ความแตกต่างของตะแกรงโมเลกุล 3A, 4A, 5A และ 13X

04 ตุลาคม 2565

ตะแกรงโมเลกุลคืออะไร ?

ตะแกรงโมเลกุลเป็นผลึกซีโอไลต์สังเคราะห์ ซึ่งอะตอมจะถูกจัดเรียงอย่างมีรูปแบบที่แน่นอน และโครงสร้างภายในนั้นเชื่อมต่อกันด้วยรูพรุนขนาดเล็กที่มีขนาดเท่าๆ กัน รูพรุนเหล่านี้สามารถรับและส่งโมเลกุลผ่านไปตามโพรงที่มีขนาดเท่าๆ กัน หรือขนาดเล็กกว่าเท่านั้น จึงเป็นที่มาของชื่อ “ตะแกรงโมเลกุล”

โดยลักษณะการดูดซับไอน้ำ จะมีความแตกต่างจากซิลิกา เจล ค่อนข้างมาก ตะแกรงโมเลกุลสามารถดูดซับน้ำได้มากถึงประมาณ 20% ของน้ำหนักของน้ำ ก่อนที่ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศโดยรอบจะเพิ่มขึ้น ไม่ว่าการเพิ่มขึ้นใด ก็จะส่งผลถึงความชื้นสัมพัทธ์

ด้วยลักษณะเฉพาะเหล่านี้ จึงทำให้ตะแกรงโมเลกุลสามารถดูดซับน้ำได้ในอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำมาก (-50°C ต่อน้ำที่ดูดซับ 10% ของน้ำหนัก) และยังมีความสามารถในการดูดซับไอน้ำได้อย่างรวดเร็ว และสามารถรักษาประสิทธิภาพการดูดซับที่ดีไว้ได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 90 องศาเซลเซียส

ตะแกรงโมเลกุลเป็นสารประกอบอนินทรีย์อะลูมิโนซิลิเกต ซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิสูง และมีความคงตัวทางความร้อนที่ดี ซึ่งง่ายต่อการนำกลับมาใช้ใหม่ และสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้หลายครั้ง โครงสร้างจะไม่ถูกย่อยสลายโดยจุลินทรีย์หรือสารอื่นๆ ที่คล้ายกัน ส่วนประกอบหลักในโครงสร้างของโมเลกุลคือ tetrahedron ซิลิโคน-ออกซิเจน และ tetrahedron อะลูมิเนียม-ออกซิเจน เนื่องจากความจุของอลูมิเนียมเท่ากับ 3 ส่งผลให้ความจุของอะตอมของออกซิเจนหนึ่งอะตอมใน tetrahedron อลูมิเนียม - ออกซิเจน AIO4 เกิดความไม่สมดุล ดังนั้น เพื่อให้ tetrahedron ของอลูมิเนียม – ออกซิเจนทั้งหมดเป็นแถวเดียวกัน มันมีประจุลบ เพื่อรักษาความเป็นกลางทางไฟฟ้า จะต้องมีไออนของโลหะที่มีประจุบวกในบริเวณใกล้เคียงกับ tetrahedron อะลูมิเนียมออกไซด์ เพื่อชดเชยประจุลบ สนามพลังไฟฟ้าแรงสูงจะถูกสร้างขึ้นระหว่างไออนของโลหะที่มีประจุบวก และโครงสร้างตะแกรงโมเลกุลที่มีประจุลบ ซึ่งมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพในการดูดซับของตะแกรงโมเลกุล ความสามารถในการดูดซับของตะแกรงโมเลกุลสำหรับโมเลกุลที่มีขั้ว ที่มีความแข็งแรงมากกว่าโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว และในเวลาเดียวกัน เนื่องจากผลของสนามพลังไฟฟ้าแรงสูงสำหรับโมเลกุลที่มีพันธะคู่ หรือพันธะ π ขนาดใหญ่ พวกมันยังมีความสามารถในการดูดซับได้มากกว่าผ่านการเหนี่ยวนำโพลาไรเซชั่น โดยทั่วไป ยิ่งประจุไออนบวกมีมากเท่าไหร่ ก็ยิ่งมีรัศมีไออนนิกที่เล็กลงมากเท่านั้น และยิ่งสนามพลังไฟฟ้ามีกำลังแรงขึ้น ก็ยิ่งมีผลเหนี่ยวนำทำให้เกิดพันธะคู่มากขึ้นเท่านั้น และส่งผลให้มีความสามารถในการดูดซับสารดังกล่าวมากขึ้นตามไปด้วย

