ゼオライト・モレキュラーシーブス

合成ゼオライト・モレキュラーシーブス

ゼオライト(zeolite)は、沸石とも呼ばれる天然に産出する鉱石で、水分子を連続的に脱水-復水し、陽イオン交換能を有します。これを工業的に合成したのが合成ゼオライトです。合成ゼオライトは金属またはアルカリ土類金属の結晶性含水アルミノけい酸塩で、一般式はMeO・Al2O3・mSiO3・nH2O(Me:アルカリ金属2原子またはアルカリ土類金属1原子)で表されます。この結晶水を加熱離脱することで、あとにできた空洞が強い吸着能を有し、これに通ずる直径数Åの均一な細孔が分子ふるい効果※1 (またはサイズ排除効果)を示します。また、結晶構造中の金属イオンは極性分子を引き付ける作用を有し、極性物質・不飽和性物質を選択的に吸着します。このような吸着特性の特徴から、合成ゼオライトは実験レベルでは水を始めとする吸着剤、産業レベルでは触媒・廃水処理剤・土壌改良剤・石油精製など多岐に使用されています。

モレキュラーシーブス(molecular sieves)は、ユニオン・カーバイド社の生産している合成ゼオライトの商品名です。一般にモレキュラーシーブ(molecular sieve)とは分子ふるいの意味で、モレキュラーシーブスは分子ふるい効果作用のある多孔性物質のことです。

当社では様々な種類の合成ゼオライト・モレキュラーシーブスをご用意しております。使用目的に合わせご使用下さい。

※1 細孔径より小さい分子は細孔内に吸着され、細孔径より大きい分子は細孔内に入らないので吸着されず、両者を分離できる効果のこと。

種類

合成ゼオライト(またはモレキュラーシーブス)は、化学組成・結晶構造・吸着特性などの違いにより様々な種類が知られています。それぞれの製品の特性をご案内しますので使用目的に合わせお選び下さい※1 ※2

合成ゼオライト

種類 合成ゼオライト A-3 合成ゼオライト A-4 合成ゼオライト A-5 合成ゼオライト F-9
化学組成 (0.4K+0.6Na)2O・Al2O3・2SiO2 Na2O・Al2O3・2SiO2 Na2O・Al2O3・2.5SiO2
細孔径(Å) 3 4 5 9
水分吸着量(wt%) 20 20 22 26



アンモニア
CO2
CO
硫化水素
亜硫酸ガス
C1,C2 パラフィン
C3-C22 n-パラフィン類
イソパラフィン類
C2,C3 オレフィン
C4以上 n-オレフィン類
イソオレフィン類
シクロプロパン
C4以上 ナフテン類
ベンゼンおよび大部分の
低級芳香族炭化水素類
C1~C3 n-アルコール
C4以上 n-アルコール類
C3以上 iso-、sec-、tert-アルコール類
ジ-n-プロピルアミン
ジ-n-ブチルアミン
結晶型 A型 A型 Ca-A型 X型

モレキュラーシーブス

種類 モレキュラシーブス 3A モレキュラシーブス 4A モレキュラシーブス 5A モレキュラシーブス 13X
化学組成 K9Na3〔(AlO2)12(SiO2)12〕・xH2O Na12〔(AlO2)12(SiO2)12〕・27H2O Ca4.5Na3〔(AlO2)12(SiO2)12〕・xH2O Na86〔(AlO2)86(SiO2)106〕・276H2O
細孔径(Å) 3 4 5 10
水分吸着量(wt%) 20 22 21.5 約20
吸着される分子 H2O、NH3、He H2S、CO2、C2H6、C3H6、C2H5OH、C4H6 n-パラフィン、n-オレフィン、
n-C4H9OH
iso-パラフィン、iso-オレフィン、ジ-n-ブチルアミン、芳香族
有効直径<3Åの分子 有効直径<4Åの分子 有効直径<5Åの分子 有効直径<10Åの分
吸着されない分子 CH4、CO2、C2H2、O2、C2H5OH、H2S、C2H4 C3H8、コンプレッサー油、
環状炭化水素
iso-化合物、4員環化合物 (C4F9)3N
有効直径>3Åの分子 有効直径>4Åの分子 有効直径>5Åの分子 有効直径>10Åの分子
代表的な用途 低分子の極性溶媒の乾燥(メタノール、エタノール、アセトン、アセトニトリル)、クラッドガス、エチレン、ブタジエン等の乾燥 一般の有機溶媒(キシレン、クロロホルム、ニトロメタン、DMSOなど)の乾燥(3Aより乾燥能力が大きい)、天然ガス、液相飽和炭化水素からのCO2の除去 大きな分子の有機溶媒(THF、ジオキサンなど)の乾燥、ナフサ、ケロシンからのn-パラフィンの回収 非常に大きな分子の有機溶媒の乾燥あるいは脱硫・乾燥、水分とCO2の同時除去、炭化水素の吸着
結晶型 A型 A型 A型 X型


