Penapis molekul ialah bahan dengan liang (lubang yang sangat kecil) bersaiz seragam

Penapis molekul ialah bahan dengan liang (lubang yang sangat kecil) yang bersaiz seragam. Diameter liang ini serupa saiznya dengan molekul kecil, dan oleh itu molekul besar tidak boleh masuk atau diserap, manakala molekul yang lebih kecil boleh. Apabila campuran molekul berhijrah melalui lapisan pegun bahan separa pepejal berliang yang dirujuk sebagai penapis (atau matriks), komponen dengan berat molekul tertinggi (yang tidak dapat masuk ke dalam liang molekul) meninggalkan lapisan terlebih dahulu, diikuti oleh molekul yang lebih kecil secara berturut-turut. Sesetengah penapis molekul digunakan dalam kromatografi pengecualian saiz, teknik pemisahan yang mengasingkan molekul berdasarkan saiznya. Penapis molekul lain digunakan sebagai bahan pengering (beberapa contoh termasuk arang teraktif dan gel silika).
Diameter liang penapis molekul diukur dalam ångströms (Å) atau nanometer (nm). Menurut notasi IUPAC, bahan mikroporous mempunyai diameter liang kurang daripada 2 nm (20 Å) dan bahan makroporous mempunyai diameter liang lebih besar daripada 50 nm (500 Å); kategori mesoporous terletak di tengah dengan diameter liang antara 2 dan 50 nm (20–500 Å).
Bahan
Penapis molekul boleh terdiri daripada bahan mikroporous, mesoporous atau makroporous.
Bahan mikropori (
●Zeolit ​​(mineral aluminosilikat, jangan dikelirukan dengan aluminium silikat)
●Zeolit ​​LTA: 3–4 Å
●Kaca berliang: 10 Å (1 nm), dan ke atas
●Karbon aktif: 0–20 Å (0–2 nm), dan ke atas
●Tanah liat
●Campuran Montmorilonit
●Haloysite (endellit): Dua bentuk biasa ditemui, apabila terhidrat, tanah liat mempamerkan jarak lapisan 1 nm dan apabila dehidrasi (meta-haloysite) jaraknya ialah 0.7 nm. Halloysite secara semula jadi terdapat sebagai silinder kecil yang berdiameter purata 30 nm dengan panjang antara 0.5 dan 10 mikrometer.
Bahan mesoporous (2–50 nm)
Silikon dioksida (digunakan untuk membuat gel silika): 24 Å (2.4 nm)
Bahan makropori (>50 nm)
Silika makroporous, 200–1000 Å (20–100 nm)
Aplikasi[sunting]
Penapis molekul sering digunakan dalam industri petroleum, terutamanya untuk mengeringkan aliran gas. Contohnya, dalam industri gas asli cecair (LNG), kandungan air gas perlu dikurangkan kepada kurang daripada 1 ppmv untuk mengelakkan penyumbatan yang disebabkan oleh ais atau metana klatrat.
Di makmal, penapis molekul digunakan untuk mengeringkan pelarut. "Penapis" telah terbukti lebih baik daripada teknik pengeringan tradisional, yang sering menggunakan bahan pengering yang agresif.
Di bawah istilah zeolit, penapis molekul digunakan untuk pelbagai aplikasi pemangkin. Ia memangkinkan isomerisasi, alkilasi dan epoksidasi, dan digunakan dalam proses perindustrian berskala besar, termasuk hidrorekahan dan keretakan pemangkin bendalir.
Ia juga digunakan dalam penapisan bekalan udara untuk alat pernafasan, contohnya yang digunakan oleh penyelam skuba dan ahli bomba. Dalam aplikasi sedemikian, udara dibekalkan oleh pemampat udara dan dialirkan melalui penapis kartrij yang, bergantung pada aplikasi, diisi dengan penapis molekul dan/atau karbon diaktifkan, akhirnya digunakan untuk mengecas tangki udara pernafasan. Penapisan sedemikian boleh menyingkirkan zarah dan produk ekzos pemampat daripada bekalan udara pernafasan.
Kelulusan FDA.
FDA AS sehingga 1 April 2012 telah meluluskan natrium aluminosilikat untuk sentuhan langsung dengan barang habis pakai di bawah 21 CFR 182.2727. Sebelum kelulusan ini, Kesatuan Eropah telah menggunakan penapis molekul dengan farmaseutikal dan ujian bebas mencadangkan bahawa penapis molekul memenuhi semua keperluan kerajaan tetapi industri tersebut tidak bersedia untuk membiayai ujian mahal yang diperlukan untuk kelulusan kerajaan.
Regenerasi
Kaedah untuk penjanaan semula penapis molekul termasuk perubahan tekanan (seperti dalam penumpu oksigen), pemanasan dan penyingkiran dengan gas pembawa (seperti apabila digunakan dalam dehidrasi etanol), atau pemanasan di bawah vakum tinggi. Suhu penjanaan semula adalah antara 175 °C (350 °F) hingga 315 °C (600 °F) bergantung pada jenis penapis molekul. Sebaliknya, gel silika boleh dijana semula dengan memanaskannya dalam ketuhar biasa hingga 120 °C (250 °F) selama dua jam. Walau bagaimanapun, beberapa jenis gel silika akan "meletup" apabila terdedah kepada air yang mencukupi. Ini disebabkan oleh pecahnya sfera silika apabila bersentuhan dengan air.

