吸附法

吸附（adsorption）是一種發生在氣-固相或液-固相間之界面化學現象。固體利用本身之 表面力，對流體中之物質產生親和力作用，使其附著於固體表面上，具此種表面力之固體稱 為吸附劑（adsorbent），被吸附的物質則稱為吸附質（adsorbate）。吸附過程中固體吸附氣體 系統能量降低趨於穩定，對外放熱，因此吸附為放熱程序；而吸附的逆程序稱為脫附

（desorption），為吸熱程序。一般而言，揮發性有機物的吸附熱比無機氣體分子的吸附熱大 數倍。目前商業化之活性碳的形態有粉狀、粒狀、球狀或圓柱狀及纖維狀四種，其中活性碳 纖維（Activated Carbon Fibers, ACF）由於體積小且置換容易，因此常被使用做空氣清淨機吸 附濾材，一般活性碳纖維之比表面積（Specific surface area）約 700~2300 m²/g，其優點為比 表面積大，細孔孔徑分佈較為均勻，吸附及脫附速度快。

吸附依其鍵結作用方式可以區分為物理吸附及化學吸附。物理性吸附發生時，吸附劑與 吸附質表面無電子之交換或共用，彼此組成無任何改變，其主要作用力為凡得瓦而力（Van der Waal’s force），倫敦擴散力（London-dispersion force）為凡得瓦而力主要來源。吸附劑與吸附 質接近時，其分子所帶之電子將產生連續波動，當原子或分子上之電子連續震盪時，將產生 迅速變動之暫時性偶極矩。具偶極矩之分子在接近固體表面時，會干擾其分子，使分子表面 之電子分佈波動，同時使固體表面分子產生暫時之偶極矩，造成吸附劑表面與吸附質分子形 成吸引力，此即物理吸附之倫敦擴散力的主要作用。活性碳吸附VOCs 大都屬於物理性吸附，

因物理性吸附屬於可逆性，吸附方式為吸附質附著於吸附劑表面上，而不介入固體晶格內，

因此只要降低 VOCs 濃度壓力或升高溫度，則平衡狀態即受破壞，吸附質因此可獲得較大能 量脫離吸附劑；但若是 VOCs 濃度壓力升高或降低溫度，則附著於吸附劑表面的吸附質數量 會增加。化學吸附亦稱為活性吸附，由於吸附劑表面與吸附質之間因親和力而產生分子軌域 的重疊作用，使吸附劑與吸附質產生化學鍵結，化學鍵結遠比物理吸附作用之凡得瓦而力強，

因此化學吸附的焓值較物理性吸附大。

影響吸附的因素相當多，主要為吸附劑種類、吸附質之特性及環境因子等因素：

（1）吸附劑種類

吸附劑特性影響吸附量極大，包含有比表面積、孔隙大小分佈、吸附劑的化學特性等。

比表面積為判定吸附劑之首要條件，比表面積愈大者提供之吸附位置愈多，其吸附能力亦愈 大，常用之活性碳其比表面積大都在500 至 1500 m²/g 之間。孔隙大小分佈亦會影響吸附，活 性碳飽和吸附量與直徑小於3.2 nm 之孔隙體積成正比。決定活性碳吸附能力之另一要因為孔 隙分佈情形，其分別顯現在高低蒸汽壓吸附。高壓吸附時發生多層吸附，此時孔隙大者佔重 要地位；低壓吸附時則是微孔的毛細管壁凝結較顯著。

吸附質之特性

（2）吸附質之特性

吸附質不同，吸附能力亦有差異，造成這些差異之主要因子為分子大小、沸點、官能基 及極性等。若吸附質之分子過大，其吸附速率較慢，且受吸附劑微小孔隙分佈及比表面積大 小影響，可擴散至吸附劑孔隙內之分子數將減少，而降低其吸附容量。但另一方面，分子較 大者，與吸附劑之凡得瓦而力亦較大，其吸附能力較強。吸附主要是微孔隙表面吸附質凝結 的現象，因此沸點愈高愈容易凝結，被吸附的潛能亦愈大。吸附質之官能基及極性會影響吸 附劑的吸附能力，活性碳表面為非極性，具有疏水及親有機的特性，極性的增加會使吸附劑 之吸附能力降低，而官能基可能與吸附劑反應，產生化學吸附之現象，造成不可逆反應。

