分子ふるい
典型的な分子ふるいはLTA型です。水との親和性が高いアルミノケイ酸ナトリウム（ナトリウムは図示されていません）のケージが特徴です。
メソポーラスシリカのバイアル

分子ふるいとは、個々の分子の大きさと同程度の均一なサイズの細孔を持つ物質で、固体の内部と外部を繋ぎます。これらの物質は分子ふるい効果を有し、細孔よりも大きな分子が優先的にふるい分けられ、分子サイズに基づいて特定の化合物を選択的に吸着することができます。 [ a ] 多くの種類の物質が何らかの分子ふるい効果を示しますが、その中で最も広く利用されているのはゼオライトです。ゼオライトはほとんどの場合、アルミノケイ酸塩、もしくはSiまたはAl中心の一部または全部が同様の電荷を持つ元素に置換された変種です。[ 2 ]

ふるい分け工程

分子ふるいを構成する細孔の直径は、小さな分子と同程度の大きさです。大きな分子は入り込んだり吸着されたりすることはできませんが、小さな分子は入り込んだり吸着されたりすることができます。分子の混合物が、ふるい（またはマトリックス）と呼ばれる多孔質の半固体物質の固定層を通過すると、最も分子量の高い成分（分子の細孔に入り込むことができない）が最初に層から出ていき、続いて小さな分子が順に出て行きます。ほとんどの分子ふるいは、Si/Alモル比が2未満のアルミノケイ酸塩（ゼオライト）ですが、活性炭やシリカゲルの例もあります。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

分子ふるいの細孔径は、オングストローム（Å）またはナノメートル（nm）で測定されます。IUPACの表記法によると、ミクロ多孔性材料の細孔径は2nm（20Å）未満、マクロ多孔性材料の細孔径は50nm（500Å）以上です。したがって、メソ多孔性材料は、その中間に位置し、細孔径は2～50nm（20～500Å）です。[ 5 ]

分子ふるいのふるい分け特性は次のように分類される。

  • 微細孔（3～10Å）を有するものには、ゼオライトA、LTA、FAUなどが含まれます。一部の粘土、活性炭、多孔質ガラスもこの基準を満たします。
  • メソポーラス材料（細孔径2 nm未満）
  • マクロ多孔性材料（2～50 nmの細孔）、例えば二酸化ケイ素（シリカゲルの製造に使用）：24Å（2.4 nm）[ 6 ]

アプリケーション

一部の分子ふるいは、分子をそのサイズに基づいて分類する分離技術である サイズ排除クロマトグラフィーで使用されます。

もう一つの重要な用途は乾燥剤です。石油化学業界では、ガス流の乾燥に乾燥剤がよく使用されます。例えば、液化天然ガス（LNG）業界では、氷やメタン包接化合物による閉塞を防ぐため、ガス中の水分含有量を1ppmv未満にまで低減する必要があります。

実験室での使用

実験室では、溶媒の乾燥に分子ふるいが用いられます。「ふるい」は、強力な乾燥剤を使用することが多い従来の乾燥技術よりも優れていることが証明されています。[ 7 ]

ゼオライトと呼ばれる分子ふるいは、幅広い触媒用途に用いられています。異性化、アルキル化、エポキシ化を触媒し、水素化分解や流動接触分解などの大規模な工業プロセスに使用されています。[ 8 ]

これらは、スキューバダイバーや消防士などの呼吸器用の空気供給の濾過にも使用されます。このような用途では、空気はエアコンプレッサーから供給され、用途に応じて分子ふるいや活性炭が充填されたカートリッジフィルターを通過し、最終的に呼吸用空気タンクに充填されます。[ 9 ] このような濾過により、呼吸用空気供給から微粒子やコンプレッサー排気物質を除去することができます。

FDA承認

米国FDAは2012年4月1日付けで、21 CFR 182.2727に基づき、消耗品との直接接触用としてアルミノケイ酸ナトリウムを承認した。 [ 10 ]この承認に先立ち、欧州連合は医薬品に分子ふるいを使用しており、独立した試験では分子ふるいがすべての政府要件を満たしていることが示唆されていたが、業界は政府承認に必要な高額な試験に資金を提供することを望まなかった。[ 11 ]