Model	Diameter liang (Ångström)	Ketumpatan pukal (g/ml)	Air yang terserap (% b/b)	Geseran atau lelasan, W(% b/b)	Penggunaan
3Å	3	0.60–0.68	19–20	0.3–0.6	Pengeringandaripadakeretakan petroleumgas dan alkena, penjerapan terpilih H2O dalamkaca bertebat (IG)dan poliuretana, pengeringanbahan api etanoluntuk dicampurkan dengan petrol.
4Å	4	0.60–0.65	20–21	0.3–0.6	Penjerapan air dalamnatrium aluminosilikatyang diluluskan oleh FDA (lihatdi bawah) digunakan sebagai penapis molekul dalam bekas perubatan untuk memastikan kandungannya kering dan sebagaibahan tambahan makananmempunyaiNombor-eE-554 (agen anti-penggumpalan); Diutamakan untuk dehidrasi statik dalam sistem cecair atau gas tertutup, contohnya, dalam pembungkusan ubat-ubatan, komponen elektrik dan bahan kimia mudah rosak; penyingkiran air dalam sistem percetakan dan plastik dan pengeringan aliran hidrokarbon tepu. Spesies yang terserap termasuk SO2, CO2, H2S, C2H4, C2H6 dan C3H6. Secara amnya dianggap sebagai agen pengering universal dalam media kutub dan bukan kutub;[12]pemisahangas aslidanalkena, penjerapan air dalam keadaan tidak sensitif terhadap nitrogenpoliuretana
5Å-DW	5	0.45–0.50	21–22	0.3–0.6	Penyahgris dan penurunan takat tuangpenerbangan minyak tanahdandiesel, dan pemisahan alkena
5Å kecil yang diperkaya oksigen	5	0.4–0.8	≥23		Direka khas untuk penjana oksigen perubatan atau sihatpetikan diperlukan]
5Å	5	0.60–0.65	20–21	0.3–0.5	Pengeringan dan penulenan udara;dehidrasidanpenyahsulfurangas asli dangas petroleum cecair;oksigendanhidrogenpengeluaran olehpenjerapan ayunan tekananproses
10X	8	0.50–0.60	23–24	0.3–0.6	Jerapan cekap tinggi, digunakan dalam pengeringan, penyahkarbonan, penyahsulfuran gas dan cecair serta pemisahanhidrokarbon aromatik
13X	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	Pengeringan, penyahsulfuran dan penulenan gas petroleum dan gas asli
13X-AS	10	0.55–0.65	23–24	0.3–0.5	Penyahkarbonandan pengeringan dalam industri pemisahan udara, pemisahan nitrogen daripada oksigen dalam penumpu oksigen
Cu-13X	10	0.50–0.60	23–24	0.3–0.5	Pemanis(penyingkirantiol) daripadabahan api penerbangandan sepadanhidrokarbon cecair

