首頁 > 薄膜科技的應用:21世紀的新森林–氣體分離薄膜
:::

薄膜科技的應用:21世紀的新森林–氣體分離薄膜

地球自淨最重要的工具是森林,以目前大氣環境變遷的速度,人類想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?
 
 
 
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。
推薦文章