 |
台灣過濾與分離學會年會電子報2021年第12期 研究回顧
揮發性有機化合物(VOC)是指除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物或碳酸鹽以及碳酸銨之外的任何參與大氣光化學反應的碳化合物。自然界的VOC排放來自森林和植物的葉子，典型成份是異戊二烯和單松烯類。工業VOCs排放的主要來源是煉油廠、化學工業、燃料燃燒、製藥廠、汽車工業、紡織製造商、溶劑加工、清潔產品、印刷機、絕緣材料、辦公用品、印表機等，成份涵蓋鹵代烴、醛、芳香族化合物、多環芳香烴、醇、烷烴、酮、烯烴和醚。 
VOCs減量方法的分類 吸附技術利用吸附材料與廢氣中的VOCs發生物理和化學反應，且吸附材料可透過熱脫附或真空脫附重複使用，是有效且經濟的控制策略。吸附材料是VOCs吸附技術的關鍵因素，直接影響投資成本、運行成本和安全性，常用的包括美國環保署列為控制VOCs的3種主要吸附材料–活性炭（ACs）、沸石、超高交聯樹脂（HPR）以及新興材料–金屬有機骨架材料（MOFs）等。其中活性炭是應用最廣泛的吸附材料。而金屬有機骨架材料具有較高的比表面積和豐富的表面化學官能基，是具潛力的VOCs吸附劑。影響VOCs吸附的關鍵因素，主要是吸附材料的比表面積、孔徑分佈和化學官能基等物理化學性質。 
吸附材料的型態 不同吸附材料的平均比表面積、孔體積和VOCs吸附容量依序為金屬有機骨架（MOFs）>活性炭（ACs）>超交聯聚合物樹脂（HPR）>沸石。VOCs在吸附劑中的吸附機理主要包括靜電引力、極性VOCs與親水部位相互作用、非極性VOCs與疏水部位相互作用、非炭化部分的分配等。隨著比表面積、孔容和表面化學官能團的增加和孔徑的減小，吸附容量增加。窄微孔（尺寸<0.7 nm）的體積控制VOC的吸附。 
吸附材料的比較 控制VOCs吸附的因素很多，例如吸附材料的表面官能團含量、比表面積、孔體積和孔徑分佈等特性會影響VOCs的吸附。VOCs的分子量、分子直徑、沸點、極性、飽和蒸氣壓等性質也會影響吸附過程。吸附過程還受到溫度、濕度和VOCs濃度等吸附條件的影響。各種因素的綜合作用使與VOCs分子和吸附劑的親和力不同，進而影響吸附速率和吸附容量。因此，比表面積、孔結構和化學官能團是吸附材料的三個關鍵因素。 
生物炭與有機污染物相互作用的假設機制。生物炭顆粒上的圓圈表示分配或吸附。I–生物炭和有機污染物之間的靜電相互作用，II–生物炭和極性有機污染物之間的靜電吸引力，以及III–生物炭和非極性有機污染物之間的靜電吸引力 VOCs在不同孔隙活性炭上的吸附機理如下圖所示，吸附劑的孔徑分佈影響VOCs的吸附過程，VOCs分子直徑決定VOCs能夠進入吸附劑的有效孔隙。理論上，孔徑大於VOCs分子直徑的孔隙是有效的吸附位點。但是，當孔徑遠大於VOCs分子直徑時，吸附劑與VOCs分子之間的吸附力太弱，大孔隙只能作為通道。一般來說，微孔提供主要的吸附位點，而中孔則增強VOC的擴散。為了提高吸附材料對低濃度VOCs的吸附能力，需要盡可能地增大微孔尤其是窄微孔的孔體積。 
VOCs在不同孔隙上的吸附機制 雖然許多研究已探討VOCs吸附材料及吸附影響因素，下列幾個議題仍需進一步研究：
資料來源：
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society |
