分子ふるい

分子ふるいは、個々の分子と同程度の大きさの均一な細孔（空隙または穴）を持つ物質で、固体の内部と外部を結び付けます。これらの物質は、細孔よりも大きい分子を優先的にふるい分ける分子ふるい効果を体現しています。 ^[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、この分野ではゼオライトが主流です。ゼオライトはほとんどの場合、アルミノケイ酸塩、または Si または Al 中心の一部またはすべてが同様に帯電した元素に置き換えられた変種です。^[2]

分子ふるいを構成する細孔の直径は、小分子のサイズとほぼ同じです。大きな分子は入り込むことも吸着されることもありませんが、小さな分子は入り込むことも吸着されることもありません。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静止床を通って移動すると、最も分子量の高い成分（分子の細孔に入ることができない）が最初に床から出て、その後に小さな分子が順次出ていきます。分子ふるいのほとんどは、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表記法によれば、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、メソ多孔性カテゴリは、細孔径が2〜50nm（20〜500Å）の中間に位置します。^[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の細孔）を持つ物質には、ゼオライトA、LTA、FAUなどがあります。一部の粘土、活性炭、多孔質ガラスもこの基準を満たしています。
• メソポーラス材料（<2 nmの細孔）
• 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）：24 Å（2.4 nm）^[6]

一部の分子ふるいは、分子を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としての用途です。石油化学業界では、乾燥剤としてガス流を乾燥させる目的でよく使用されます。たとえば、液化天然ガス (LNG) 業界では、氷やメタンクラスレートによる閉塞を防ぐために、ガスの水分含有量を 1 ppmv未満に減らす必要があります。

実験室では、溶媒を乾燥するために分子ふるいが使用されています。「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]

ゼオライトという用語の下で、分子ふるいは幅広い触媒用途に使用されています。それらは異性化、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で使用されています。^[8]

これらはまた、スキューバダイバーや消防士が使用する呼吸装置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によって供給され、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するために使用されます。^[9] このような濾過により、呼吸用空気供給から粒子状物質やコンプレッサー排気生成物を除去することができます。

米国FDAは2012年4月1日付けで、21 CFR 182.2727に基づき、消耗品と直接接触する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]

分子ふるいの再生方法には、圧力変化（酸素濃縮器の場合）、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 °C（350 °F）から315 °C（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 °C（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、水と接触したときにシリカ球が壊れることによって発生します。^[13]

• 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

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）。

3A 分子ふるいは、直径が 3 Å を超える分子を吸着しません。これらの分子ふるいの特徴には、吸着速度が速く、再生が頻繁で、耐破砕性と耐汚染性に優れていることなどがあります。これらの特徴により、ふるいの効率と寿命の両方を向上させることができます。3A 分子ふるいは、石油精製、重合、化学ガス液体深層乾燥などの石油および化学産業で必須の乾燥剤です。

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のさまざまな物質の乾燥に使用されます。後者には、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、相対湿度が 90% を超えない室温で保管されます。これらは、水、酸、アルカリから遠ざけ、減圧下で密封されます。

• 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）

4Aふるいの製造では、通常、ケイ酸ナトリウムとアルミン酸ナトリウムの水溶液を80℃で混合します。製品は400℃で「加熱」することで「活性化」されます^{[15] 4Aふるいは、}ナトリウムをカリウム（3Aの場合）またはカルシウム（5Aの場合）に陽イオン交換することで、3Aおよび5Aふるいの前駆体として機能します^{[16] [17]}

ゼオライト分子ふるいの主な用途は洗濯用洗剤です。2001年には、水の軟化を伴うこの目的のために、推定1200キロトンのゼオライトAが生産されました。^[2]

4A分子ふるいは、実験室の溶媒を乾燥させるために広く使用されています。^{[7]これらは、水や、NH} ₃、H ₂ S、SO ₂、CO ₂、C ₂ H ₅ OH、C ₂ H ₆、C ₂ H ₄ などの臨界直径が4Å未満の他の種を吸収することができます。

一部の分子ふるいは、カルシウムイオン交換によって脱塩水を生成し、汚れを除去して堆積を防ぐことができるため、洗剤の補助として使用されます。これらはリンの代替として広く使用されています。4A 分子ふるいは、洗剤の環境への影響を軽減するために、洗剤補助剤としてトリポリリン酸ナトリウムの代替として重要な役割を果たします。また、石鹸形成剤や歯磨き粉にも使用できます。

1. 冶金工業：分離剤、分離、塩水カリウム、ルビジウム、セシウム等の抽出。
2. 石油化学産業、触媒、乾燥剤、吸着剤
3. 農業：土壌改良剤
4. 薬剤：銀ゼオライト抗菌剤配合。

分子ふるいにはさまざまな形とサイズがあります。球形ビーズは圧力降下が少なく、機械的に頑丈であるため、他の形状よりも優れています。

• 石灰（ミネラル）
• ゼオライト

Scholia には、分子ふるいに関するトピックプロファイルがあります。

• ふるいが温室効果ガスを抑制
• 分子ふるいの安全性
• 分子ふるいについて