台灣過濾與分離學會電子報2024年第18期

市場趨勢

◎利用金屬有機框架(MOF)過濾器加速脫碳

        金屬有機框架(MOF)是一類具有極高孔隙率和表面積(高達7,000 m²/g)的材料，其設計靈活性和結構多功能性引起了許多應用的廣泛興趣，實驗室開發的大多數MOF都是採用毫克級溶劑熱方法(solvothermal method)合成，唯有達到工業規模生產，才是決定MOF商業可行性的關鍵因素。目前，BASF公司和Promethean Particles公司等已經開始將MOF材料商業化，試圖應用於包括碳捕捉、用於飲用水生產和暖通空調系統的集水，以及各種化學分離和淨化過程(例如冷媒回收和直接鋰萃取)。

MOF的價格隨著商業應用的演變。

        市調公司IDTechEx整理幾項MOF的工業應用，概略介紹如下：

碳捕捉應用

        金屬有機框架材料(MOF)是由金屬離子和有機配體組成的三維結構，具有高比表面積、明確的孔徑和孔隙率特性。這些優異的物理特性使MOF成為氣體儲存和分離(包括碳捕捉)的理想材料。隨著減少碳排放的需求日益緊迫，全球溫室氣體排放量的30%必須在2030年前得到控制，因此科學家和投資者將直接空氣捕捉(DAC)技術視為減少CO2排放的重要選擇之一。碳捕捉技術對於難以脫碳的產業(如水泥和鋼鐵製造業)的減排至關重要，也能支持低碳氫氣的生產以及從大氣中去除二氧化碳。MOF作為高選擇性的過濾器，能在存在其他氣體(如氮氣和水蒸氣)的情況下快速吸附CO2，其主要優勢在於飽和的MOF過濾器可以通過少量工業熱能或成熟的變壓吸附技術在數分鐘內再生，提供一條能耗較低的再生途徑。儘管這些技術目前的運行規模仍遠低於已廣泛使用的胺洗滌法，但在中期內，這些模組化技術具備迅速擴展的潛力。MOF在未來碳捕捉領域中有望成為推動技術進步的重要工具。

IDTechEx整理了有助於解決工業脫碳問題的五種MOF關鍵技術。

        Mammoth是瑞士Climeworks公司在冰島開設的第二家商業DAC工廠，是目前世界上最大的DAC工廠，已於今年5月開始營運，其規模是2021年開始運作的Orca工廠的十倍。Mammoth將CO₂從空氣中過濾出來並永久儲存在地下，現場預計安裝72個收集容器。同時，Climeworks公司正在與冰島Carbfix公司合作進行封存程序，整個作業將由冰島豐富、乾淨的地熱能提供動力。

        總部位於北愛爾蘭首府貝爾法斯特的MOF技術公司開發名為Nuada的新型模組化碳捕獲系統，將先進的固體吸附劑MOF與真空變壓吸附技術相結合，透過無熱和無溶劑製程將工業排放物中的CO₂抽真空，減少了傳統胺類溶劑系統所耗的大量能源和成本，能源處理成本可以降低80%，進而將捕捉每噸CO₂的成本降低到13英鎊。

        總部位於澳洲雪梨的碳捕捉公司AspiraDAC採同樣技術，利用變溫真空吸附和固體吸附劑從空氣中捕捉CO₂，並且正在設計用於大規模可擴展性和快速升級，該公司的碳捕捉與封存原型機在2022年已得到一份70萬美元的合約，AspiraDAC將使用180台碳捕捉機器，在2027年前以每公噸1,000美元的價格捕捉與儲存500公噸CO₂。

世界上最大的直接空氣捕獲工廠Mammoth於5月在冰島開始運作。

        MOF過濾系統可以採用不同方法來製造韓MOF的過濾或吸附材料。總部位於溫哥華的Svante公司與Climeworks簽訂了合作和供應協議，Svante開發了一種將固體吸附劑塗覆到黏合片上，並將其堆疊到高性能過濾器中的技術，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)和用於直接空氣捕獲。Svante目前正與3M和BASF等大公司合作，大幅加速其過濾器的商業化。

