低濃度二氧化碳吸附材料技術開發：材料世界網

王允欣、吳家樂、朱仁佑 / 工研院材化所

大量二氧化碳排放導致嚴重的氣候變遷與全球暖化等問題，主要碳源來自大型化發電廠、鋼鐵廠及化工廠等點源，CCS技術是目前最有效達成減排的手段。近年來空氣捕獲議題也逐漸受到重視，可以藉由DAC技術去除大氣中的二氧化碳，以解決移動源的減碳問題。二氧化碳捕獲技術包括吸收、吸附、冷凍、薄膜分離以及生物法等，其中吸附法憑藉其低能源損耗、應用範圍廣泛、無設備腐蝕問題等優勢，被視為具有競爭力之減碳技術。而在二氧化碳捕獲材料開發方面，減碳效率、捕獲量、熱穩定性與操作成本等為主要參數指標，並且於應用端必須考慮到進氣氣源環境(如成分、壓力、流量、溫度)，透過最適減碳技術篩選，才能滿足終端使用者於高效、節能、低成本之減碳技術需求。

【內文精選】

二氧化碳捕獲技術概述

總覽二氧化碳捕獲(Carbon Capture)主流技術，大致分成吸收(Absorption)、吸附(Adsorption)、化學迴路(Chemical Looping)等三種方法。吸收法為目前業界主要採取之捕碳方式，選用的吸收劑為鹼性水溶液、胺類以及醇胺類等，相關技術發展純熟，屬商業化製程規模，為利用吸收劑與二氧化碳以逆流方式於吸收塔中接觸，兩者產生化學反應來達到二氧化碳捕獲目的，搭配熱蒸氣等方式進行材料再生，可處理低二氧化碳分壓之氣體，提供高二氧化碳捕獲速率。

常見的固體吸附型材料包括沸石(Zeolite)、固態胺吸附劑(Solid Amine Sorbent)。沸石材料的操作原理為物理吸附，利用二氧化碳與吸附劑之間的凡德瓦爾力或靜電力，達到二氧化碳捕獲目的，優點為穩定性佳、生命週期長，並且技術應用較為成熟，已具備商業化能力。固態胺吸附劑主要組成為矽基材與弱鹼性胺類分子材料，擁有高吸附量以及低再生能耗特性，同時水氣耐受度高，於商業化二氧化碳捕獲技術被視為具有高度應用潛力。

固體吸附材料效能與應用

吸附材料的選擇被視為相當重要的碳捕獲關鍵因素，一個好的吸附材料，先決條件是具備高吸附量(Capacity; >3 mmol/g @Flue Gas)與長時間穩定性(Long-term Stability)；並且一般石化業的排放氣體組成為12~16%二氧化碳、5~7%水氣、70~75%氮氣以及少量硫、氮化物等，因此吸附材料對於二氧化碳必須擁有高選擇性(Selectivity)，使回收的二氧化碳氣體為高純度等級(>85%)，以提升後續應用的經濟效益。然而除了吸附材料本身性能，成本問題也是實際應用的考量之一，每公斤的吸附材料成本低於50美元為當前市場化的公認目標；同時降低再生材料所需能耗，也能有效減少成本支出。

本實驗室以常見之13X(鈉型矽鋁酸鹽)以及5A(鈣型矽鋁酸鹽)分子篩顆粒型吸附材料進行二氧化碳捕獲性能測試，測試條件為濃度3,000 ppm、進氣流量1 L/min，並將吸附曲線結果繪製於圖一。可以明顯比較出13X分子篩的吸附性能優於5A分子篩，約4小時可以達到吸附平衡，為5A材料的4倍，這是由於13X材料具有較大孔徑(約10Å)、低矽鋁比例，以及具與二氧化碳有強靜電作用陽離子之故。

圖一、沸石材料於二氧化碳之吸附曲線

相較於分子篩材料的碳捕獲效率會因高溫環境(>40˚C)與水氣氛圍而受到顯著影響，固態胺材料已被證實即使在高溫煙道氣環境中(~60˚C)亦可展現高吸附能力，並且在濕氣存在下保持穩定，能克服目前沸石材料的應用瓶頸。目前固態胺材料根據製備方式可區分成三大種類，包括：含浸法(胺類材料藉由濃度差以及親和力等驅動力含浸至基材孔洞中，兩者之間的吸引力為凡德瓦爾力以及靜電作用力)、接枝法(基材表面藉由化學鍵結方式，進行胺基修飾)以及共聚物法(同樣是利用化學鍵結的方式將胺基與基材結合，但可製備高分岐胺類)。

固態胺材料效能以熱重分析儀進行碳捕獲分析，將微量樣品在氮氣氛圍中進行加熱，預先去除材料表面的水氣等雜質，而後降溫至吸附溫度，通入5~10%二氧化碳氣體進行吸附程序，藉由材料的重量變化計算二氧化碳吸附量，結果如圖六，與文獻結果相比，可提升2~4倍以上的吸附能力，並且脫附溫度低於120˚C，降低1/4操作能源損耗。根據二氧化碳連續吸脫附測試結果，本實驗室所開發之固態胺材料具有穩定的再現性特性，同時製備方法簡單快速，預期未來於低濃度減碳與直接空氣二氧化碳捕獲具有高度應用潛力 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。