薄膜科技的應用：21世紀的新森林–氣體分離薄膜|最新文章

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薄膜科技的應用：21世紀的新森林–氣體分離薄膜

97/09/10 36150

胡蒨傑｜南亞技術學院化學工程與材料工程系／中原大學薄膜技術研究發展中心

魏大欽｜中原大學化學工程學系／中原大學薄膜技術研究發展中心

森林和人類的未來

自有歷史以來，人類不斷追求實現舒適生活的夢想。隨著科技發展，人類的生活快速變遷，已可直接進出地球以外的太空，而且還能坐在客廳裡觀賞電視播放其過程。通訊產品和電腦相連，讓我們坐在家裡便能和全世界聯繫，也可在家裡完成工作、購物等各種活動。這些在20世紀出現在科幻小說或電影中的情節，現在已逐漸在生活中實現。

科技發展帶給人類舒適便捷的生活，也促使人類貪婪無止境地使用地球資源，資源的過度開發和使用已超過地球可忍受的程度，因此逐漸喪失地球環境平衡，大自然的反撲也隨之而來。近年來地球環境急遽變化，全球自然災害發生頻率增高，人類的生活受到巨大影響。因此，如何在實現夢想和維護地球環境之間取得平衡，是需要深刻省思的課題。

回顧人類歷史，地球氣候的變遷是數千萬年來持續發生的自然現象，但今日人類的活動卻嚴重地影響地球氣候。近年來，由於經濟活動快速成長，製造的化學品和產生的空氣污染物，正以空前未有的速度改變大氣結構。

工業革命以來，人類普遍使用化石燃料並濫伐森林，造成二氧化碳、甲烷、氟氯碳化物等氣體大量排放進入大氣，攫住了應該散發到太空中的熱，導致地球平均溫度上升。全球溫度上升會使海平面升高，改變氣候和降雨量。區域性氣候變遷會改變森林、農穫量和水供應量，威脅整個生態體系，沙漠也會向現存的平原擴展，使可利用的土地減少。

獲得 2007 年諾貝爾和平獎的聯合國跨政府氣候變遷專門委員會（IPCC），2007 年 11 月在西班牙瓦倫西亞發表一份措詞嚴厲的報告，指出 2100 年全球氣溫會上升攝氏 1.1 到 6.4 度，海平面可能上升近 60 公分。而只要氣溫上升 1.5 到 2.5 度，就會有大約百分之二十到三十的動植物瀕臨絕種危機，一旦上升 4 度，將造成物種顯著滅絕。就算世界各國每年花費數十億美元，全力減少二氧化碳排放量，效果仍然有限，氣候變遷已「急遽且不可逆轉」。而氣候變遷造成的食物短缺、乾旱、沿海地區洪災和強烈暴風，可能威脅近 10 億人口。

地球本身有自淨的能力，地球自淨最重要的工具就是森林，人類要解決溫室效應的問題須仰賴森林，因此森林和人類的未來息息相關。但森林的復育需要土地和時間，以目前大氣環境變遷的速度，要利用森林解決溫室效應的問題已是不可能達成的任務。除了森林之外，是否還有其他的解決辦法？

本文介紹一種新的工具，那就是21世紀的新森林－－氣體分離薄膜。

新森林的誕生

「薄膜氣體分離」是利用薄膜分離氣體的低耗能技術。薄膜是一種很薄且有選擇性的障礙層，不同氣體依本身的特性，穿透薄膜的能力不同，因此薄膜能有效篩選氣體而呈現出分離氣體的功能。

薄膜最重要的性質在於它能控制不同物質的透過能力。目前多使用溶解－擴散模型來描述氣體在薄膜中的透過機制，這個模型假設氣體先溶入薄膜，接著由於濃度差使氣體藉由擴散通過薄膜。薄膜對氣體的喜好程度（溶解度）取決於氣體和薄膜的化學結構，氣體分子大小和薄膜中孔洞尺寸則決定氣體通過薄膜的難易度。依據溶解－擴散模型，只要控制薄膜對氣體喜好程度（溶解度）的差異，以及氣體在薄膜中通過難易度的差異（擴散係數），便可利用薄膜輕易地把特定氣體自氣體混合物中分離出來。