Keupayaan penjerapan

3Å

Formula kimia anggaran: ((K2O)2⁄3 (Na2O)1⁄3) • Al2O3• 2 SiO2 • 9/2 H2O

Nisbah silika-alumina: SiO2/Al2O3≈2

Pengeluaran

Penapis molekul 3A dihasilkan melalui pertukaran kationkaliumuntuknatriumdalam penapis molekul 4A (Lihat di bawah)

Penggunaan

Penapis molekul 3Å tidak menyerap molekul yang diameternya lebih besar daripada 3Å. Ciri-ciri penapis molekul ini termasuk kelajuan penjerapan yang pantas, keupayaan penjanaan semula yang kerap, rintangan penghancuran yang baik danrintangan pencemaranCiri-ciri ini dapat meningkatkan kecekapan dan jangka hayat penapis. Penapis molekul 3Å ialah bahan pengering yang diperlukan dalam industri petroleum dan kimia untuk penapisan minyak, pempolimeran dan pengeringan kedalaman gas-cecair kimia.

Penapis molekul 3Å digunakan untuk mengeringkan pelbagai bahan, sepertietanol, udara,bahan penyejuk,gas aslidanhidrokarbon tak tepuYang terakhir termasuk gas retak,asetilena,etilena,propilenadanbutadiena.

Penapis molekul 3Å digunakan untuk menyingkirkan air daripada etanol, yang kemudiannya boleh digunakan secara langsung sebagai biobahan api atau secara tidak langsung untuk menghasilkan pelbagai produk seperti bahan kimia, makanan, farmaseutikal dan banyak lagi. Memandangkan penyulingan biasa tidak dapat menyingkirkan semua air (hasil sampingan yang tidak diingini daripada pengeluaran etanol) daripada aliran proses etanol disebabkan oleh pembentukanazeotropPada kepekatan sekitar 95.6 peratus mengikut berat, manik penapis molekul digunakan untuk memisahkan etanol dan air pada tahap molekul dengan menyerap air ke dalam manik dan membenarkan etanol mengalir dengan bebas. Sebaik sahaja manik penuh dengan air, suhu atau tekanan boleh dimanipulasi, membolehkan air dilepaskan daripada manik penapis molekul.[15]

Penapis molekul 3Å disimpan pada suhu bilik, dengan kelembapan relatif tidak lebih daripada 90%. Ia ditutup rapat di bawah tekanan yang dikurangkan, dijauhkan daripada air, asid dan alkali.

4Å

Formula kimia: Na2O•Al2O3•2SiO2•9/2H2O

Nisbah silikon-aluminium: 1:1 (SiO2/Al2O3≈2)

Pengeluaran

Penghasilan penapis 4Å agak mudah kerana ia tidak memerlukan tekanan tinggi mahupun suhu yang terlalu tinggi. Biasanya larutan akueus baginatrium silikatdannatrium aluminatdigabungkan pada suhu 80 °C. Produk yang diresapi pelarut "diaktifkan" melalui "pembakaran" pada suhu 400 °C. Penapis 4A berfungsi sebagai pelopor kepada penapis 3A dan 5A melaluipertukaran kationdaripadanatriumuntukkalium(untuk 3A) ataukalsium(untuk 5A)

Penggunaan

Pelarut pengeringan

Penapis molekul 4Å digunakan secara meluas untuk mengeringkan pelarut makmal. Ia boleh menyerap air dan molekul lain dengan diameter kritikal kurang daripada 4Å seperti NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6, dan C2H4. Ia digunakan secara meluas dalam pengeringan, penapisan dan penulenan cecair dan gas (seperti penyediaan argon).

