中空纖維吸附材料應用於環境氣體污染防治

刊登日期:2017/1/5
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工業化社會提供人類便利的生活,卻也帶來了一連串環境污染現象,例如大氣污染、土壤污染、水污染等,不僅破壞了地球生態、危害到人類居住的環境,更會造成嚴重的健康問題。
 
二氧化碳減量議題
以二氧化碳為例,目前全世界所使用的能源來源約有80%來自於煤炭、石油以及天然氣等石化燃料,產生了超過 70%的全球二氧化碳排放。根據聯合國世界氣象組織( WMO )資料,大氣中的二氧化碳濃度已於 2015年突破 400ppm大關,並於 2016年逐漸攀升中,如圖一所示。嚴重的溫室效應導致氣候暖化以及氣候變遷等問題,也因此二氧化碳議題近年來逐漸為國際間所重視。聯合國氣候變化綱要公約第 21次締約國大會已經在 2015年 12月 12日於法國巴黎召開( COP 21 ),全球總計 195國的談判代表通過「巴黎氣候協定」,這是史上第一個阻止氣候變遷的全球協定,並於 2016年 11月 4日生效。目標是將全球平均氣溫升高幅度控制在攝氏兩度以內。
 
揮發性有機氣體空污防治
另一項對人體健康具重大危害的空氣污染物則非揮發性有機物質( Volatile Organic Compound; VOC )莫屬,主要來源為石化業、半導體業、汽車表面塗裝業、PU合成皮業等製程中所使用的有機溶劑,藉由逸散方式或者是排放途徑進入大氣中。VOCs 一般定義為在標準狀態下(20˚C,760mmHg),蒸氣壓大於0.l mmHg以上之有機化合物,而又依據世界健康組織的定義,VOCs為沸點介於 50~100˚C 與 240~260˚C 的有機物質。常見的揮發性有機物質可依種類簡單區分成下列五項:直鏈揮發性有機物、苯環揮發性有機物、含氫氧鍵揮發性有機物、含氮有機化合物以及鹵烷類等。
 

圖三、物理性吸附機制圖
圖三、物理性吸附機制圖

 
中空纖維吸附材料技術與應用
中空纖維吸附材料最初於 2005年由英國巴斯大學所提出,至目前為止已有 10年以上的發展歷史。透過材料配方設計與製程方式,首度以高分子材料取代吸附劑常用的無機黏著劑,在高固含量( 90 wt.% )的條件下仍可保有高分子的可撓特性,並形成特殊珊瑚多孔結構,使分子篩材料均勻分布其中(圖六)。同時透過高分子脈絡網路,讓氣體分子可直接並迅速到達材料中的吸附位置,提供一極低質傳阻力之吸附材料。

與傳統顆粒吸附劑以及蜂巢結構材料相比,中空纖維吸附材料不僅具有高比表面積( >2,500~3,500 m2/m3 )與高孔隙率(50%~80%),其吸附量更是比傳統材料高出 2~3倍之多,加上低壓降特性,透過壓力、溫度等條件調控(PSA、TSA、VSA),達到快速脫附目的並長時間穩定操作,經由相關實驗結果證實可節省20%~30%操作能耗,因此在應用上可以有效降低裝置尺寸與相關成本支出,有效解決目前商用吸附劑所面臨到的種種問題,實為一具有高度發展潛力之氣體處理技術。中空纖維吸附材料詳細特性比較如表一所示。

透過中空纖維材料之快速吸脫附效率特性,可廣泛應用於不同二氧化碳濃度範圍(ppm~%等級),從圖七中可以觀察到中空纖維的---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖七、中空纖維吸附材料之二氧化碳吸附曲線圖
圖七、中空纖維吸附材料之二氧化碳吸附曲線圖

 
作者:王允欣 / 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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