ตะแกรงโมเลกุลเป็นตัวดูดซับที่มีลักษณะเป็นของแข็งที่ถูกใช้งานในอุตสาหกรรมเคมี และหากถูกใช้งานแล้ว สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้หลังจากผ่านการใช้งาน และยังใช้งานสำหรับการทำให้แห้ง การเพิ่มความบริสุทธิ์ การแยก รวมถึงการนำก๊าซและของเหลวกลับมาใช้ซ้ำได้อีกด้วย ตั้งแต่ปี 1960 มันถูกใช้งานเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการแยกตัวในอุตสาหกรรมปิโตเลียม และขณะนี้ได้มีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาตะแกรงโมเลกุลที่หลากหลายมากขึ้น เพื่อให้เหมาะสมกับแต่ละกระบวนการการเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ตะแกรงโมเลกุลมีด้วยกัน 2 ประเภท ได้แก่ ซีโอไลต์ธรรมชาติ และ ซีโอไลต์สังเคราะห์ (1)ซีโอไลต์ธรรมชาติส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของสะเก็ดภูเขาไฟ และการตกตะกอนในสภาพแวดล้อมทางทะเล หรือทะเลสาบ ปัจจุบัน มีแร่ซีโอไลต์มากกว่า 1,000 ชนิด โดยมี 35 ชนิดที่มีความสำคัญมากกว่าแร่ทั่วไป ได้แก่ ไคลโนปติโลไลต์ มอร์เดนไนต์ อีไรโอไนต์ และชาบาไซต์ และส่วนใหญ่จำหน่ายอยู่ในประเทศสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น ฝรั่งเศส และอื่นๆ และประเทศจีนยังพบแหล่งแร่มอร์เดนไนต์และคลิโนปติโลไลต์เป็นจำนวนมาก, ประเทศญี่ปุ่นเป็นประเทศที่มีการขุดแร่ซีโอไลต์ธรรมชาติมากที่สุดด้วย (2)เพราะแร่ซีโอไลต์ธรรมชาติถูกจำกัดด้วยทรัพยากร จึงทำให้มีการใช้ซีโอไลต์สังเคราะห์อย่างแพร่หลายตั้งแต่ปี 1950 เป็นต้นมา

ตะแกรงโมเลกุลซีโอไลต์รูปแบบทั่วไปคืออะไร ?

ตะแกรงโมเลกุลทั่วไป หลักๆ จะมีอยู่ทั้งหมด 4 รูปแบบด้วยกันได้แก่ 3A 4A 5A และ 13X โดยแต่ละรูปแบบก็ต่างมีคุณสมบัติและการใช้งานเฉพาะ และทั้งหมดยังคงความสามารถในการดูดซับน้ำไว้เช่นเดิม

ตามขนาดรูพรุนที่แตกต่างกัน ตะแกรงโมเลกุลถูกกำหนดรูปแบบหลักๆ เป็น 3A, 4A, 5A และ 13X ที่ใช้ในอุตสาหกรรมเคมี อิเล็กทรอนิกส์ ปิโตรเคมี ก๊าซธรรมชาติ และอื่นๆ เป็นต้น