清新空氣的創造者

人能夠活著全憑一口氣，這口氣是什麼呢？那就是氧氣。現代人的生活由於運動量不足、大氣污染和住所空氣流動性不良，已陷入慢性的氧氣不足狀態。當氧氣不足時，體內各細胞無法獲得充分的氧，這是引起疾病的主要原因。當人體感覺「身體倦怠、疲勞」時，大多是因為氧氣不足所致，若能把30％高濃度的氧氣送入人體內，氧分子和血紅素結合後隨血液循環遍行全身細胞，把細胞代謝的疲勞之源－乳酸分解，便可維持身心健康舒暢。

富氧薄膜能夠供應各種濃度的氧氣，目前富氧薄膜已可安裝在冷氣機中，提供氧氣濃度35％的空氣，使人們在室內長時間工作較不會感覺疲勞。目前這類薄膜多使用橡膠態高分子為材料。富氧環境隨著功用不同，所需氧氣濃度有很大差異，經由薄膜結構的調整，富氧薄膜很容易就能滿足各種應用的需求。富氧薄膜也可用於氧氣純化，相較於傳統氧氣純化方法，富氧薄膜可大幅降低能源消耗。

大氣環境的救星

大氣環境中的二氧化碳除了由自然界生物呼吸產生之外，主要來自石油、天然氣、煤炭等燃料的使用。燃料燃燒時，燃料中的碳元素和空氣中的氧反應生成二氧化碳。要減少二氧化碳的排放，最簡單的方法就是節約能源，開發並使用高能源效率的產品也是解決之道。另外，使用含碳量低或無碳的再生能源，如風能、太陽熱能和太陽光電、生質能、地熱、水力等，對減少二氧化碳的排放也有幫助。

上述的各種方法雖然對減少二氧化碳排放有所貢獻，但仍無法把二氧化碳的排放量恢復到西元 1990 年的排放水準。因此利用分離技術把燃燒後氣體中的二氧化碳去除，不讓它逸散到大氣中，才是有效減緩地球暖化現象的解決之道。

目前二氧化碳的分離和捕集技術，較常使用的有 4 種：化學和物理吸附、化學和物理吸收、低溫蒸餾、以及氣體分離薄膜。目前商業化的分離技術已經能夠把 90％以上的二氧化碳去除，但以最常利用的乙醇胺吸收二氧化碳為例，會耗用許多能源，去除每公噸二氧化碳需花費 50 ~ 70 美元。由於回收技術的成本很高，以至於在實際應用上業者投入意願不高，因此開發更具有競爭性和經濟性的回收技術是未來的研發重點。

利用薄膜分離二氧化碳，因操作簡單及能源消耗量低，已是未來大幅降低二氧化碳分離費用的新希望。一般用來分離二氧化碳的薄膜，可分成高分子薄膜、鈀薄膜和多孔無機薄膜 3 類。

高分子薄膜是藉由溶解－擴散機制來分離氣體，例如讓廢氣通過醋酸纖維素、聚醯胺等非對稱薄膜，選擇性地把二氧化碳和其他氣體分離。這程序須在高壓條件下進行，主要優點是操作程序簡單、價格低、在高的薄膜面積∕模組體積比下達成氣體分離，缺點是薄膜易塑化、老化，且氣體通量和分離效率低，因此需要使用二段以上的薄膜分離程序，才能達到一定的分離效率。

鈀薄膜適用於自二氧化碳中分離氫氣，不過鈀薄膜價格很高，氣體通量很低，而且易在含硫環境下老化。

多孔無機薄膜有很多種氣體傳輸機制，能自大分子中分離出小分子（分子篩作用），或自較小分子中分離出特定的大分子（藉由孔洞表面的吸附擴散），適用於很多不同種類的氣體分離。這種薄膜的氣體通量比高分子薄膜高 100 倍以上，缺點是價格高，且薄膜的面積∕模組體積比僅為高分子薄膜的 1∕100 至 1∕1000。不過無機薄膜在高溫、高壓和腐蝕環境下有很長的使用壽命，能應用於高分子薄膜無法使用的惡劣環境。