（3）其他影響因子

影響吸附效果的因子很多，如溫度、相對溼度、吸附質濃度、吸附劑比表面積、吸附質 與吸附劑之物化特性（如吸附劑之極性、孔洞大小、形狀、化學添著等）、壓力損失、其他氣 體之競爭效應及氣體通過吸附劑流速等。吸附為一種放熱反應，溫度昇高時不利於吸附作用，

吸附量自然會下降。相對溼度愈大，則活性碳飽和吸附量愈低，因相對濕度影響質傳區長度，

質傳區愈長則愈易貫穿，通常在相對溼度大於50％時效應才較明顯。而當吸附質濃度低時，

相對溼度影響較大(Werner, 1985)。若水汽含量過高會促進氫鍵的形成，水分子的聚集亦會填 充吸附劑之微孔隙，降低吸附質被吸附的量。吸附質濃度愈高，則平衡之飽和吸附量愈大。

目前一般空調系統中，較少使用吸附型濾網，其設計容量須經適當評估，且其使用有效 期限一般不長，常需更換濾網。常使用之吸附劑如活性碳、矽膠、活性鋁、人造沸石、高分 子吸附劑等，活性碳是使用最普遍之吸附劑，其吸附一般揮發性有機物效果不錯，但對於較 低分子量之醛類(如甲醛)、硫氧化物、硫化氫、氮氧化物、一氧化碳及氨氣之吸附效果不佳。

化學性吸附劑會與吸附質產生化學反應，如高錳酸鉀為常見之添著劑，其會與甲醛、硫氧化 物及氮氧化物起反應。

在揮發性有機物濃度高時，吸附效果較佳，若濃度低時，去除效率較不顯著，吸附型濾 網均有一定吸附容量，若超過其吸附容量，不但無法去除污染物，反有形成二次污染之虞。

常見吸附型空氣清淨機配置如圖5.5 所示，空氣進入前(如圖直徑小之內圈為吸附材)，通常先 經除塵濾材(圖直徑較大之外圈為 HEPA 濾材)去除粒狀物，以避免粒狀物累積影響吸附效果。

圖5.5 吸附型空氣清淨機 5.2.6 臭氧

臭氧由三個氧分子所組成，為無毒、無色而有青草鮮味的氣體，其形成是因氧分子經過 紫外線的照射後分裂為兩個氧原子，而這兩個新產生的氧原子再藉由碰撞、吸附的原理與氧 分子結合，最後便產生臭氧。由於臭氧比氧氣多含有一個初生態氧原子（O），因此有極強的 氧化性，當遇到細菌、臭味或有機物時能產生氧化反應，達到清淨空氣之效果，目前人工產 生臭氧的方式有化學法、電解法、紫外線照射法、高壓放電法等。

室內臭氧濃度如果過高，亦會對人體健康造成危害，人體暴露於臭氧可能會有呼吸系統 過敏、誘發氣喘患者氣喘、呼吸道發炎等負面影響。臭氧與其他空氣污染物(如：氮氧化物、

懸浮微粒等)的加成作用，可能更加深對人體健康之危害。此外，室內臭氧易與與萜烯類化合 物(為精油及芳香劑之主要化學成分)產生室內化學作用，形成具刺激性的醛酮類產物及超細 微粒，對健康亦可能造成影響。臭氧空氣清淨機之使用應避免人員之暴露，若使用後亦應加 強通風以減少反應副產品暴露之機會。目前我國勞委會的勞工作業環境規範及美國勞工安全 衛生部(Occupational Safety and Health Administration，OSHA)對於勞工作業環境中臭氧濃度的 限制皆為8 小時平均容許暴露值(permissible exposure limit, PEL) 0.1ppm。由於臭氧空氣清淨 機使用具有健康風險，美國加州空氣資源委員會(California Air Resources Board)已頒布法令，

