吸附法

2.1.1 吸附法

吸附也屬於一種傳質過程，物質內部的分子和周圍分子有互相吸引的 引力，但物質表面的分子，其中相對物質外部的作用力沒有充分發揮，所 以液體或固體物質的表面可以吸附其他的液體或氣體，尤其是表面面積很 大的情況下，這種吸附力能產生很大的作用，所以工業上經常利用大面積 的物質進行吸附，如活性炭、水膜等。吸附過程有兩種情況：(1)物理吸附 (Physical adsorption 或 physisorption)，物理吸附吸附體(adsorbate)藉凡得瓦 力(van der waals force)吸附在物體表面上稱物理吸附。由於作用力為超距 力，因此在較高壓力下，可形成多層吸附。吸附體的物理吸附能較低，約 小於0.5eV/atom，與其氣相原子凝結熱相當，在吸附過程中物質不改變原 來的性質，因此吸附能小，被吸附的物質很容易再脫離，如用活性炭吸附 氣體，只要升高溫度，就可以使被吸附的氣體逐出活性炭表面。(2)化學吸 附(Chemisorption)，化學吸附可視為吸附體分子與物質表面原子，藉著一 個或多個電子軌道的重疊，而進行的一種化學反應。化學吸附有極高的方 向性，一般限制在表面單層。化學吸附鍵能很高，與自由分子中的主要化 學鍵結能相當，因此吸附能較大，要逐出被吸附的物質需要較高的溫度，

而且被吸附的物質即使被逐出，也已經產生了化學變化，不再是原來的物 質了。由於表面位置並非完全相同，原子在表面上的吸附熱，會隨著氣體

吸附量的增加而減少，一般催化劑都是以這種吸附方式起作用。

1.物理吸附法

此法是以碳素系及 zeolite 固體吸附劑來吸著二氧化碳，依其再生操作 方 式 大 致 分 為 三 種 ， 一 為 以 變 化 壓 力 的 變 壓 吸 附 法 (Pressure Swing Adsorption, PSA)法來達到吸脫附二氧化碳；另一為採用溫度變化的變溫吸 附法 (Temperature Swing Adsorption, TSA)法來進行吸脫附二氧化碳，有時 也可採用兩種方式的組合型態來吸脫附二氧化碳，如變溫變壓吸附法 (Pressure Temperature Swing Adsorption, PTSA)；其他的尚有真空變壓吸附 法(Vacuum Swing Adsorption, VSA)和低電壓電流再生吸附法(Electrical Swing Adsorption, ESA) 法。ESA 是對吸附物通以低電壓的電流再生，但 此法業界較少使用。物理吸附法的優點是操作較簡單及維修容易，但是其 缺點是需先對在廢氣中之 SOx 及水氣等做前處理，以避免這些氣體毒害 吸附劑，且因吸附劑吸附二氧化碳效率低，通常需加裝二段以上之吸附系 統以增加二氧化碳的吸附量，因此目前大處理量之實際應用案例少，應用 範圍較窄。目前工業上用來進行 CO₂與氫氣分離之分子篩以 13X(zeolite) 最多，其性質如表2-3 所示。13X 的沸石是指 X 型晶體結構的鈉型，是一 種鹼金屬銈鋁酸鹽。這類X 型的分子篩，具有較大的孔徑，能吸附臨界直 徑小於10A 的分子，同時也具有較高的吸附容量，以及較佳的質傳速率。

它的用途有稀有氣體跟氫氣等氣體的乾燥、深冷法設備中脫除水份與二氧 化碳、液態碳氫化合物與天然氣的脫硫和用作催化劑載體。以下分別為變 壓吸附法吸附法及變溫吸附法的介紹：

(1). 變壓吸附法吸附法

變壓法提純或分離單元是根據恆定溫度下混合氣體中不同組份在 吸附劑上吸附容量或吸附速率的差異以及不同壓力下組分在吸附劑上 的吸附容量的差異而實現的，由於採用了壓力漲落的循環操作，強吸附 組份在低分壓下脫附，吸附劑得以再生；吸附劑的使用壽命一般為十年 以上，所以PSA過程基本是無原料消耗過程。

