多孔材料應用於VOCs吸附

 

刊登日期:2017/5/5
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隨著工業發展,在人類追求舒適生活的同時,卻也不斷地對地球環境造成破壞,例如土壤污染、水污染、空氣污染。其中擴散速度最快、分佈範圍最廣的空氣污染問題,不僅影響居住環境和身體健康,甚至可能導致全球氣候變遷。因此,廢氣體處理技術日漸受到重視,尤其是針對工業廢氣中含有的揮發性有機化合物(VOCs)之處理。多孔材料最廣泛應用於VOCs氣體處理,以下將針對多孔材料(Porous Materials)的吸附(Adsorption)原理與特色作介紹。

吸附原理
氣體的吸附是一種發生在氣-固介面的濃縮過程,類似於蒸氣冷凝現象,按照吸附現象可分為物理吸附及化學吸附。物理吸附是透過吸附物分子與吸附劑表面之間微弱的吸引力(主要為凡得瓦爾力)將兩者結合在一起,彼此間沒有化學鍵結且組成不改變,物理吸附之作用力較小,吸附前/後其焓值變化與吸附質之凝結熱差不多,一般在40 kJ/mole左右,且物理吸附反應之活化能低,故反應速率相當快,很快可以達成吸附平衡,其為可逆反應。吸附形態可為單層或多層分子吸附。此外,當溫度升高或被吸附物之壓力下降,使吸附物分子脫離吸附劑表面且逸出,兩者性質不會改變。氣體吸附於多孔材料的過程可簡單分成三步驟,如圖一(a)所示。

圖一、(a)吸附過程示意圖;(b)吸附物濃度變化
圖一、(a)吸附過程示意圖;(b)吸附物濃度變化

吸附劑種類
1. 沸石
空氣污染物分子直徑大約介於0.4 nm到0.85 nm之間,而沸石的孔隙直徑可藉由結構中所含Al與Si的比例調整至0.3 nm至1.0 nm的範圍。這時直徑比孔道小的分子能進入空穴中被沸石吸附,而孔徑大的分子則不能進入空穴,也就是說可利用孔洞尺寸來篩選分子,因此又稱矽分子篩。

相較於其它多孔材料, 沸石的吸附量並非最高,但沸石是目前最常用於處理VOCs氣體的吸附劑,主要是因為沸石有以下幾個優點:①適用濃度範圍較大;②沸石耐熱穩定高;③對極性、非極性、低沸點及高沸點之揮發性有機化合物均有良好的吸附效率;④脫附/吸附物質容易。

3. 氣凝膠
氣凝膠(Aerogel)常使用金屬烷氧化物為前驅物,經水解和縮合後製作濕凝膠後,再經過超臨界乾燥或常壓乾燥將濕凝膠中的溶劑去除,得到奈米級網狀多孔結構,製備流程如圖四。藉由製程參數控制最終的比表面積和孔徑尺寸,一般孔徑尺寸範圍1~100 nm、比表面積可達500~1,000 m2/g,其孔隙率可達99%以上,是目前所知密度最小的固體材料。氣凝膠除了使用金屬烷氧化物也可使用有機物為前驅物製備,而在VOCs吸附研究中集中在碳氣凝膠和氧化矽氣凝膠。

圖四、氣凝膠合成步驟
圖四、氣凝膠合成步驟

4. 金屬有機框架
金屬有機框架(Metal Organic Frameworks; MOF)多孔性材料是一種新興的高結晶性有機/無機複合錯合物,基本上由兩個主要成分組成:金屬離子(或金屬離子簇)和作為連接的有機配位基,主要藉由水熱法使金屬離子與配位基自組裝而成,如圖五(a)所示。與沸石類材料相比,MOF材料具有許多優點,首先沸石需要有機或無機模板來合成;然而,在MOF的情況下…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:廖泓洲 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」365期,更多資料請見下方附檔。


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