モレキュラーシーブとは
モレキュラーシーブは、天然に産出するゼオライトの特異な吸着特性に着目したユニオン・カーバイド社の技術陣が開発した合成ゼオライトであり、その特殊な吸着特性は、吸着の概念に新しい分野を開いたばかりでなく、石油精製、石油化学を始めとする諸工業における乾燥・精製・分離工程に、数多くの新用途を拡げています。当社は、1970年に発足して以来、モレキュラーシーブの製造販売を行い、広く関連業界にその優れた製品を提供致しております。
モレキュラーシーブは、合成結晶アルミノシリケートの含水金属塩より出来ていますが、この金属塩がもつ結晶水を加熱除去すると、結晶水の取り除かれた跡に空洞が残り、この空洞の内壁に被吸着分子を吸着することができます。被吸着分子がこの空洞に入り込むためには、表面からつながっている均一な細孔を通らねばなりません。モレキュラーシーブはこの細孔の径が非常に均一であるため、分子レベルの篩の役目をし、これを通過し得る分子だけが、空洞の内壁に到達して吸着されるのです。
モレキュラーシーブの結晶構造
モレキュラーシーブは、結晶性ゼオライトで一般式は次の式で示されます。
M2／nO・Al2O3・xSiO2・yH2O
M：金属カチオン n：原子価
化学組成、結晶構造、吸着特性などの異なるさまざまなゼオライトが知られており、多種類の結晶が合成されています。これらのタイプのうち、工業的に最も利用されている4A型と13X型は、次のような化学式で示されます。
4A ： Na12〔(AlO2)12(SiO2)12〕・27H2O
13X ： Na86〔(AlO2)86(SiO2)106〕・276H2O
どちらの場合も、ナトリウムイオンを他の金属カチオンとイオン交換することによって、さまざまな特性をもった製品を造ることができます。いずれも結晶水を加熱除去した後、活性な製品として供されます。
モレキュラーシーブの細孔
モレキュラーシーブ結晶構造の基本的な構造単位は、珪素あるいはアルミニウム原子を取り囲んでいる４個の酸素原子からなる正四面体です。ナトリウムイオンあるいは他の金属カチオンが、アルミナ正四面体における正電荷の不足を補っています。4個の酸素原子は隣接の正四面体と共有され、結晶体は三次元的に広がっています。この正四面体の集合でできた結晶は、比較的大きな空洞をもち、蜂の巣状の特異な構造をしています。例えば、A型では大体球形の空洞をもち、各々の空洞は細孔を通じて隣り合った６個の空洞と連絡しています。この空洞の直径は約1.1nm、容積は0.925立方nmで全結晶容積の約半分に相当します。
4A型の細孔径は0.35nmですが、通常の操作温度において空洞内に入ってくる分子の伸縮と運動エネルギーのために、この細孔は有効直径0.4nmまでの分子を通過させることができます。
また、モレキュラーシーブ結晶の細孔付近にある金属カチオンの位置と大きさにより、この細孔の有効直径は変化します。例えば、4A型のナトリウムイオンをカルシウムイオンで置換しますと、0.42nmの細孔径をもつ5A型になります。そして、この金属カチオンの存在が、モレキュラーシーブの特異な吸着特性を示す一因になっていると考えられます。
モレキュラーシーブの吸着特性
モレキュラーシーブ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ており、しかもその結晶格子は、結晶水を脱離した場合にも、また水分等の被吸着物質を吸着した場合にも崩壊したり潮解することがありません。
モレキュラーシーブの外部表面積は全表面積の約1%にすぎないので、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、ふつう0.2～1.0wt%程度です。
モレキュラーシーブは、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分離することができます。そのため、いずれも細孔に入りうるような多成分系では、より揮発性が低く、より分極性の強い、また、より不飽和度の高い分子ほどより強く吸着されます。
モレキュラーシーブにおける強い吸着力は、主として結晶格子内に存在する金属カチオンに起因すると考えられます。これらの金属カチオンが極性分子の負電荷を静電気的に引きつけるので被吸着分子の双極子モーメントが大きいほど、より強力に引きつけられて吸着されます。
例えば、モレキュラーシーブは二酸化炭素を強く吸着しますが、これは金属カチオンの強力な正電荷による影響を受けて二酸化炭素分子が分極することにより吸着されるためです。これと同様に、分子の不飽和度が高いほど、より大きい極性を生じるので、モレキュラーシーブは効率良く飽和炭化水素中のオレフィン、アセチレン、芳香族化合物等を分離することができるのです。
モレキュラーシーブの利点
非常に低い水分濃度まで乾燥します
高い乾燥度を必要とする気体、液体に対して、モレキュラーシーブは理想的な吸着剤で、広い操作条件のもとで、水分濃度を0.1ppm以下程度まで下げることが可能です。シリカゲルや活性アルミナのような乾燥剤ではここまで乾燥することはできません。右図に示すように相対湿度が10%以下のような低湿度雰囲気でも、モレキュラーシーブはその自重の20%以上の水分を吸着することができます。これは同じ条件でのシリカゲルの約３倍の水分吸着量となります。
高温においても乾燥します
モレキュラーシーブは、高温において流体を乾燥できる唯一の乾燥剤です。100℃でも13%以上の吸着能力をもち、200℃においてさえも3%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、吸着温度によって能力が大きく変わってしまいます。また、150℃以上ではほとんど水分を吸着しません。
組成を変えずに乾燥します
シリカゲルや活性アルミナは細孔径が大きく、分布も非常に広いので、吸着したい物質以外の物質も吸着してしまい、製品組成の変化が問題になります。
モレキュラーシーブの場合、細孔径が0.1nm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、製品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。
一段階で乾燥と精製を同時に行えます
反対にモレキュラーシーブのタイプと操作条件を選ぶことにより、流体から水と一緒に他の不純物を除くことも容易にできます。例えばLNGの脱硫において、アルカリ洗浄等の湿式プロセスによる脱硫と脱水塔を併用していますが、モレキュラーシーブを使用しますと、水分と硫化水素やメルカプタンなどの硫黄分を一工程で、しかも非常に低濃度まで取り除くことができます。
吸着剤の寿命が長く、高い製品回収率が得られます
モレキュラーシーブは、細孔径が均一でオレフィン類などの共吸着を起こしにくいため、重合やコーキング等による有効吸着面の汚れが少なく、従って長い吸着剤寿命が得られます。
また、モレキュラーシーブは完全な結晶ですから、水と接触しても潮解することがなく、高温にして脱水しても崩壊することがありません。
省資源・省エネプロセスの構築が可能です
モレキュラーシーブを用いた吸着による物質の分離精製は、蒸留による分離等と比べて温和な条件でのプロセス構築が可能なので、地球に優しい、省資源・省エネプロセスです。
吸着プロセスの設備費が安くなります
モレキュラーシーブは、脱水、精製プロセスに対する設備費をいろいろな点で低く抑えることができます。まず、吸着能力が高いので他の吸着剤に比べて吸着塔を小さくすることができ、建設費が安くなります。また、高温でも高い能力がありますので、他の吸着剤に必要な流体の冷却設備を除くことができます。さらに、一段で乾燥と精製が可能なので、設備費が安くなります。
操業費が安い吸着システムです
モレキュラーシーブは、長い寿命と効率の良い吸着システムのために、操業費は非常に安くすみます。他の吸収法などの湿式システムと異なり、腐食、廃液、公害等の問題がなく、しかも操作が非常に簡単です。