※1 品名の3AやA-3、F-9の数字は細孔径(単位Å)を示しています(13Xのみ10Å)。細孔径は数字の順に大きくなります。
  例えば、3Aに吸着される分子は4A、5A、13X全てに吸着されます。
※2 モレキュラシーブスには、各種類にそれぞれ直径が1/8(inch)と1/16(inch)のタイプがあります。

合成ゼオライトHSシリーズ

HSシリーズはシリカ/アルミナ比が高い(5以上)の疎水性合成ゼオライトです。シリカ/アルミナ比はその比率によって吸着能(親水性)が変化します。シリカ/アルミナ比が高くなると、結晶格子内に存在する金属カチオンの比率が減少することなどによって、水のような極性物質に対する親和性が弱くなり、非極性物質をより強く吸着するようになります。そのため、シリカ/アルミナ比が高いHSシリーズは、揮発性有機化合物(VOC:Volatile Organic Compounds)の除去や脱臭用途に適しています。また、極性物質との親和性が弱くなるため、親水性の合成ゼオライトより低温で水分を脱着する事ができます。

合成ゼオライトの触媒能は、結晶形(L型・Y型・モルデナイト・フェリエライト)、シリカ/アルミナ比、カチオン種によって変化します。合成ゼオライトの固体触媒作用は、一般的に、反応成分を吸着して細孔空間に触媒反応場をつくり出し、触媒反応に有利な状態に活性化する機構からなります。HSシリーズでは、様々な結晶形、細孔径、シリカ/アルミナ比、金属カチオン種の製品を取り揃えております。用途に合わせてご使用ください。

HSシリーズ※3

種類 合成ゼオライト, HS-320 合成ゼオライト, HS-341 合成ゼオライト, HS-500 合成ゼオライト, HS-642 合成ゼオライト, HS-690 合成ゼオライト, HS-720
カチオン種※4 水素 ナトリウム アンモニウム カリウム ナトリウム 水素 カリウム
結晶形 Y Y Y L モルデナイト モルデナイト フェリエライト
細孔径(Å) 9 9 9 8 7 7 4.8
シリカ/アルミナ比
(mol/mol)
5.5 5.5 7 6.1 18 240 18
比表面積(m2/g) 550 660 700 290 450 170
結晶の大きさ(µm) 0.2~0.4 0.2~0.4 0.7~1.0 0.4 0.1 x 0.5 0.1 x 0.5 ≦1
粒子の大きさ 6~8 6~8 3~5 4 12 12 20
NH3-TPD
(mmol/g)
0.7 2.0 0.2

※3 表の値は参考値であり、製品を保証するものではありません。
※4 ゼオライト細孔内に入った分子は、カチオンとの静電相互作用によって吸着しています。一般的には、カチオンの大きさが小さく、価数が大きいカチオンほど静電引力が大きくなる性質があり、極性が大きい分子ほど、強く、多く吸着されます。

使用法

  1. 計算量の3~4倍くらいの合成ゼオライト(またはモレキュラーシーブス)を溶媒に添加します※1 ※2
  2. 時々、揺り動かして24時間放置します。
  3. 早いもので1時間、乾燥しにくいものでは数日で乾燥が完了します※3

