金屬有機骨架多孔隙吸附材料應用於熱驅動吸附式系統

刊登日期:2016/7/5
  • 字級

隨著全球經濟發展,可以預期在未來十年,對於冷氣空調的需求將會顯著增加。由於能源消耗的增加,找到能有效地使用能源的方法更是當務之急。熱驅動吸附式系統是利用廢熱或太陽熱能來達成製冷或空調的需求,能滿足節省能源的目的。而熱驅動吸附式系統的效能、成本、操作生命週期則決定於關鍵吸附材料。本文將針對熱驅動吸附式系統之原理、市場、關鍵吸附材料做一介紹,並且討論新穎吸附材料—金屬有機骨架的技術困難點及突破方法。

熱驅動吸附式系統
熱驅動吸附式系統包含吸附式冰水機與吸附式熱泵兩類型,在台灣需要的是空調製冷;而寒帶國家則需要熱泵製熱。吸附式系統可分為兩大階段,一為吸附階段,另一則為脫附再生階段,如圖一所示。系統中的工作對包含吸附劑與吸附質,常見的吸附劑如矽膠、沸石、分子篩、活性氧化鋁等,而常見的吸附質(或稱工作流體)如水、甲醇、乙醇、氨等。不同的工作對具有不同的適用溫度條件、吸脫附熱量等特性。近年,投入在熱驅動吸附式系統產品開發的單位、產品、功率如表二所示。歐盟由於政策支持,熱驅動吸附式系統產業已迅速發展,尤其以德國為主要發展國家。

金屬有機骨架之特性及應用於熱驅動吸附式系統
熱驅動吸附式系統的核心材料為吸附劑,常見的吸附劑有矽膠、多孔碳材、沸石分子篩等,吸附材料的吸附特性及性能會左右熱驅動吸附式系統的效能、體積大小及建置成本。優異的吸附材料需具備低溫脫附再生、吸附率高、熱傳導性能佳等特性,而其中影響熱傳導性能的因素不光是吸附劑本質因素,尚包含吸附劑的型態以及和吸附床的結合方式。

多孔隙金屬有機骨架是近來十分熱門的材料,MOF 係一種由金屬中心與有機配位體建構而成的多孔隙晶體材料,此吸附材料的比表面積遠高於傳統吸附劑,因此可以大幅提升吸附能力。此外,藉由不同金屬中心與配位基的組合,可達到孔徑大小、孔隙度的可調性,在吸附、催化、分離等應用領域有很大的潛力。

圖二、MOF水氣等溫吸附曲線(25˚C)

金屬有機骨架所遭遇之技術困難點與現行突破方法
作為次世代吸附劑,多孔隙金屬有機骨架 MOF 具有前述許多優點。然而,如何增加此吸附材料的吸附穩定性,為近年來研究學者們所欲突破的問題。在水分子存在的情況下,MOF 的結構穩定性及吸附性能會受到影響而下降,導致在經過連續吸脫附後,吸附率遞減。此外,環境中的水氣也會和吸附質產生競爭吸附的現象,降低目標吸附質的吸附率。

影響MOF結構穩定性的主要因素,乃因結構中的金屬原子和環境中的水分子產生水解反應而使得 MOF 結構崩解。以MIL-100(Fe)為例,當 MOF 與水氣進行連續吸脫附時,MOF 結構中的鐵原子會與水分子反應生成氧化鐵(α-Fe2O3 ),不僅使得原本的多孔隙骨架漸漸崩解,此氧化鐵的生成也會堵塞孔洞,導致……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖三 金屬有機骨架內外親疏水性改質示意圖

作者:陳鈞振、沈昌逸、康育豪 / 工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」355期,更多資料請見下方附檔。


分享
為此篇文章評分

相關廠商