再生

分子ふるいの再生方法には、圧力変化（酸素濃縮器など）、加熱とキャリアガスによるパージ（エタノール脱水で使用される場合）、高真空下での加熱などがあります。再生温度は、分子ふるいの種類に応じて175℃（350°F）から315℃（600°F）の範囲です。[ 12 ]一方、シリカゲルは、通常のオーブンで120℃（250°F）で2時間加熱することで再生できます。ただし、シリカゲルの種類によっては、十分な水にさらされると「はじける」ことがあります。これは、シリカ球が水と接触することで破損するからです。[ 13 ]

吸着能力

名前エイリアス細孔径（オングストローム）嵩密度（g/mL）吸着水（% w/w）摩耗または擦過、W（% w/w）使用法[ 14 ]
3AA-3、KA30.60～0.6819～200.3～0.6石油分解ガスおよびアルケンの乾燥、断熱ガラス（IG）およびポリウレタンにおけるH 2 Oの選択吸着、ガソリンと混合するための エタノール燃料の乾燥。
4AA-4、Na-A40.60～0.6520～210.3～0.6FDA承認（下記参照）のアルミノケイ酸ナトリウムは、分子ふるいとして医療容器の内容物を乾燥状態に保つために使用され、またE番号E-554（固結防止剤）の食品添加物としても使用されています。密閉液体またはガスシステムでの静的脱水に適しています。例：医薬品、電気部品、腐敗しやすい化学物質の包装、印刷およびプラスチックシステムでの水分除去、飽和炭化水素ストリームの乾燥。吸着種にはSO 2、CO 2、H 2 S、C 2 H 4、C 2 H 6、C 3 H 6が含まれます。一般に、極性および非極性媒体での万能乾燥剤と考えられています。[ 12 ]天然ガスとアルケンの分離、窒素に敏感でないポリウレタンへの水分の吸着
5A-DW50.45～0.5021～220.3～0.6航空灯油およびディーゼル油の脱脂および流動点降下、ならびにアルケンの分離
5A小型酸素濃縮50.4～0.8≥23医療用または健康用の酸素発生器用に特別に設計されています
5AA-5、Ca-A50.60～0.6520～210.3～0.5空気の乾燥と浄化、天然ガスと液化石油ガスの脱水と脱硫、圧力スイング吸着法 による酸素と水素の製造
10倍F-9、Ca-X80.50～0.6023～240.3～0.6高効率吸着、ガスおよび液体の乾燥、脱炭、脱硫、芳香族炭化水素の分離に使用される
13倍F-9、Na-X100.55～0.6523～240.3～0.5石油ガスおよび天然ガスの乾燥、脱硫および精製
13X-AS100.55～0.6523～240.3～0.5空気分離産業における 脱炭および乾燥、酸素濃縮器における酸素からの窒素の分離
Cu-13XCu-X100.50～0.6023～240.3～0.5航空燃料および対応する液体炭化水素のスイートニング（チオールの除去）

3A

  • おおよその化学式: ((K 2 O) 2 ⁄ 3 (Na 2 O) 1 ⁄ 3 ) • Al 2 O 3 • 2 SiO 2 • 9/2 H 2 O
  • シリカアルミナ比：SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2

生産

3A分子ふるいは、 4A分子ふるいのナトリウムをカリウムに陽イオン交換することによって製造されます（下記参照）。

使用法

3A分子ふるいは、直径3Åを超える分子を吸着しません。これらの分子ふるいは、吸着速度が速く、再生能力が高く、耐圧破砕性と耐汚染性に優れています。これらの特性により、ふるいの効率と寿命が向上します。3A分子ふるいは、石油精製、重合、化学気液深層乾燥など、石油・化学産業において不可欠な乾燥剤です。

3A分子ふるいは、エタノール、空気、冷媒、天然ガス、不飽和炭化水素など、様々な物質の乾燥に使用されます。不飽和炭化水素には、クラッキングガス、アセチレン、エチレン、プロピレン、ブタジエンが含まれます。3A分子ふるいは、室温で保管され、相対湿度は90%以下です。減圧密封され、水、酸、アルカリから保護されています。

4A

  • 化学式：Na 2 O・Al 2 O 3・2SiO 2・9/2H 2 O
  • シリコン-アルミニウム比：1：1（SiO 2 / Al 2 O 3 ≈2）

生産

For the production of 4A sieve, typically aqueous solutions of sodium silicate and sodium aluminate are combined at 80 °C (180 °F). The product is "activated" by "heating" at 400 °C (750 °F)[15] 4A sieves serve as the precursor to 3A and 5A sieves through cation exchange of sodium for potassium (for 3A) or calcium (for 5A)[16][17]

Uses

The main use of zeolitic molecular sieves is in laundry detergents. In 2001, an estimated 1.2 million tons of zeolite A were produced for this purpose, which entails water softening.[2]

4A molecular sieves are widely used to dry laboratory solvents. They can absorb water and other species with a critical diameter less than 4 Å such as NH3, H2S, SO2, CO2, C2H5OH, C2H6, and C2H4.

