–500 Å) аралығындағы тесік диаметрімен ортада орналасқан.

Материалдар

Молекулалық сілемдер микропорозды, мезопорозды немесе макропорозды материалдар болып табылуы мүмкін.

Мезопоралық материал (250 нм)

Кремний диоксиді (силикий гелін жасау үшін): 24 Å (2,4 нм)

Қолданбалар

Молекулалық сілемдер көбінесе мұнай өнеркәсібінде, әсіресе газ ағындарын кептіру үшін қолданылады. Мысалы, сұйық табиғи газ (СТГ) өндірісінде газдың су мөлшерін мұз немесе метан клатратының түзілуінен туындайтын бітелудің алдын алу үшін 1 ppmv-дан төменге дейін төмендету қажет. Зертханада молекулалық сілемдер еріткіштерді кептіру үшін қолданылады. "Сілемдер" дәстүрлі кептіру әдістерінен артық екені дәлелденді, себебі олар көбінесе күшті құрғатушы заттарды қолданады. Зеолиттер деп аталатын молекулалық сілемдер кең ауқымды катализдік қолданымдарда қолданылады. Олар изомерлендіру, алкилдеу және эпоксидтеу процестерін катализдейді, сондай-ақ гидрокрекинг және сұйық катализдік крекинг сияқты ірі өнеркәсіптік процестерде пайдаланылады. Олар тыныс алу аппаратына берілетін ауаның сүзгіленуіне де қолданылады, мысалы, су астында жүзушілер мен өрт сөндірушілер пайдаланатын аппараттарда. Мұндай жағдайларда ауа компрессормен беріледі және молекулалық сілеммен және/немесе белсенді көмірмен толтырылған картридждік сүзгі арқылы өтеді, содан кейін тыныс алуға арналған ауа баллондарын толтыру үшін қолданылады. Мұндай сүзгілеу тыныс алу ауасынан бөлшектерді және компрессордың шығарындыларын жоюға мүмкіндік береді.

FDA-ның мақұлдауы

АҚШ FDA 2012 жылдың 1 сәуірінен бастап 21 CFR 182.2727 сәйкес, тұтынуға арналған заттармен тікелей байланысқа натрий алюминосиликатын мақұлдады. Бұл мақұлдауға дейін Еуропалық Одақ дәрі-дәрмектерде молекулалық ілгектерді қолданды, ал тәуелсіз сынақтар молекулалық ілгектердің барлық мемлекеттік талаптарға сай екенін көрсетті, бірақ индустрия үкіметтік мақұлдау үшін қажетті қымбат сынақтарды қаржыландыруға құлықсыз болды.

Қайта жаңғыру

Молекулалық сырғаларды қалпына келтіру әдістеріне қысымды өзгерту (мысалы, оттегі концентраторларында), тасымалдаушы газбен қыздыру және тазарту (этанолды құрғату кезінде қолданылғанда) немесе жоғары вакуумда қыздыру кіреді. Регенерация температурасы молекулалық сырғаның түріне байланысты өзгереді. Ал кремний гелін әдеттегі пеште екі сағат бойы қыздыру арқылы қалпына келтіруге болады. Дегенмен, кейбір кремний гель түрлері жеткілікті мөлшерде суға ұшырағанда "жарылуы" мүмкін. Бұл сумен жанасқанда кремний шарларының бұзылуынан туындайды.

Өндіріс

4А сырғанының өндірісі салыстырмалы түрде оңай, себебі ол жоғары қысымды да, ерекше жоғары температураны да талап етпейді. Әдетте 80°C температурада натрий силикаты мен натрий алюминатының сулы ерітінділері біріктіріледі. Еріткішпен сіңген өнім 400°C температурада "қыздыру" арқылы "белсендіріледі". 4А сырғаны натрийді калийге (3А үшін) немесе кальцийге (5А үшін) катион алмастыру арқылы 3А және 5А сырғанының алдындағы түрі болып табылады.