        總部位於法國里昂的Fibroline公司的乾式含浸專利技術使用高強度交變電場(alternating electric field)將粉末均勻含浸到多孔結構中，不需要水和溶劑，因此在加工過程中不會產生汙染性廢液，也不需要烘乾。Fibroline公司已與多家過濾器公司建立合作關係，將其乾式含浸技術結合過濾材料一起使用，並且可以摻入許多不同的粉末如MOF、沸石和離子交換顆粒來捕捉或提取空氣中的特定分子或液體，不僅可以選擇性地捕捉目標分子，還可以增加活性過濾面積，提供高吸附能力和快速吸附和脫附。除了碳捕捉之外，也能應用於水處理(如去除砷和離子萃取)或空氣過濾方面。

Fibroline公司將MOF乾式含浸到過濾材料中。

化學分離純化

        化學品分離和純化是化學品生產、採礦、石油和天然氣精煉等製造業的核心業務。傳統基於蒸餾的熱化學分離過程需要大的佔地面積、大量的資本支出，並且非常耗能，約佔總能源消耗的10-15%，例如用於丙烯或乙烯純化的烯烴/石蠟分離是最耗能的分離過程之一。MOF的可調節化學選擇性和可控孔結構能夠在用作固體吸附劑或膜時能選擇性分離化學品。UniSieve是一家源自蘇黎世聯邦理工學院的瑞士清潔技術公司，開發了基於MOF的分子分離膜技術，與傳統蒸餾製程相比，透過提高製程節能、提高產品回收率，可將分離相關的能耗降低約90%，減少製程的二氧化碳排放。此外，MOF薄膜也能應用於冷媒回收(如日本大金公司)、直接鋰萃取(如美國EnergyX公司)、沼氣升級和聚合物級丙烯生產等多種氣體分離和純化製程。

UniSieve開發MOF的分子分離膜技術。

HVAC應用

        MOF過濾器應用在HVAC系統中可解決室內冷卻的高能耗問題。MOF的水吸附和脫附特性所引起的加熱和冷卻效應可用於HVAC系統，與傳統的蒸汽壓縮冷卻技術相比，運轉能耗可減少高達70%，有助於減少HVAC系統的能源消耗，因為目前HVAC系統能耗約佔全球總電力消耗的10%，預計到2050年，隨著需求的激增，能源消耗將增加兩倍，尤其是在亞洲市場。

        總部位於蒙大拿州羅南市的Montana Technologies公司的AirJoule技術使用專有的MOF技術和塗層系統，利用從空氣中收集的水進行蒸發冷卻，從而減少約75%的電力消耗，同時減少排放。使用AirJoule除濕機節省的能源成本預計投資回收期僅為1.5年。Montana Technologies公司已成功吸引了BASF和GE Vernova等合作夥伴的投資。

AirJoule在HVAC系統中採用MOF塗層鋁接觸器。

        根據IDTechEx的預測，2024年全球MOF市場將達到34.6百萬美元，到2034年將達685百萬美元，成長率高達34.8%，展現出極大的潛力和成長空間。MOF的多樣化應用為基於MOF的技術開闢了廣泛的發展空間，特別是在那些可以顯著降低能源消耗和營運成本的領域，如碳捕捉、化學分離以及暖通空調(HVAC)系統。然而，這些技術目前尚未在工業規模上充分驗證，這使得新技術面臨較高的風險評估，成為早期採用的潛在障礙。此外，現有技術已在關鍵市場中取得一定地位，使得MOF技術進入市場的難度增加。隨著未來十年內各類基於MOF的商業產品逐步推出，這些技術需要大規模展示其性能，才能贏得市場信任。同時，製造能力的增長也需要配合，以確保技術能夠以可擴展的方式推向市場。國內工研院團隊以高吸附量、低耗能孔洞材料(MOF)開發為主軸，發展MOF材料百公斤級試量產及成型技術，使低耗能MOF吸附劑可以粉末、漿料、顆粒、薄膜與轉輪等形式大量推廣與應用，提供產業界委託研究及產品開發服務。

資料來源：

1.https://www.filtnews.com/promising-fields-for-mof-filters/

2.F. Bisotti, K.A. Hoff, A. Mathisen, J. Hovland, Direct Air capture (DAC) deployment: A review of the industrial deployment, Chemical Engineering Science, 283, 119416, 2024. https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.119416.

3. https://www.idtechex.com/en/research-report/metal-organic-frameworks-mofs-2024-2034-market-technology-and-players/1004

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