สูตรเคมีของตะแกรงโมเลกุล 3A, 4A, 5A และ 13X

3A：2/3K₂O1₃·Na₂₂O·Al₂O₃·2SiO₂.·4.5H₂O

4A：Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·4.5H₂O

5A：3/4CaO1/4Na₂OAl₂O₃·2SiO₂·4.5H₂O

13X：Na2O·Al2O3·2.45SiO2·6.0H20

การทำงานของตะแกรงโมเลกุล เชื่อมต่อกับขนาดรูพรุน

ขนาดรูพรุนของพวกมันคือ 0.3nm./0.4nm./0.5nm. ตามลำดับ ด้วยรูพรุนเหล่านี้ สามารถดูดซับโมเลกุลที่มีขนาดที่เล็กกว่าได้ และยิ่งมีขนาดใหญ่ขึ้น ก็หมายถึงความสามารถในการดูดซับที่มากขึ้นด้วย และขนาดของรูพรุนที่ต่างกันก็จะสามารถเลือกได้ว่าโมเลกุลชนิดใดที่สามารถดูดซับได้ อธิบายสั้นๆ คือ ตะแกรงโมเลกุล 3A จะสามารถดูดซับได้เฉพาะโมเลกุลที่ขนาดเล็กกว่าหรือเท่ากับ 0.3nm. เท่านั้น ตะแกรงโมเลกุล 4A และ 5A ต่างก็เหมือนกันในหลักการนี้ ตะแกรงโมเลกุลเพียงตัวเดียว สามารถดูดซับความชื้นได้ถึง 22% ของน้ำหนัก เมื่อใช้เป็นสารดูดความชื้น

ความแตกต่างของตะแกรงโมเลกุล 3A 4A 5A 13X

ตะแกรงโมเลกุล 3A จะดูดซับน้ำเป็นส่วนใหญ่ และใช้เป็นตะแกรงโมเลกุลหลักในการทำให้แห้ง หรือการแยกตัวของก๊าซในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม โอเลฟิน ก๊าซจากโรงกลั่น และก๊าซบ่อน้ำมัน ตลอดจนสารดูดความชื้นในสารเคมี ยา กระจกฉนวน และอุตสาหกรรมอื่นๆ เป็นต้น ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการทำให้แห้งของของเหลว เช่น เอทานอล การดูดความชื้นในอากาศของกระจกฉนวน การแยกความชื้นของก๊าซที่มีส่วนผสมของไนโตรเจนและไฮโดรเจน การแยกความชื้นสารทำความเย็น เป็นต้น

ตะแกรงโมเลกุล 4A ส่วนใหญ่ จะใช้สำหรับการแยกความชื้นของก๊าซธรรมชาติ ก๊าซเคมี และของเหลวต่างๆ เช่น สารทำความเย็น ยา ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ และสารระเหย การเพิ่มความบริสุทธิ์ของก๊าซอาร์กอน และการแยกก๊าซมีเทน อีเทน และโพนเพน โดยส่วนใหญ่ใช้กับการทำให้แห้งสนิทของก๊าซ และของเหลว เช่น อากาศ ก๊าซธรรมชาติ ไฮโดรคาร์บอน สารทำความเย็น การเตรียม และการเพิ่ความบริสุทธิ์ของอาร์กอน การแยกความชื้นของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ และวัสดุที่เน่าเสียง่าย สารขจัดน้ำในสี โพลีเอสเตอร์ สีย้อม และสารเคลือบ

ตะแกรงโมเลกุล 5A ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการกำจัดความชื้นจากก๊าซธรรมชาติ การกําจัดสารกํามะถัน และการกําจัดคาร์บอนไดออกไซด์ การแยกไนโตรเจนและออกซิเจนเพื่อเตรียมการผลิตก๊าซออกซิเจน ก๊าซไนโตรเจน และก๊าซไฮโดรเจน การกำจัดสารที่เป็นไข (Wax) ในปิโตรเลียม เพื่อแยกสารประกอบไฮโดรคาร์บอนทั่วไปออกจากไฮโดรคาร์บอนที่แตกแขนง ( Branched Hydrocarbon ) และไฮโดรคาร์บอนแบบวนรอบ ( Cyclic Hydrocarbon ) อย่างไรก็ตาม พื้นที่ผิวจําเพาะขนาดใหญ่และการดูดซับขั้วของตะแกรงโมเลกุล 5A สามารถดูดซับน้ำแบบหมุนเวียนและแอมโมเนียตกค้างได้อย่างล้ำลึก ส่วนผสมไนโตรเจน-ไฮโดรเจนที่ย่อยสลายจะเข้าสู่เครื่องทำแห้งเพื่อขจัดความชื้นตกค้างและสิ่งสกปรกอื่นๆ เครื่องเพิ่มความบริสุทธิ์ใช้แทงค์ดูดซับคู่ แทงค์หนึ่งดูดซับก๊าซการสลายตัวของแอมโมเนียแห้ง และอีกตัวหนึ่งดูดซับความชื้นและแอมโมเนียตกค้างในสภาวะความร้อน (300-350 °C) เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการเตรียมการนำกลับมาใช้ใหม่