(2). 變溫吸附法

變溫吸附法或變溫變壓吸附法是根據待分離組份在不同溫度下的 吸附容量差異實現分離，由於採用溫度漲落的循環操作，低溫下的被吸 附的強吸附組份在高溫下得以脫附，吸附劑得以再生，冷卻後可再次於 低溫下吸附強吸附組份。確定是否採用吸附法分離的主要依據為待分離 物和吸附劑之間的吸附關係，如圖2-3所示在不同溫度下T₂、T_A、T₀和 T₁的氣體吸附量隨壓力及溫度變化的情形︰對於污染排放物如果P_A與 P₀的吸附容量差別較大，則可考慮PSA技術；若污染排放物於T₂與T₁間

表2-3 13X沸石性質介紹

性能 單位

形狀 球

標準孔徑 (A) 10

直徑 mm 3.0-5.0

粒度 % ≥ 96

堆積密度 G/ml ≥ 0.60 磨耗率 % ≥ 0.20 抗壓强度 N ≥ 60/p

静態水吸附 % ≥ 25

二氧化碳空氣處理量 NL/g ≥ 14 二氧化碳吸附量 g/g ≥ 17.5

包裝水含量 % ≥ 1.5 吸附分子 有效直徑＜10A的分子 排出分子 有效直徑＜10A的分子

參考資料：陳君豪(2001)［38］

圖 2-3 氣體吸附量隨壓力及溫度變化的情形 參考資料：陳君豪(2001)［38］

2.化學吸附法

利用 CO₂跟吸著劑表面伴隨的化學反應來捕獲CO₂，以從混合的煤氣 中分離CO₂。

(1). 無機鹼

CO₂呈弱酸性因此能和固體的無機鹼產生反應，捕捉CO₂後會產生 碳酸鹽或碳酸氫鹽，如(4)和(5)式。

2MOH + CO2 U M2CO3 + H2O M =Li、Na、K等等 (4)

M(OH) ₂ + CO₂ ^UMCO₃ + H₂O M =Mg、Ca等等 (5)

但這些產生的碳酸鹽如果要再生使用需要使用高溫來分解(分解溫 度最低的MgCO₃的分解溫度600 )℃ ，再生鹼需要大量的能量所以並不實 用。另外氫氧化鈉及氫氧化鉀易受潮，也因此使得這些固體的處理更加 困難，如果能有效的利用廢熱來進行再生工作，則可大幅減少能量的消 耗；利用生成的碳酸鹽、CO₂和水一起反應成碳酸氫鹽也是可行的如(6) 式。

M2CO3 + CO2 + H2O^U2MHCO3 M =Li、Na、K等等 (6)

這些的反應與下面敘述的熱碳酸鉀法相同，不過熱碳酸鉀法是使用

碳酸鉀的水溶液作為吸收液。因為固體的碳酸鹽或碳酸氫鹽易受潮導致 體積膨脹，這些固體鹽若直接用於CO₂的回收使用，在吸附塔建造的工 藝方面將有困難且不實用。如果能在多孔隙材料的細孔上保持像這樣易 受潮的固體鹽，則可能能迴避有關吸附劑本身受潮的問題。至少直接使 用固體的無機鹼鹽進行CO₂的捕捉和分離被認為目前工藝上有所困難。

(2). 固體胺

如果將無機的強鹼鹽改變，而使用弱鹼性的胺來替代的話，能使捕 捉的CO₂更為容易再生分離。因為在太空站和潛水艇等封閉的空間中，

由於人類長期間的逗留所產生的CO₂，就是利用固體胺的方法來去除空 氣中的CO₂。這些固體胺和適度的水分共存下能捕捉CO₂，在100℃左右 的水蒸氣加熱下或者減壓下，因為外部加熱使捕捉到的CO₂又被分離。

吸附能力是看吸附劑重量。像這樣固體胺在有水蒸氣存在下使用100℃

以上的高溫，便能使胺基分解而能將CO₂回收分離，因此在吸收CO₂時 儘可能要在低的溫度下使用。目前該方法只適用於小流量系統的階段

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