陳鈞振、李偉智、謝宗霖、王翰奕、盧勁宏／工研院綠能所
高性能的水氣吸附劑應用於吸附式乾燥設備需兼具可低溫脫附、並於低濕環境仍有高水氣吸附率之特性。傳統的水氣吸附劑無法同時滿足上述要求，4A沸石於不同相對濕度下，其水氣吸附率變化不大，符合低濕吸附的需求，然而其脫附溫度卻高達160˚C；矽膠與活性氧化鋁可分別於較低之80˚C與120˚C脫附，但其水氣吸附率受環境相對濕度的影響很大，因此較適合用於高濕環境。本研究製備之ITRI-MOF吸附材料，以80˚C/30 min之條件脫附後，於25˚C/30% RH低濕與25˚C/80% RH高濕之條件吸附，可分別獲得約33wt%與35wt%的水氣吸附率，顯示其同時具備可低溫脫附、並於低濕環境仍具有高水氣吸附率之特性。此類吸附材料具有相當大的潛力，可應用於吸附式乾燥設備。
【內文精選】
前 言
吸附劑(Adsorbent)為工業基礎材料，廣泛應用於乾燥除濕、氣體分離、化工製程、環境淨化、感測等產業。吸附材料之再生溫度高低、吸附率多寡、吸脫附循環穩定性等，皆會影響吸附材料應用於系統載具之能源使用效率。壓縮空氣、電、水和蒸汽為工廠四大基本動力源，且由於台灣為半導體工業重鎮，高科技廠房皆需極低濕(<30%RH)製程空氣，然而提供低濕製程空氣之壓縮空氣系統非常耗能，故本研究聚焦於開發高性能水氣吸附劑應用於壓縮空氣吸附乾燥設備，期能進一步降低工業能耗。
提供低濕乾燥空氣之壓縮空氣乾燥設備流程如圖一所示。當外界空氣經過空氣壓縮機後，會處在濕度高於80%RH的狀態，此時先經由冷凍乾燥機移除壓縮空氣中大部分的水分，將濕度降至約30%RH左右，再經由吸附乾燥機移除殘餘水分(達露點-40˚C以下)以符合製程需求。
圖一、壓縮空氣乾燥設備流程示意圖
新型吸附劑之技術特色
新型吸附劑金屬有機骨架(MOF)為近年來最被看好、可解決這些問題的吸附劑。MOF雖具有高比表面積、高吸附率、低脫附溫度等優良材料特性，但實際應用仍存在關鍵問題，以至於尚未大量商業化應用。本研究之創新低耗能金屬有機骨架吸附劑技術，目的在開發一低濕條件下，且有高水氣吸附率與低溫再生(Low Temperature Regeneration)脫附能力，同時兼具高吸脫附循環穩定性之吸附劑。
MOF是由無機金屬中心與有機配位體鍵結而成，因此在吸脫附循環穩定性方面，不如全由無機元素所構成的傳統吸附劑。要解決此問題，必須深入了解水分子對MOF結構之影響，設計出強健的金屬與配位體之鍵結，才能抵擋水解反應對孔洞結構所造成的破壞。因此，工研院團隊進行了一系列的基礎研究，包括MOF結構的水解機制、軟硬酸鹼理論、立體障礙(Sterics)效應、金屬離子與水分子的交換速率等，透過基礎研究深入了解MOF合成設計瓶頸，藉以提出MOF設計的創新解決方案。本研究的材料設計策略為利用MOF孔洞大小可調控之特性，合成出孔洞大小約為6Å之MOF，此孔徑能容納水分子（大小約3Å），且因孔洞比傳統吸附劑大（沸石孔洞大小約4Å），凡得瓦爾力較小，有利於低溫脫附。為增強低濕下的吸水率，則在配體上植入親水性官能基。
技術之卓越性
經實驗結果證實，本研究所開發之ITRI-MOF吸附劑，於低溫80˚C再生下，其吸水率於低濕下(10~30%RH)可達到傳統吸附劑之6倍以上，其材料特性優於國際同類商品。而在材料吸脫附循環穩定性測試方面，ITRI-MOF經吸脫附1,800次後，吸水衰退率<10%，具高度穩定性；且由熱重分析顯示，ITRI-MOF可耐溫400˚C以上。此外，為了驗證ITRI-MOF於壓縮空氣乾燥設備之節能效益，工研院團隊建立壓縮空氣乾燥機測試雛型機，如圖十所示。將ITR-IMOF粉體經造粒3~5 mm後填充於此雛型系統，並與市售競爭產品進行能耗比較。由傳統活性氧化鋁與本研究ITRI-MOF之性能測試結果可知，其耗能指標分別為0.214與0.160 kW/CMM，節能率可達25.2%，已具有相當應用潛力，如表二所示。
圖九、ITRI-MOF之熱重分析（熱穩定性高達400˚C以上）
表二、吸附劑能耗比較
商業化應用與市場機會
吸附劑為工業基礎材料，廣泛應用於各種產業。本研究藉由開發低耗能MOF吸附劑，以優異MOF材料特性提升除濕乾燥設備性能，並帶動相關產業升級。若以ITRI-MOF取代現有傳統吸附劑用於低濕乾燥設備，經由雛型設備驗證其節能效益為25%，每年節能潛力高達6.7億度電。此外，台灣長期以來產業所使用之吸附劑均仰賴進口，本研究藉由技術累積促使我國吸附劑產業從代理走向自主研發。依據市場調查，2016~2024年全球MOF市場年複合成長率高達47.2％，如圖十一所示…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》415期，更多資料請見下方附檔。