ตะแกรงโมเลกุล 13X หรือที่เรียกว่าตะแกรงโมเลกุลชนิดโซเดียม X เป็นอลูมิโนซิลิเกตและโลหะอัลคาไลน์ซึ่งมีความเป็นเบสและเป็นประเภทของแข็งพื้นฐาน 3.64 A ขนาดน้อยกว่า 10 A โมเลกุลอื่นๆ ตะแกรงโมเลกุล 13x ส่วนใหญ่จะใช้ในการทําให้บริสุทธิ์ก๊าซในหน่วยแยกอากาศเพื่อขจัดน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ และการกําจัดกํามะถันในก๊าซธรรมชาติ ก๊าซปิโตรเลียมเหลว และไฮโดรคาร์บอนเหลว ก๊าซแห้งทั่วไป

ตะแกรงโมเลกุล 3A และ 5A ทำจากตะแกรงโมเลกุล 4A อย่างไร?

วิธีการดังกล่าวสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนโซเดียมไอออนในโครงสร้างตะแกรงโมเลกุลของ 4A (โซเดียมของซีโอไลต์ประเภท A) ด้วยโพแทสเซียมไอออน เพื่อให้ขนาดรูพรุนที่มีประสิทธิภาพลดลงเหลือ 3Å ตะแกรงโมเลกุล 3A ส่วนใหญ่จะใช้เป็นสารดูดความชื้นในก๊าซธรรมชาติ, โอเลฟินส์, ก๊าซโรงกลั่น, ก๊าซบ่อน้ำมัน, อุตสาหกรรมเคมี, ร้านขายยา, กระจกกันฉนวน, การกำจัดความชื้นในแอลกอฮอล์, การขจัดความชื้นในก๊าซผสมไนโตรเจนและไฮโดรเจน, การขจัดความชื้นในสารดูดความชื้น, การดูดซับความชื้นในสารทำความเย็น ซึ่งความชื้นและโมเลกุลต่างๆ ที่มีขนาดเล็กกว่า 3Å ตะแกรงโมเลกุล 3A สามารถดูดซับได้เป็นอย่างดี

จากรูปแบบดังกล่าว จะได้ตะแกรงขนาดรูพรุน 3Å และ 5Å โดยแลกเปลี่ยนโซเดียมไอออนสำหรับโพแทสเซียมและแคลเซียมไอออนตามลำดับ ตะแกรงโมเลกุล 4A สามารถดูดซับความชื้น, NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6, C2H4 และโมเลกุลอื่นๆ ภายใต้ 4A ตะแกรงโมเลกุล 4A ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการอบแห้งก๊าซธรรมชาติ ก๊าซและของเหลวส่วนใหญ่ สารทำความเย็น ยา อุปกรณ์ดิจิทัล และสารระเหย นอกจากนี้ยังมีความสามารถในการทำให้บริสุทธิ์อาร์กอนและการแยกมีเทน อีเทน และโพรเพน การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ การทำให้อากาศและไฮโดรคาร์บอนแห้งสนิท เป็นอีไฮเดรเตอร์ในสี โพลีเอสเตอร์ สีย้อม และสารเคลือบ

