מחולל חמצן לשימוש תעשייתי תהליך חידוש הספיחה הנפוץ הוא ספיחה בתנופת לחץ (PSA). תהליך ה-PSA משנה בדרך כלל את הלחץ במהלך תהליך הספיחה כדי להשיג ספיחה וספיחה. תהליך ה-PSA הבסיסי הוא ספיחה בלחץ ופירוק בלחץ נמוך או לחץ אטמוספרי. ספיחה בתנופת לחץ בוואקום (Vacuum Press Swing Adsorption) VPSA) הוא תהליך ספיחה בתנופת לחץ הנספג בלחץ ונספג בלחץ נמוך (וואקום). זהו גם סוג של תהליך PSA ונמצא כיום בשימוש נרחב בייצור חמצן בתחום הפרדת הגזים.
עקרון תהליך של ייצור חמצן על ידי ספיחה בתנופת לחץ
על פי מנגנון ההפרדה של רכיבי גז על ידי ספיחה בתנופת לחץ, ניתן לחלק סופחים לסופחים סלקטיביים קינטיים ולסופחים סלקטיביים בשיווי משקל. הראשונה מופרדת על סמך ההבדל בקצב הדיפוזיה של מולקולות הספיח במיקרו-נקבוביות של הסופח, בעוד שהאחרון מופרד על סמך גודל הכוח של מולקולות האסורבט בנקבוביות הסופח. הסופח לייצור חמצן על ידי ספיחה בתנופת לחץ היא מסננת מולקולרית זאוליט. המסננת המולקולרית הזאוליט המשמשת לייצור חמצן כוללת בעיקר זאוליט מסוג X (כגון LiX, NaX, CaX) מסננת מולקולרית וזאוליט מסוג A (כגון CaA).
מסננת מולקולרית זאוליט היא גביש סיליקט נקבובי עם גודל נקבוביות בסדר גודל של הגודל המולקולרי. הוא קוטבי ושייך לספח סלקטיבי מאוזן. הוא מורכב בעיקר מחורי יונים ושלדי סיליקון-אלומיניום טעונים. תפקידם העיקרי של קטיונים במסננות מולקולריות זאוליט הוא להשלים את היעדר המטען החיובי של טטרהדרונים של תחמוצת אלומיניום המהווים את שלד המסננת המולקולרית. הקטיון משותף לטטרהדרון אחר של תחמוצת אלומיניום או תחמוצת סיליקון, המרחיב את החלל התלת מימדי של הסריג ליצירת מבנה כלוב תלת מימדי. לקטיונים בסריג יש השפעה של נקודות סריג חיוביות חזקות מקומיות, המושכות אלקטרוסטטית מולקולות קוטביות. מולקולות חמצן וחנקן לא קוטביות מייצרות מומנטים של דיפול תחת קיטוב, ולדיפולים המושרים המיוצרים יש השפעות ספיחה עם הדיפולים המובנים של הסופח. בתנאים איזותרמיים, כוח האינדוקציה של חנקן גדול מזה של חמצן. יכולת הספיחה של חנקן על ידי מסננת מולקולרית זאוליט גדולה מזו של חמצן. כאשר חמצן וחנקן עוברים דרך מיטת המסננת המולקולרית הזאוליט באותו זמן, מולקולות חנקן נספגות בעיקר, ומולקולות חמצן נספגות פחות. כך, החמצן והחנקן מופרדים, והחמצן הלא נספג מועשר ומופק כתוצר חמצן.
מסננת מולקולרית זאוליט מסוג X שייכת למערכת הגבישים האיזומטריים ובעלת מבנה זאוליט אוקטהדרלי מעוקב (FAU). שלד הסיליקון-חמצן ושלד האלומיניום-חמצן שלו זהים לאלו של זאוליט פאוג'זיט טבעי[28]. מבנה השלד FAU של מסננת מולקולרית זאוליט מסוג X מכיל שני מבני חלל תלת מימדיים. מבנה החלל הגדול הוא כלובים בקוטר נקבוביות של כ-13Å, ומבנה החלל הקטן הוא כלובים (סודליט או כלובים) בקוטר נקבוביות של כ-8Å.
באופן כללי, נפות מולקולריות סינתטיות בעלות מבנה פאוג'זיט (FAU) מחולקות למסננות מולקולריות מסוג Y (n(SiO2)/n(Al2O3)＞3.0) ומסננות מולקולריות מסוג X (2.{{8 }} פחות או שווה ל-n(SiO2)/n(Al2O3) פחות או שווה ל-3.0) לפי היחסים המולאריים של סיליקון-אלומיניום במסגרת השונות [n(SiO2)/n(Al2O3)] . היחס המולרי של סיליקון-אלומיניום של מסננות מולקולריות מסוג X (LSX) נמוך בין 2.0-2.2. בגלל יחס הסיליקון-אלומיניום המסגרת הנמוך שלו, יש לו יותר מטענים שליליים, ולכן יכולת חילופי הקטיונים שלו גדולה, צפיפות המטען גבוהה ויכולת הספיגה חזקה; במקביל, יש לו מבנה טופולוגי FAU, ויש לו נפח נקבוביות גדול וגודל נקבוביות של מסננת מולקולרית זאוליט מסוג X עצמה, ויש לו יכולת ספיחה גדולה. לכן, למסננות מולקולריות מסוג LSX יש ביצועי ספיחה מצוינים [30]. יון ליתיום (Li+) הוא יון המתכת בעל הרדיוס הקטן ביותר, בעל צפיפות מטען גבוהה מאוד ובעל יכולת קיטוב גבוהה.
לאחר שהמסננת המולקולרית 13X (NaX) משתנה על ידי החלפת Li+ כדי להפוך למסננת מולקולרית Li-LSX בעלת חילוף גבוה, מקדם הפרדת חנקן-חמצן ויכולת ספיחת החנקן משתפרים, וביצועי הספיחה הסלקטיביים טובים יותר. לכן, מסננת מולקולרית Li-LSX הפכה לסופח הטוב ביותר המוכר כיום בייצור חמצן בספיחת תנופת לחץ, והיא גם הסופח בשימוש הנפוץ ביותר בייצור תעשייתי בפועל.
תגיות פופולריות: מחולל חמצן לשימוש תעשייתי, סין מחולל חמצן לשימוש תעשייתי יצרנים, ספקים