自2010 年 10 月以後加州將進行空氣清淨機認證制度，限制清淨機出風口臭氧濃度不得超過

除塵濾材

吸附濾材

0.05 ppm (ANSI/UL Standard 867 Section 37)。

5.2.7 光觸媒氧化

光觸媒氧化 (photocatalytic oxidation, PCO) 是利用光線能量作為空氣淨化機制的原動 力。光線照射激發二氧化鈦（TiO2）表層的電子（e^-）脫離，留下電洞（positive holes h⁺）， 電洞吸引水中的氫氧離子，變成極不穩定的氫氧根自由基（Hydroxyl Radicals）。為轉變成穩 定狀況，氫氧根會與有機化合物反應變成無害之 CO2、H2O 釋放至空氣中。二氧化鈦為半導 體的光觸媒，當使用波長小於385×10-⁹公尺的光源照射時可使其活性化，參與化學反應。常 假設的化學反應為：

OH^- + h⁺ → OH O2 + e^- → O2

-氫氧根和超氧離子(Super Oxide Ions)具有高活性，可氧化吸附在觸媒表面的揮發性有機 物。光觸媒氧化為新興處理技術，目前光觸媒氧化空氣清淨機並無檢驗標準，於室內空氣品 質主要在於氣態污染物之去除，但研究顯示目前之技術對於氣態污染物之去處效率並不高 (Henschel, 1998; Tompkins et al., 2003; Chen et al., 2005)。此外，光觸媒氧化之耗能相對較高，

且若無法將氣態污染物完全氧化成無害之 CO2、H2O，則有二次污染之虞，可能產生對眼、

喉及鼻腔有刺激性之副產品。一項研究顯示，含氯揮發性有機物經光觸媒氧化後，可能產生 光氣、氯化氫及氯氣等有害氣體(Blake et al., 1992; Alberci et al., 1998)。

5.2.8 紫外線殺菌照射法

紫外線光是電磁輻射，它比可見光的波長還短。UV 光被區分成不同的範圍：短波紫外 線(UVC)， 波長 280～200nm 被視為滅菌 UV 紫外線。UVC 可破壞微生物體 DNA 的分子鍵，

造成微生物體DNA 胸腺嘧啶二聚體(thymine dimers)的破壞，使微生物消滅，無害化、或是阻 止它們成長和再生。紫外線殺菌照射法（Ultraviolet Germicidal Irradiation, UVGI）係以高能量 UV-C 破壞微生物的方法。

人體暴露在消毒殺菌UV 波長下，可能導致曬傷，在某些情況下可能會導改皮膚癌，亦 可能會導致角膜疼痛、角膜曬傷、角膜炎，視網膜損傷、臨時性或永久性視覺損傷，嚴重會 造成失明，因此UVGI 使用時，須避免人員暴露。紫外線殺菌照射法設備應用於室內可分成 三大類：(1) 管道內照射 (2)空調循環照射 (3) 上部空氣照射。在管道照射系統中，紫外線燈 可放置在室內排氣回風管的管道內，如此可以在室內空氣循環使用時進行消毒。管道照射系

統設計時，最好使室內空氣氣流都能夠通過該管道，如此效率最高。使用房間上部空氣照射 時，UVGI 燈可懸掛在天花板之下或固定在牆壁上，遮住燈的下部，如此可以避免人員之暴

統設計時，最好使室內空氣氣流都能夠通過該管道，如此效率最高。使用房間上部空氣照射 時，UVGI 燈可懸掛在天花板之下或固定在牆壁上，遮住燈的下部，如此可以避免人員之暴