吸附材料之選擇

IPCC 研究指出，CCS 過程包括捕獲分離、輸送與封存三個部分，其 中捕獲分離即佔整個CCS 費用的 75%(IPCC, 2005； Feng et al., 2005]，

顯示選用適當的二氧化碳捕獲材料以降低 CCS 成本的重要性。而目前 捕獲 CO₂的技術當中，化學吸收是最常用於捕獲 CO₂的方法，然此方 法有吸收劑成本較高與易受到NO_X、SO_X等影響而劣化，而文獻中常被 探討還有吸附與薄膜兩大類技術，且被認為具有相當發展潛力之技術；

其中吸附技術由於具有吸附材料選擇性多、反覆吸/脫附時不易劣化與 操作溫度範圍大等優點，近年來成為各個研究群之研究重點[Aaron and Tsouris, 2005]。表 2-1 為文獻中常見用於捕獲二氧化碳的材料主要有多 孔性材料(如:活性碳、沸石及分子篩)、金屬氧化物(如: CaO)及鹼性陶土 (Li₄SiO₄、Na₂ZrO₃)等，而在這些吸附材料中，尤可見其吸附操作溫度 有很大的差別，故以下茲對操作條件為低溫與高溫之吸附材料進行概略 簡介。

表2-1 二氧化碳吸附劑之文獻彙整  

Temperature Materials Modified chemicals

Adsorption capacity g CO2/g sorbent

Adsorption

Conditions References

Low

(3-aminopropyl-triethoxysilane) 0.04

CO2:10%

(monoethanol amine) 0.04

CO2:15%

(Polyethylenimine) 0.11

CO2:99%

2.4.1 低溫吸附材料

根據文獻指出，具有較高之比表面積的吸附劑(如活性碳或沸石) 在常壓力能有良好之CO₂吸附效能；然而其吸附效能卻隨著溫度提升 而快速下降[Zheng et al., 2005]；由於在常溫或高壓的條件下進行 CO₂ 吸附測試時，物理性吸附為主要的吸附機制，因此其控制因子主要為 吸附材料本身的比表面積，然若應用於實廠煙道排氣口時，其實際操 作溫度條件約為50~80℃，則會導致吸附效能降低，故隨著測試溫度 的上升，吸附劑則需經由化學藥劑改質，以提昇其吸附效果；由表 2-1 文獻整理顯示，現今文獻中多利用大比表面積吸附劑，並於表面 處理(如 monoethanol amine, MEA 或 Polyethylenimine, PEI)後進行 CO₂吸附，然再藉由額外的加熱將CO₂脫附出來，而經胺基改質之吸 附劑其最佳是用溫度範圍約在 60-80℃，且亦能夠多次循環利用；圖 2-2 為 CO₂分子被吸附於經胺基改質之吸附劑的途徑，若在有水氣存 在的情況下，表面胺基能夠與 CO₂ 分子產生化學性吸附進而形成 RNH₃⁺；而在無水氣存在情況下，胺基則是與 CO₂分子產生化學性吸 附而形成RNHCOO^-與 RNH₃⁺ [Peter et al. (2006)]。

  圖2-2 CO₂分子於表面經胺基改質吸附劑之可能吸附途徑[Peter et al.,

2006]

2.4.2 高溫吸附材料 氣體形成碳酸鈣。其化學反應式如下[Stanmore and Gilot, 2005]:

2

Grasa and Abanades(2006)以天然石灰石進行二氧化碳反覆吸/脫附 實驗，結果顯示如圖 2-3。由圖顯示，利用氧化鈣吸附二氧化碳的過

重量變化趨緩。

由圖 2-3 顯示，隨著循環次數的增加，氧化鈣吸附二氧化碳的劣 化情形於前幾次循環中較為明顯，至後期後，劣化程度與重量變化漸 趨平緩，然其氧化鈣吸附量已經與理論吸附量相差甚遠，如此在實場 操作時，表示需投入更多的石灰石處理廢氣，成本上相對也會提高不 少。

考量氧化鈣應用於實場中，通常為處理瞬間大量的氣體，吸附反 應時間與吸附速率勢必須有所控制，故快速吸附段便為吸附二氧化碳 的重要部分。由於快速吸附段屬於氣相與固相之間的反應，其吸附量 與吸附速率主要取決於吸附劑之比表面積，比表面積越大可提供越大 的二氧化碳吸附容量，且延長快速吸附段的時間；但較大的比表面 積，卻可能同時也代表較低之吸附材密度與需要較大體積的反應器，

因此如何在兩者間獲得最佳的平衡，亦為研究重點之一。

圖2-3 石灰石反覆吸/脫附實驗之典型重量變化圖[Grasa and Abanades, 2006]