中孔介面之微孔洞自組裝修飾技術

刊登日期:2017/1/5
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基於有害化學物質零排放聯盟( ZDHC )於 2014年所發表之政策實施重點,以及民眾對食品安全、居住安全等意識的高漲,零排放或近零排放已不再是企業形象口號,而是全球減碳與永續資源的共同政策趨勢。廢水回收與零排放是政府目前高度重視的課題之一,其中低環境濕度的高固含量污泥的處理是相當重要的環節。然而,目前主要使用的熱乾燥技術會消耗龐大的電力成本,因此低能耗、低成本的環境水回收處理技術開發有迫切需要。

吸附式脫鹽( AD )技術是一項低能耗、低成本且可應用於水回收的技術,此乃利用吸脫附濃縮的概念,將淡水從廢水中蒸餾取得,因不需與廢水接觸,除可避免表面結垢、製水效率下降等問題外,亦可用於高濃度廢水之水回收,進而達到鹵水減量。工研院材化所藉由改良矽凝膠中空纖維結構設計縮減質傳區,並降低流體流經之壓損,不僅有利循環吸脫附之運用,可在6分鐘內將吸附水氣完全脫附。然而,現階段矽凝膠中空纖維的水氣吸收效率仍不足,需要進行進一步的材料結構改良。有鑑於此,本研究團隊設計一中孔/微孔複合材料來改善其水氣吸收效率,利用將微孔材料( MOFs, UiO-66-NH2 )修飾被覆於矽凝膠中空纖維之介面以提升其在低環境濕度之水氣吸收效率,整體製程概念如圖二所示。

圖二、矽凝膠中空纖維(SGHF)介面修飾MOF材料之流程
圖二、矽凝膠中空纖維(SGHF)介面修飾MOF材料之流程

 
在中空纖維的設計過程中,使用高解析度之斷層掃描儀( XCT )對中空纖維進行全面的掃描,解構分析中空纖維不同區塊之材質與孔隙度;利用 X光射源照射樣品時,其樣品的各部位 X光吸收率不同,可在不破壞樣品的狀況下進行成像、獲得高解析度三維影像。由樣品的三視圖(圖三(a))可知,此中空纖維外層較為緻密、內層為高孔隙度之結構,無論是緻密層或高孔隙度層,均由兩種材質所組成,其一為吸附水氣用之吸附材,另一則為成型所需之高分子聯結劑。對緻密層(I-1)與高孔隙度層(I-2),取 300μm × 300μm × 180μm 高之長方柱進行細部分析(如圖三(b)與(c)),可得到之資訊如圖四所示。
 
目前團隊技術可在水或乙醇環境下進行 MOFs奈米粒子(晶種)合成,合成之晶粒尺寸與型態可控制在次微米到 100奈米以下(圖五),並可利用循環被覆手法將奈米粒子晶種被覆於中空纖維開放性孔隙內,而不造成堵塞與微孔失活。考量熱穩定性與水氣吸附效益,以修飾有胺基的鋯基 MOFs( UiO-66-NH2 )奈米粒子作為晶種,於中空纖維分別進行①晶種被覆;②熱處理自組裝與③二次熱處理自組裝製程,並以 XCT、ICP-OES 與 Discovery TGA 瞭解矽凝膠中空纖維修飾 MOF前後之微結構與吸水性變化。

圖六、(a)修飾 MOF前後之中空纖維 XCT影像與吸收值分析示意圖;(b)不同被覆處理階段之 MOF於矽凝膠中空纖維上修飾量與對水氣之吸附量
圖六、(a)修飾 MOF前後之中空纖維 XCT影像與吸收值分析示意圖;(b)不同被覆處理階段之 MOF於矽凝膠中空纖維上修飾量與對水氣之吸附量

 
在 XCT 影像分析中可明顯看出,以循環被覆手法進行 MOF晶種被覆與熱處理自組裝後之中空纖維內側有較高之 X光吸收值;乾淨之中空纖維在修飾 MOFs( UiO-66-NH2 )前後之放射狀結構孔徑分佈與水氣吸附效益,如圖六所示。單純被覆修飾 UiO-66-NH2 晶種( MOF Seeds )之中空纖維,因修飾量較低且分散,在 XCT 影像中無法明顯判別;經熱處理自組裝( After Self-assembling )後,XCT 影像中可清晰見到…....以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:張芳卿、林子閎、鄭信民、徐樹剛、戴清智 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」361期,更多資料請見下方附檔。


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