陸建宇、蔡捷伃、吳嘉文 / 台灣大學化學工程學系
前言
近年來，因全球平均溫度上升和海平面上升(由溫室效應和冰層融化引起)導致的氣候變化問題已引起廣泛關注。在2021年11月的COP26氣候變遷大會上，為了確保全球氣溫上升幅度不超過1.5度的臨界值，參與成員簽署了《格拉斯哥氣候公約》(見圖一)，以控制全球氣溫。協議的一個關鍵是與二氧化碳有關的，包括2030年的減排目標和2050年實現淨零碳排放的目標。因此，二氧化碳的分離、捕捉和儲存將在未來變得至關重要。
依據圖二的情況，太陽光線照射到地球表面時，一部分能量被地殼吸收，而大部分能量則通過反射或輻射回到太空中。然而，存在的二氧化碳能夠吸收原本要反射回太空的能量，將其保留在地球大氣層中，這有助於保持地球氣候相對溫暖。然而，自工業革命以來，由於人類大規模排放二氧化碳，導致地球溫度持續上升，並引發了極端氣候事件。因此，減少碳排放以及發展二氧化碳捕獲和儲存技術變得至關重要。在這種情況下，我們希望研發具有高分離效率的MMM薄膜，以使合成的MMM薄膜能夠有效地從煙道氣中分離出CO2，使其與其他成分分開。
目前CO2的分離有許多不同的方式，像是物理吸附、化學吸附、薄膜分離，以下將介紹各種CO2分離的方法。
DAC
目前，各方正在努力開發碳捕獲與儲存(CCS)技術，以減少來自重要來源如燃煤發電廠的CO2排放。然而，僅僅減少排放還不足夠；還需要捕獲已經累積在大氣中的CO2。因此，捕獲大氣中的CO2的負排放技術變得至關重要。特別是，直接空氣捕獲(DAC)，由Lackner於1999年提出，代表了一種新穎的氣候變化減緩方法，通過降低大氣中的CO2濃度，實現淨負排放。
氣體分離技術
當我們希望從空氣中捕獲二氧化碳(CO2)時，氣體分離方法可將CO2從空氣中分離出來，然後我們可以收集這些CO2。目前，最常用的成熟氣體分離技術包括吸收、吸附、低溫分離和薄膜分離。圖三顯示了各種分離技術用於分離CO2的方式，我們將討論在DAC中常用的技術：化學吸收、物理吸附和薄膜分離。
1. 化學吸收
目前，化學吸收法是二氧化碳(CO2)捕獲中最廣泛使用的方法，其過程如圖四所示。它包括吸收塔和脫附塔。氣體首先進入吸收塔，其中CO2與液體吸收劑反應並被捕獲。隨後，含有CO2的吸收劑進入脫附塔，並加熱以再生吸收劑並釋放CO2，我們可以獲得高濃度的CO2。這種方法通常使用鹼性溶液、胺類、胺類醇、離子液體和其他水溶液作為吸收劑。化學吸收的優點是其具有大容量，可以處理大量的氣體；然而，化學吸收的缺點是所使用的吸收劑具有腐蝕性，可能導致設備腐蝕。此外，一些吸收劑可能會揮發到大氣中，導致環境污染。
圖四、化學吸附捕捉CO2
3. 薄膜分離
薄膜分離是一種利用薄膜來分離兩種不同氣體的過程，薄膜分離的示意圖如圖六所示。在操作過程中，空氣流過進料部分，而透析部分處於真空狀態。大氣中的CO2可以選擇性地穿過薄膜到達下游，從而實現高濃度二氧化碳的收集，最常見的薄膜是聚合物薄膜。
薄膜分離的優點在於操作簡單且能源消耗較低(無需熱解吸)；而薄膜分離的缺點是薄膜的操作溫度範圍相對較低，使其不太適合高溫下的CO2捕獲。此外，薄膜具有透過性和選擇性的權衡效應，這將限制聚合物薄膜的效率。通常情況下，我們會使用2~3個模組串聯以提高薄膜分離過程中的氣體純度(見圖七)。
圖七、透過膜分離的四個階段實現CO2碳捕獲過程的示意圖
薄膜分離技術
薄膜分離技術在分離技術中得到了廣泛應用。如今，我們可以在生活中看到許多薄膜產品，例如水處理、燃料電池和鹽度梯度能量生成。薄膜技術應用於 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。