Bottle of 4A molecular sieves

Some molecular sieves are used to assist detergents as they can produce demineralized water through calcium ion exchange, remove and prevent the deposition of dirt. They are widely used to replace phosphorus. The 4A molecular sieve plays a major role to replace sodium tripolyphosphate as detergent auxiliary in order to mitigate the environmental impact of the detergent. It also can be used as a soap forming agent and in toothpaste.

Other purposes

  1. The metallurgical industry: separating agent, separation, extraction of brine potassium, rubidium, caesium, etc.
  2. Petrochemical industry, catalyst, desiccant, adsorbent
  3. Agriculture: soil conditioner
  4. Medicine: load silver zeolite antibacterial agent.

Morphology of molecular sieves

Molecular sieves are available in diverse shape and sizes. Spherical beads have advantage over other shapes as they offer lower pressure drop and are mechanically robust.

See also

Notes

  1. ^「多孔質固体において、外部空間と連通する細孔に関連する表面は内部表面と呼ばれることがある。細孔へのアクセス性は流体分子の大きさに依存するため、内部表面の範囲は流体を構成する分子の大きさに依存し、流体混合物の様々な成分によって異なる場合がある。」 [ 1 ]

参考文献

  1. ^ 「分子ふるい効果」 IUPACゴールドブック。
  2. ^ a b cクレスゲ, チャールズ・T.; ディングラ, サンディープ・S. (2004). 「分子ふるい」.カーク・オスマー化学技術百科事典. doi : 10.1002/0471238961.1315120511210812.a01.pub2 . ISBN 978-0-471-48494-3。
  3. ^マズール, ミハル; プルチェフ, ヤン; チェッカ, イジー (2019). 「ゼオライトおよびその他のマイクロポーラス・メソポーラス分子ふるい」.カーク・オスマー化学技術百科事典. pp.  1– 36. doi : 10.1002/0471238961.zeolcejk.a01.pub2 . ISBN 978-0-471-48494-3。
  4. ^ Cohen, Alan P. (2003). 「乾燥剤」.カーク・オスマー化学技術百科事典. doi : 10.1002/0471238961.0405190903150805.a01.pub2 . ISBN 978-0-471-48494-3。
  5. ^ J. Rouquerol; et al. (1994). 「多孔質固体の特性評価に関する推奨事項（技術報告書）」（無料ダウンロードpdf） . Pure Appl. Chem . 66 (8): 1739– 1758. doi : 10.1351/pac199466081739 . S2CID 18789898 . 
  6. ^ 「乾燥剤の種類」 SorbentSystems.com . 2014年2月26日閲覧。
  7. ^ Williams, DBG, Lawton, M., 「有機溶媒の乾燥：各種乾燥剤の効率の定量評価」, The Journal of Organic Chemistry 2010, vol. 75, 8351. doi : 10.1021/jo101589h
  8. ^プジャド、PR;ラボ、JA;アントス、ジョージア州。ゲンビッキ、SA (1992-03-11)。 「モレキュラーシーブの産業用触媒応用」。今日の触媒作用。13 (1): 113–141 .土井: 10.1016/0920-5861(92)80191-O。
  9. ^ [1] 2012年4月16日アーカイブ、 Wayback Machine
  10. ^ 「Sec. 182.2727 Sodium aluminosilicate」 . 米国食品医薬品局. 2012年4月1日. 2003年9月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年12月10日閲覧。
  11. ^ 「分子ふるい乾燥剤」 DesiccantPacks.net 2014年2月26日閲覧。
  12. ^ a b「分子ふるい」 . Sigma-Aldrich . 2014年2月26日閲覧。
  13. ^ Spence Konde、「シリカゲルからの高シリカゼオライトビーズの調製」、 2011年9月26日閲覧。
  14. ^ 「分子ふるい、Yiyuan Molecular Sieves」 . Chemicalpackingcorp.com . 2014年2月26日閲覧。
  15. ^ US 3433588、Max Michel & Denis Papee、「4オングストローム単位のゼオライトの製造方法」、1969年3月18日公開、1969年3月18日発行 
  16. ^ゼオケム
  17. ^グローバル内
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