ได้มาจากการเปลี่ยนโซเดียมไอออนในโครงสร้างตะแกรงโมเลกุลของ 4A ด้วยแคลเซียมไอออน เพื่อให้ขนาดรูพรุนเพิ่มขึ้นเป็น 5Å อย่างมีประสิทธิภาพ ตะแกรงโมเลกุล 5A สามารถดูดซับโมเลกุลใดๆ ที่เล็กกว่ารูขุมขนได้ นอกจากลักษณะของ 3A และ 4A แล้ว 5A ยังสามารถดูดซับ C3-C4 n-alkane, เอทิลคลอไรด์, เอทิลโบรไมด์, บิวทานอล ฯลฯ และสามารถใช้ในการแยกไฮโดรคาร์บอน n-isomeric การดูดซับการแกว่งของแรงดัน และการดูดซับน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ร่วมกัน การใช้งานหลักของตะแกรงโมเลกุล 5A คือการอบแห้งก๊าซธรรมชาติ การดูดซับกํามะถันและ CO2 การแยกไนโตรเจนและออกซิเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน และการผลิตไฮโดรเจน นอกจากนี้ การแยกปิโตรเลียม การแยกไฮโดรคาร์บอนปกติออกจากไฮโดรคาร์บอนที่แตกแขนงและไซคลิกไฮโดรคาร์บอนยังเป็นสองชนิดพิเศษของ 5A สำหรับการฟื้นฟู 5A พื้นที่ผิวจําเพาะขนาดใหญ่และความสามารถในการดูดซับสามารถนําไปสู่การดูดซับน้ำและแอมโมเนียได้ลึก ไฮโดรคาร์บอนที่ย่อยสลายแล้วจะเข้าสู่เครื่องอบผ้าเพื่อขจัดความชื้นที่เหลือและสิ่งสกปรกอื่นๆ อุปกรณ์ทำให้บริสุทธิ์ประกอบด้วยเสาดูดซับสองเสา อันหนึ่งสำหรับก๊าซสลายตัวของแอมโมเนียแห้งและอีกอันสำหรับความชื้นและแอมโมเนียที่เหลืออยู่ภายใต้สภาวะการฟื้นฟู ( ปกติ 300-350 °C )

ตะแกรงโมเลกุล 13X ยังมีชื่อว่าตะแกรงโมเลกุล ประเภท X เป็นรูปแบบโซเดียมของซีโอไลต์ X ซึ่งมีรูพรุนมากกว่าซีโอไลต์ประเภท A (ตะแกรงโมเลกุลของ 4A) เป็นอลูมิโนซิลิเกตโลหะอัลคาไลซึ่งมีความเป็นด่างบางอย่างและเป็นของชั้นของด่างที่เป็นของแข็ง ขนาดรูพรุนของมันคือ 10Å และสามารถดูดซับขนาดโมเลกุลระหว่าง 3.64 Å ถึง 10 Å การใช้งานหลักของ 13X คือการทำให้บริสุทธิ์ของก๊าซโดยการดูดซับความชื้นและคาร์บอนไดออกไซด์ในหน่วยแยกอากาศ การทำให้แห้งและการกําจัดกํามะถันสำหรับก๊าซธรรมชาติ LNG และไฮโดรคาร์บอนเหลว การอบแห้งก๊าซปกติให้แห้งสนิท นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา, การดูดซับร่วมของน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์, การดูดซับร่วมของน้ำและก๊าซ H2S

ตะแกรงโมเลกุลชนิดอื่นที่พบได้น้อยกว่าคือตะแกรงโมเลกุล 10X ซึ่งมีขนาดรูพรุน 8A และใช้สำหรับการอบแห้งและการกําจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ของก๊าซและของเหลว และการแยกไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก เรายังสามารถหาตะแกรงโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นซึ่งออกแบบบนซีโอไลต์อื่นๆ ตะแกรงโมเลกุลมีอยู่ในรูปทรงต่างๆ และขนาดของอนุภาค ซึ่งเป็นทรงกลมและเม็ดที่พบได้บ่อยที่สุด ทรงกลมมีข้อดีหลายประการ เช่น ความหนาแน่นของโหลดสูงกว่าเม็ด ดังนั้นในปริมาณเดียวกัน เราจึงโหลดผลิตภัณฑ์ได้มากขึ้น ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของตัวดูดซับ นอกจากนี้ เนื่องจากไม่มีขอบคม จึงทนต่อการขัดสีได้มากขึ้น ซึ่งส่งผลให้เกิดฝุ่นน้อยลงและยังสามารถลดแรงกดทับภายในถังดูดซับได้เป็นอย่างดี