Құрғату еріткіштері

4А молекулалық сілемдер зертханалық еріткіштерді кептіру үшін кеңінен қолданылады. Олар суды және 4 Å-ден кіші критикалық диаметрі бар NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6 және C2H4 сияқты басқа молекулаларды сіңіре алады. Олар сұйықтар мен газдарды кептіру, тазарту және күйін жетілдіру (мысалы, аргон дайындау) үшін кеңінен қолданылады.

Полиэстерлік агенттер қоспалары

Бұл молекулалық сілемдер жуғыш заттарға көмекші ретінде қолданылады, себебі олар кальций иондарын алмастыру арқылы деминералдалған суды өндіреді, кірді кетіреді және оның тұнуына жол бермейді. Олар фосфорды кеңінен алмастыру үшін пайдаланылады. 4А молекулалық сілем жуғыш заттың қоршаған ортаға тигізетін зиянын азайту мақсатында натрий триполифосфатын жуғыш заттың қосымша құралы ретінде алмастыруда маңызды рөл атқарады. Сонымен қатар, оны сабын жасаушы зат ретінде және тіс пастасында қолдануға болады.

Зиянды қалдықтарды өңдеу

4А молекулалық сілемдер амуний иондары, Pb2+, Cu2+, Zn2+ және Cd2+ сияқты катиондық түрлерді қамтитын канализациялық суларды тазарта алады. NH4+ үшін жоғары селективтілігінің арқасында олар су жолдарындағы амуний иондарының шамадан тыс көбеюінен туындайтын эвтрофикация және басқа да зиянды әсерлермен күресуде сәтті қолданылған. 4А молекулалық сілемдер сондай-ақ өнеркәсіптік қызмет нәтижесінде суда кездесетін ауыр металл иондарын жою үшін де пайдаланылған.

Қолданылуы

Бес ангстрем (5Å) молекулалық сілемдер мұнай өнеркәсібінде, әсіресе газ ағындарын тазарту және химиялық зертханада қосылыстарды бөлу, реакцияға қатысты бастапқы материалдарды кептіру үшін жиі қолданылады. Олардың құрамында нақты және біркелкі өлшемдегі кішкентай тесіктер болады және олар негізінен газдар мен сұйықтықтарды адсорбциялауға пайдаланылады. Бес ангстрем молекулалық сілемдер табиғи газды кептіру үшін, сондай-ақ газды күкірттен және көміртектен тазарту үшін қолданылады. Оларды оттегі, азот және сутек қоспаларын, сондай-ақ майлы парафиндік және полициклдік көмірсутектерден тармақталған көмірсутектерді бөлу үшін де пайдалануға болады. Бес ангстрем молекулалық сілемдерді картон барабандарда немесе картон қаптамаларда бөлме температурасында, салыстырмалы ылғалдылығы 90%-дан төмен сақтау керек. Молекулалық сілемдерді ауа мен суға тікелей ұшыратудан сақтану керек, қышқылдар мен сілтілерден аулақ болу қажет.

Молекулалық сырғалардың морфологиясы

Молекулалық сілемдер әртүрлі пішін мен өлшемдерде қолжетімді. Бірақ, шар тәрізді бұрандалардың басқа пішіндерге қарағанда артықшылығы бар, себебі олар төмен қысым төмендетуді қамтамасыз етеді, өткір жиектері болмағандықтан тозуға төзімді және жақсы механикалық беріктікке ие, яғни бірлік ауданына қажетті күш жоғары. Кейбір шар тәрізді молекулалық сілемдер төмен жылу сыйымдылығына ие, демек регенерация кезінде энергия шығыны аз. Шар тәрізді молекулалық сілемдерді пайдаланудың тағы бір артықшылығы – олардың көлемдік тығыздығы әдетте басқа пішіндерге қарағанда жоғары, сондықтан бірдей адсорбция қажеттілігі үшін молекулалық сілемнің көлемі кішірек болады. Осылайша, жүйедегі шектеулерді жою қажет болғанда, шар тәрізді молекулалық сілемдерді қолдануға болады, бірдей көлемде көбірек адсорбентті жүктеуге және аппаратты өзгерту қажеттілігінен аулақ болуға болады.