 

Bahan tambahan ejen poliestersunting]

Penapis molekul ini digunakan untuk membantu detergen kerana ia boleh menghasilkan air yang dinyahmineralkan melaluikalsiumpertukaran ion, membuang dan mencegah pemendapan kotoran. Ia digunakan secara meluas untuk menggantikanfosforusPenapis molekul 4Å memainkan peranan utama untuk menggantikan natrium tripolifosfat sebagai bahan bantu detergen bagi mengurangkan kesan alam sekitar detergen. Ia juga boleh digunakan sebagaisabunagen pembentuk dan dalamubat gigi.

Rawatan sisa berbahaya

Penapis molekul 4Å boleh membersihkan kumbahan spesies kationik sepertiammoniumion, Pb2+, Cu2+, Zn2+ dan Cd2+. Disebabkan oleh selektiviti yang tinggi untuk NH4+, ia telah berjaya digunakan di lapangan untuk memerangieutrofikasidan kesan lain dalam saluran air akibat ion ammonium yang berlebihan. Penapis molekul 4Å juga telah digunakan untuk menyingkirkan ion logam berat yang terdapat di dalam air akibat aktiviti perindustrian.

Tujuan lain

Yangindustri metalurgi: agen pengasing, pemisahan, pengekstrakan kalium air garam,rubidium,sesium, dsb.

Industri petrokimia,pemangkin,bahan pengering, penjerap

Pertanian:pengharum tanah

Perubatan: muatkan perakzeolitagen antibakteria.

5Å

Formula kimia: 0.7CaO•0.30Na2O•Al2O3•2.0SiO2 •4.5H2O

Nisbah silika-alumina: SiO2/Al2O3≈2

Pengeluaran

Penapis molekul 5A dihasilkan melalui pertukaran kationkalsiumuntuknatriumdalam penapis molekul 4A (Lihat di atas)

Penggunaan

Lima-ångströmPenapis molekul (5Å) sering digunakan dalampetroleumindustri, terutamanya untuk penulenan aliran gas dan di makmal kimia untuk mengasingkansebatiandan bahan permulaan tindak balas pengeringan. Ia mengandungi liang kecil dengan saiz yang tepat dan seragam, dan terutamanya digunakan sebagai penjerap untuk gas dan cecair.

Penapis molekul lima-ångström digunakan untuk mengeringkangas asli, bersama-sama dengan persembahanpenyahsulfurandanpenyahkarbonangas tersebut. Ia juga boleh digunakan untuk memisahkan campuran oksigen, nitrogen dan hidrogen, serta n-hidrokarbon lilin-minyak daripada hidrokarbon bercabang dan polisiklik.

Penapis molekul lima-ångström disimpan pada suhu bilik, dengankelembapan relatifkurang daripada 90% dalam tong kadbod atau pembungkusan kadbod. Penapis molekul tidak boleh didedahkan secara langsung kepada udara dan air, asid dan alkali harus dielakkan.

Morfologi penapis molekul

Penapis molekul terdapat dalam pelbagai bentuk dan saiz. Tetapi manik sfera mempunyai kelebihan berbanding bentuk lain kerana ia menawarkan penurunan tekanan yang lebih rendah, tahan gesekan kerana ia tidak mempunyai sebarang tepi tajam, dan mempunyai kekuatan yang baik, iaitu daya remuk yang diperlukan bagi setiap unit luas adalah lebih tinggi. Penapis molekul manik tertentu menawarkan kapasiti haba yang lebih rendah, justeru keperluan tenaga yang lebih rendah semasa penjanaan semula.

Kelebihan lain menggunakan penapis molekul manik ialah ketumpatan pukal biasanya lebih tinggi daripada bentuk lain, justeru untuk keperluan penjerapan yang sama, isipadu penapis molekul yang diperlukan adalah lebih sedikit. Oleh itu, semasa melakukan penyahbottlenecking, seseorang boleh menggunakan penapis molekul manik, memuatkan lebih banyak penjerap dalam isipadu yang sama, dan mengelakkan sebarang pengubahsuaian saluran.