台灣過濾與分離學會電子報2023年第10期

研究新知

◎ 金屬有機框架(MOF)材料達到工業脫碳的商業規模

        碳捕捉、利用和封存 (CCUS) 成為全球到 2050 年實現淨零排放的關鍵策略。國際能源署 (IEA) 計算出，到 2030 年，世界將需要近 13 億噸碳捕捉能力，然而預計僅能達到大約 2.65 億噸的捕捉能力，減碳進程仍遠遠不足。

資料來源：財團法人台灣綠色生產力基金會。

        工業燃燒後進行碳捕捉必須從大流量的煙道氣中去除二氧化碳，這些煙道氣通常含有大量顆粒汙染物，不僅會汙染熱交換器等關鍵設備，隨著時間的增長降低處理效率而導致運轉成本增加。此外，一旦捕捉了二氧化碳，就必須使用或儲存它，將二氧化碳壓縮成緻密相，以便運輸更多體積的二氧化碳到適當的儲存設施。因此，過濾和分離技術在 CCUS 的整個價值鏈中發揮關鍵作用。

OMEGA AIR doo Ljubljana 公司的 CCUS 系統。

        金屬有機框架 (Metal-Organic Framework, MOF) 孔洞材料，是一種新穎的奈米孔洞材料，可說是奈米級大小的房屋或海綿，單一克數最高可達足球場大小的表面積，因此工業化應用前景極高，在分離、吸附、催化、光電、醫藥與能源上均有豐富的應用發展。加拿大卡爾加里大學 (University of Calgary) 化學系教授 George Shimizu的研究團隊提出了一種很有前途的金屬有機框架 (MOF)，稱為 CALF-20 (Calgary Framework 20)，它可以選擇性地大量捕獲 CO₂，並且已經在工業中得到應用。

(a) 具有疏水孔的 CALF-20 的單晶 X 射線結構 (b) 主要 CO₂ 結合位點 (c) 單組分 CO₂ 和 N₂ 等溫線 (d) 競爭性 CO₂ 和 H₂O 負載顯示在潮濕的條件下保留 CO₂ 容量。

        CALF-20 是一種錯綜複雜的層狀晶體，由鋅、三唑酸鹽和草酸鹽組成，排列成 3D 結構，該結構中大約 38% 的體積為孔洞，比表面積 528 m²/g，因此充滿了用於捕捉 CO₂ 的奈米級疏水孔洞，能夠優先結合 CO₂ 而不受水的影響。煙道氣的主要成分是氮氣 (N₂)，而二氧化碳 (CO₂) 佔比只有 15% 左右，另外還含有水和酸性氣體，這增加了碳捕捉的難度。使用傳統有機胺溶液進行 CO₂ 吸附是一種結合化學吸附和物理吸附的方式，其再生過程需要消耗大量能源，同時有機胺也會發生分解反應而增加成本。而CALF-20 在 1.2 個大氣壓和室溫條件下，能吸附自身重量 18% 左右的 CO₂，其 CO₂ 吸附熱為 -39 kJ/mol，說明是物理性吸附，容易在溫和的條件中再生。同時，CALF-20 具有非常高的穩定性。在經過 45 萬次 112℃ 水蒸氣和 112℃ 空氣的重複處理之後，仍然保持 98% 以上的 CO₂ 吸附性能。

CALF-20 已應用於Svante公司的旋轉式 CO₂ 捕捉機 (左) 中，該機在 CO₂ 工廠模組 (右) 內運轉。

        CALF-20 現在被加拿大 Svante 公司用於其革命性的碳捕捉程序，其中 CALF-20 由 BASF 公司量產。一克這種材料具有 500 平方米的巨大表面積，在高容量下表現出選擇性 CO₂ 物理吸附，並且僅需要少量能量即可去除 CO₂。結合其廉價的起始材料和高度可放大的一步合成，該材料在 2000 小時的連續測試中長期暴露於蒸汽和濕 NO_x 和 SO_x 酸性氣體中具有出色的耐久性。此外，再生的 CO₂ 能夠滿足美國能源部訂定的 95% 純度和 90% 回收率的目標。

3M 和 Svante 將聯合開發和生產二氧化碳去除產品。

        3M 公司正在與 Svante 公司合作開發可以捕捉大氣中的二氧化碳 (CO₂) 並將其永久移除的材料。使用平行通道結構吸附劑技術將固體吸附劑塗在層壓板上並堆疊成高性能過濾器的製程，可用於工業點源捕捉 (來自氫氣、水泥、鋼鐵、鋁、紙漿和造紙廠以及煉油廠) 和用於直接空氣捕捉。目前的碳捕捉機器具有每天 30-1000 噸的捕集能力，相當於一個直徑為 30 至 100 米的純 CO₂ 球體。最終目標是生產能夠每天捕捉和儲存 3000 噸 (相當於一個直徑近 150 米的球體) 的系統，預計在 2050 年至 2070 年之前，將在高排放源工廠增加數千座碳捕捉設備，以實現全球的淨排放目標。

資料來源：

1. https://www.filtsep.com/content/blog/maximising-the-impact-of-ccus
2. J.B. Lin, T.T.T. Nguyen, R. Vaidhyanathan, J. Burner, J.M. Taylor, H. Durekova, F. Akhtar, R.K. Mah, O. Ghaffari-Nik, S. Marx, N. Fylstra, S.S. Iremonger, K.W. Dawson, P. Sarkar, P. Hovington, A. Rajendran, T.K. Woo, G.K.H. Shimizu, A scalable metal-organic framework as a durable physisorbent for carbon dioxide capture. Science, 374(6574), 1464-1469 (2021).
3. https://svanteinc.com/

台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society