※1 吸湿容量は、合成ゼオライトの自重の約25%です。
※2 最大吸湿容量や計算量の倍数値は、書物によっても異なりますので、およその目安となります。
※3 対象とする吸着物質により乾燥時間は異なりますので、調整してください。

例)99.5vol% (残り0.5%を水分と仮定)エタノール18Lを乾燥させる場合

水の比重は1.0なので、18L中に水分は90gあることになります(計算式18L x 0.5(5%) x 1.0=0.09kg(=90g))。合成ゼオライトが自重の25%吸湿すると考えると、乾燥に必要な量は最低360gとなります(計算式:90g÷0.25(25%)=360g)。この計算量に3~4倍の量を添加することになります。よって、約1,500g の合成ゼオライトを添加します。

再生方法

  1. まず風乾させて表面に付着した溶媒を除去します※4
  2. 150~180℃で2,3時間加熱※5します。この場合3~5%の水が残りますが、通常の使用には差し支えありません。
  3. さらに厳密な乾燥を必要とする場合や、乾燥しにくい極性溶媒などに用いる時は、真空中(10-1~10-3mmHg)または乾燥ガス気流下で、300~350℃に加熱※5し、3,4時間乾燥します。
  4. 乾燥後は注意してデシケーター内で冷却し、密栓して保存します。

※4 表面に溶媒が残っていると加熱処理の際引火する恐れがあります。
※5 700℃以上では分解しますので加熱時はご注意ください。

特性

合成ゼオライト(またはモレキュラーシーブス)の吸着特性

(1)吸着特性の原理

合成ゼオライトの特異な吸着特性は、ファンデルワールス力による物理吸着と結晶の中に存在する金属カチオンの静電引力による吸着とが相まって強められます。その結晶格子は水分等の被吸着物質を脱着した際にも崩壊したり潮解することがありません。

(2)分子サイズによらない吸着

合成ゼオライトの外部表面積は全表面積の約1%です。細孔内部に入り込めない大きな分子が外部表面に吸着する量は、普通、担体重量の0.2~1.0wt%程度です。

(3)被吸着成分の選択性

合成ゼオライトは、分子の大きさや形状の違いによって分離するだけでなく、極性や不飽和度の違いによっても選択的に吸着します。これは主に結晶格子内に存在する金属カチオンに起因するものです。細孔に入りうるような多成分系では、より揮発性、分極性が強く、不飽和度の高い分子ほど吸着されます。例えば、合成ゼオライトは二酸化炭素を強く吸着します。これは二酸化炭素分子が金属カチオンの強力な正電荷を受けて分極し、吸着されるためです。従って、分子の不飽和度が高いほど、大きい極性を生じるので、オレフィン・アセチレン・飽和炭化水素中の不飽和物・芳香族等を効率よく分離することができます。

合成ゼオライト(またはモレキュラーシーブス)を使用する利点

(1)非常に低い水分濃度まで乾燥が可能

幅広い操作条件のもとで、水分濃度を0.1ppm以下まで下げることが可能です。シリカゲルや活性アルミナではここまで乾燥することはできません。

(2)高温でも乾燥が可能

合成ゼオライトは、高温において流体を乾燥できる唯一の乾燥剤です。100℃で13wt%以上の吸着能力をもち、200℃でも3wt%の水を吸着する能力を有しています。これに対してシリカゲルや活性アルミナは、25℃以上では急激に能力を失い、150℃以上ではほとんど水分を吸着しません。

(3)高選択性

シリカゲルや活性アルミナは細孔径分布が非常に広いので、吸着したい物質以外に必要な成分までも吸着してしまいます。合成ゼオライトの場合、細孔径が0.1nm(1Å)レベルで制御されていますので、用途に応じて種類(細孔径)を選択することによって、必要な成分を吸着することなく不純物のみを吸着除去することができます。

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合成ゼオライト

モレキュラーシーブス

ChemGenes社 DNA/RNA脱水用モイスチャートラップ

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