第二章 文獻回顧
2.6 中孔洞吸附材料吸附捕獲 CO 2 之研究
相較於屬於微孔洞材料的沸石，中孔洞材料提供了更大的孔徑與 比表面積以提升吸附量。而中孔洞材料中最受矚目的便屬 M41S 與 SBA 家族，表 2-5 即為各類中孔洞材料及沸石在未嫁接胺基時之 CO2
吸附量。另外，中孔洞材料其孔洞尺寸、型態可根據所需，改變前驅 物界面活性劑模板來改變，因此其孔洞尺寸可塑性大。Xu et al. (2003) 以 PEI (polyethylenimine)在 MCM-41 表面進行塗敷，於 75℃、常壓 下進行CO2吸附；研究結果顯示，在 PEI 含量 0 ~ 50 wt%時，CO2吸 附量隨著塗敷量上升，在 50 wt%時達到了每單位吸附劑之最高吸附 量123 mg/g-adsorbent。
而 Xu et al. (2005) 隨即將應用於吸附天然氣燃燒所產生廢氣中 CO2模擬測試，研究結果顯示其 CO2吸附效率可達 90 %以上，而吸 附容量則降至約 80~100 mg/g-adsorbent，其除了會受到 NOx 吸附之 干擾外，煙道廢氣中其他氣體之干擾幾乎可以忽略。Macario et al.
(2005)以自製的 MCM-41 與 MCM-48 並且以 Al、Fe、Cu 與 Zn 進行 金屬化改質於常溫常壓下進行 CO2 捕獲測試；文中提到，一維(1D) 柱狀孔洞結構的 MCM-41 對於 CO2吸附量則是高於三維(3D)立體孔 洞結構的MCM-48。而在經過金屬化改質後，由於金屬離子(如鋁)能 夠增加材料對於 CO2分子的親和力使得 CO2吸附量上升。此外相較
於純MCM-41，以鋁金屬化 MCM-41 對於 CO2能夠有更佳之選擇性。
Siriwardane et al. (2001) Jadhav et al. (2007) Chatti et al. (2009) Lee et al. (2002) Lee et al. (2002)
Siriwardane et al. (2001) Lee et al. (2002)
Lee et al. (2002)
表2-5 未經改質之各類吸附材吸附 CO2之相關研究
然而在其研究中則發現，在塗敷 EDA 後之 SBA-15 其對於水氣 之影響明顯減緩，並且同時提高了對於CO2之選擇性，對於日後之研 究發展亦提供了許多可能性。為了提升SBA-15 對於 CO2之吸附效能，
Yue et al. (2008) 以 TEPA(tetraethylenepentaamine) 以 及 DEA(diethanolamine)與未經段燒之 SBA-15 進行結合後進行 CO2吸附 測試，並同時探討 SBA-15 表面 Si-OH 官能基對於胺基官能基分散度 以及含量的影響。研究成果發現，表面 Si-OH 官能基能夠提升胺基之 分散度以及含量進行影響其對於 CO2 的吸附效能；並且在無 Si-OH 官能基存在時，表面之胺基以 2 個 N 的方式與 CO2進行結合，而在 Si-OH 官能基存在時，表面之胺基卻能以 1 個 N 的方式與 CO2進行 結合，因此能夠提升胺基N 的利用率進而提升對於 CO2的吸附效能。
Knofel et al. (2007) 則是以 SBA-16 與 TEDA 結合，在 27℃、
30 bar 下進行 CO2吸附，並同時與活性碳、NaX 沸石等進行比較。研 究數據指出，材料中若有過多含量的胺基會使胺基聚合在一起，導致 原先要與CO2進行結合的自由胺基大幅減少，因此吸附量下降。文中 亦提及，若材料中含有未完全移除的界面活性劑將會改變其吸附行為，
然而在研究中卻未釐清緣由。此外在文中提到，當材料表面的Si-OH 官能基與胺基進行反應會形成-SiO-與+H3NC3H6-Si-中間產物，此中間 產物會阻礙胺基與 CO2 分子之間的作用，使得吸附量下降。相較於
Yue et al. (2008)的研究中指出，SBA-15 表面 Si-OH 官能基能夠提升 胺基之分散度以及含量進而增進CO2吸附量，此處卻是提出相異的實 驗結果，也因此中孔洞材料表面的Si-OH 官能基存在與否與含量多寡 之影響需要再進一步探討。
除了 M41S 與 SBA 之外，亦有學者以 FSM 系列之中孔洞材料進 行 CO2捕獲測試，文中亦提及表面 Si-OH 官能基對於 CO2吸附效能 之影響。Knowles et al.(2005)將 APTES 塗敷於 HMS (Hexagonal mesoporous silica) 表面；APTES (3-aminopropyltrimethoxysilane) 是另 一種塗敷物質，於吸附材表面可提供-NH2官能基與 CO2鍵結在無水 的情況下形成ammonium carbamate 或在有水的情況下形成 carbonate，
測試結果發現其最高吸附量為70 mg-CO2/g-adsorbent。
表2-6 為各類中孔洞材料及沸石經胺基分子改質後之 CO2吸附量，
由上列之文獻回顧及表中可發現，多數文獻會透過有機胺基改質以增 加吸附量，能夠大幅提升中孔洞材料對CO2的吸附效能；然而在增加 胺基含量同時卻發現，過多的胺基含量則胺基之間彼此產生聚合，使 得原先應與CO2結合的自由胺基大幅減少，反而會導致吸附量大幅降 低。此外過多的胺基含量亦會影響 CO2分子在孔洞之間的傳輸行為，
使得吸附效能減低，原因為孔洞空間會大幅縮減。另外在不同測試溫 度下，亦會對胺基發揮化學吸附作用具有影響。
吸附材類型 改質劑 測試溫度,C 吸附量(mg/g) CO2 濃度 文獻來源 Silica gel-40 HMS-2
Amorphoussilica gel MCM-41 Knowles et al. (2005) Knowles et al. (2005) Knowles et al. (2005) Zelenak et al. (2008) Hiyoshi et al. (2005) Hiyoshi et al. (2005) Wei et al. (2008) Hiyoshi et al. (2005) Knowles et al. (2006) Harlick et al. (2006) Harlick et al. (2006) Yue et al. (2006)
MCM-48 TREN 25 70 >99 Bhagiyalakshmi et al. (2010)
MCM-41 TREN 25 60 >99 Bhagiyalakshmi et al. (2010)
表2-6 經改質之各類型吸附材吸附 CO2之相關研究