多孔無機薄膜目前較受重視的是分子篩薄膜，發展中的分子篩薄膜主要是沸石薄膜和碳分子篩薄膜。分子篩薄膜藉由製程條件調整薄膜內孔洞尺寸，只要設計得宜且操作條件適當，分子篩薄膜可自任何氣體中分離出二氧化碳。

新能源製造機

隨著環境保護意識的高漲，以及石油資源供給的匱乏，不排放二氧化碳、不會助長溫室效應，同時能量效率高、潔淨又無噪音的「氫」，已被視為新能源的明日之星。

選擇氫做為燃料能源有許多優點，例如氫的燃燒熱值高，燃燒後的熱量約為相同重量的汽油的3倍。此外，氫燃燒後的產物只有水，以氫做為燃料，不會像燃燒石油和煤炭一樣產生任何足以導致溫室效應的化學物質，也不會引起酸雨和煙霧。因此歐美、日本等主要先進國家都在研發氫能源，並積極把氫能源推廣運用在汽機車、家電和發電系統上，逐漸形成一種沛然莫禦的趨勢。

在推動發展氫能源之前，如何大量製備氫則是主要問題。製備氫較常見的方法有4種：（1）利用太陽能產生的電力電解水生成氫和氧；（2）利用鈰氧化物和金為催化劑，以天然氣和化石燃料（石油、煤）為原料，經由水和一氧化碳反應生成氫和二氧化碳；（3）利用鐵附加鈰氧化物為催化劑，以天然氣為原料，經由氣態轉化製備氫；（4）利用鎳、鋁和錫合金為催化劑，以動植物廢料為原料，經由高分子碳水化合物液態轉型製備氫。

目前，全世界使用的氫一半以上是從處理天然氣過程中獲得的，碳氫化物蒸氣重組製程的產物須經過分離處理，移除不要的二氧化碳和其他副產物以製得純氫，商業化的分離程序仍使用高耗能的胺、碳酸鉀水溶液吸收或物理吸附。和傳統的氣體分離程序相較，薄膜氣體分離是低投資成本、高能源效率且可靠的程序，薄膜氫分離已成功應用於氫純化、燃料電池技術和薄膜反應器。

具有氫氣分離性能的薄膜，分成有機和無機兩類。無機薄膜包含緻密鈀薄膜、鎳∕陶瓷複合薄膜等，無機薄膜雖有很好的氫分離性能，但這類薄膜性脆、製程複雜且操作成本高。有機高分子薄膜堅韌且易於製造和操作，但不適於高溫分離氫。為改善有機高分子薄膜的氫分離性能，目前的研究方向多朝向使用耐熱性高分子（如聚醯亞胺）來製膜。

未來的氣體分離薄膜

薄膜氣體分離成功的關鍵在於產能和分離效率。薄膜氣體分離的產能和使用薄膜面積成正比，在各種形態的薄膜中，中空纖維膜具有單位體積內最大的表面積，因此未來薄膜氣體分離都朝向使用中空纖維膜發展。目前商業化薄膜氣體分離使用的薄膜都是高分子薄膜，高分子薄膜的製造、操作和維護容易，但產能和分離效率不高。為了提高產能和分離效率，未來氣體分離薄膜材料的開發將聚焦於分子篩薄膜（沸石薄膜或碳分子篩薄膜）。

隨著新世代薄膜的發展，薄膜氣體分離已可高效能地分離各種氣體，利用薄膜氣體分離將可把大氣環境中所有污染性氣體移除，澈底解決地球暖化、空氣污染等問題，還給地球上所有生物一個潔淨無污染的生存環境。

資料來源

《科學發展》2008年9月，429期，32 ~ 37頁

薄膜分離(4) 再生能源(106)

薄膜科技的應用：21世紀的新森林–氣體分離薄膜

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