低分压下二氧化碳吸附剂吸附效能评估.pdf

科學與工程技術期刊 第八卷 第二期 民國一○一年科學與工程技術期刊 第八卷 第二期 民國一○一年 Journal of Science and Engineering Technology, Vol. 8, No. 2, pp. 11-18 (2012) 11 低分壓下二氧化碳吸附劑吸附效能評估低分壓下二氧化碳吸附劑吸附效能評估 周豐志1 吳淑姿2 凃瑞澤2 余世宗1* 1大葉大學環境工程學系 2大葉大學生物產業科技學系 51591 彰化縣大村鄉學府路 168 號 摘 要摘 要 本研究自行設計二氧化碳吸附設備，評估四種吸附劑：活性碳、沸石、silica xerogel、amine-grafted silica xerogel 對二氧化碳之吸附效能，以應用於吸附去除室內低分壓二氧化碳silica xerogel 與 amine-grafted silica xerogel 由實驗室自行合成為模擬室內環境，吸附試驗之起始二氧化碳濃度介於 1,000-4,000 ppm，溫度 20-45°C沸石因易吸附水分，對二氧化碳吸附能力弱，其他三種吸附劑，隨吸附溫度增加，對二氧化碳去除率有增加趨勢amine-grafted silica xerogel 在 35°C 下對二氧化碳有較佳的吸附效率，當二氧化碳起始濃度 1,000 ppm，經過吸附平衡後，去除效率可達 35%。

活性碳、silica xerogel 與 amine-grafted silica xerogel 對二氧化碳吸附容量，隨二氧化碳初始濃度增加而有升高的趨勢溫度升高，這三種吸附劑對二氧化碳之平衡吸附量亦增加，其中以 amine-grafted silica xerogel 對二氧化碳有最高平衡吸附量，5.46 μg/g，其次分別為 silica xerogel（4.52 μg/g）和活性碳（0.37 μg/g）amine-grafted silica xerogel 於低二氧化碳分壓下對二氧化碳具吸附能力，應用於室內吸附去除二氧化碳頗具潛力 關鍵詞：關鍵詞：活性碳，沸石，silica xerogel，amine-grafted silica xerogel，室內二氧化碳 Evaluation of CO2 Adsorption Performance under Low CO2 Partial Pressures FENG-JYH JOU1, SHWU-TZY WU2, JUI-RZE TOO 2 and SHIH-TSUNG YU 1* 1Department of Environmental Engineering, Da-Yeh University 2Department of Bioindustry Technology, Da-Yeh University 168, University Rd., Da-Tsuen, Changhua 51591, Taiwan, R.O.C. ABSTRACT A new apparatus for simulating indoor carbon dioxide adsorption was designed to evaluate 4 adsorbents: active carbon, zeolite, silica xerogel, and amine-grafted silica xerogel. Silica xerogel and amine-grafted silica xerogel were synthesized in the laboratory. The simulated indoor conditions were controlled for CO2 concentration and temperature at 1000-4000 ppm and 20-43°C, respectively. The zeolite easily absorbs moisture, which decreases its ability to adsorb CO2. CO2 adsorption in the other 3 adsorbents increased in conjunction with temperature. Amine-grafted silica xerogel showed the best 科學與工程技術期刊 第八卷 第二期 民國一○一年科學與工程技術期刊 第八卷 第二期 民國一○一年 12 CO2 adsorption capability (35%), with an initial CO2 concentration of 1000 ppm at 35 °C. The CO2 adsorption capabilities and equilibrium adsorption in active carbon, silica xerogel, and amine-grafted silica xerogel increased with a higher initial concentration of CO2 and a higher temperature. The amine-grafted silica xerogel showed the best equilibrium adsorption (5.46 μg/g). The equilibrium adsorption of silica xerogel and active carbon were 4.52 μg/g and 0.37 μg/g, respectively. The absorption capabilities of amine-grafted silica xerogel have potential applications to adsorb indoor carbon dioxide under low CO2 partial pressure.. Key Words: active carbon, zeolite, silica xerogel, amine-grafted silica xerogel, indoor carbon dioxide 一、前言一、前言 在地狹人稠地形多為盆地的台灣地區 ， 都市內頻繁的貿易與商業活動促使鄉下人口大量湧入 ， 在高人口密度與商業貿易型態的需求下 ， 高樓大廈林立則是台灣都市活動最典型的特徵。

平均每人一天約有 80~90% 的時間幾乎都在室內，不論是室內辦公的業務、學生就學的學校與補習班、休息的商務旅館或者是下班後乘坐的捷運與放假後休閒消費的百貨公司、博物館與世貿展覽館等，已成為大眾活動的主要範圍新式的現代建築物多半採用密閉式的空調系統，空氣的交換率低，因此常造成室內不良空氣累積無法消散的問題室內空氣品質的好壞，直接影響人們工作品質與效率，嚴重時亦將影響健康，因此室內空氣品質已受到人們的重視 室內二氧化碳主要為生物呼吸作用產生 ， 被視為空氣品質是否良好的重要指標研究顯示 [1]，當二氧化碳濃度過高時，刺激呼吸中樞造成呼吸費力或困難等感覺，亦會產生頭痛、嗜睡、反射反應減退、倦怠等症狀，因此長期待在二氧化碳濃度過高，會使工作與學習效率明顯降低，影響個人的競爭能力根據環保署室內空氣品質的建議法規標準，第一類指對室內空氣品質有特別需求場所 ， 包括學校及教育場所、兒童遊樂場所、醫療場所、老人或殘障照護場所等，二氧化碳建議值為 600 ppm 第二類指一般大眾聚集的公共場所及辦公大樓，包括營業商場、交易市場、展覽場所、辦公大樓、地下街、大眾運輸工具及車站等室內場所，二氧化碳建議值為 1,000 ppm。

室內二氧化碳濃度會影響生理 [2]，人們聚集或空間小會快速增加二氧化碳，若換氣不足時，當人體吸入過量的二氧化碳，即會造成單純窒息性氣體，因此在室內二氧化碳濃度若超過 800 ppm，人會開始感到不舒服、疲倦甚至頭痛，一旦超過 1,000 ppm，就可能會影響呼吸、循環器官及大腦機能，人體內血液的 pH 值下降，造成呼吸性酸中毒，進而危害人體 目前常見的二氧化碳處理技術，包括化學溶劑吸收法（ chemical solvent absorption methods ） 、 化 學 吸 附（chemisorption）及物理吸附（physical adsorption）[6]化學溶劑吸收法所使用的化學溶劑主要為氫氧化鈉、碳酸鈉、氫氧化鎂、氧化鈣、氨水及醇胺等溶液 [6, 8-10]化學吸附是二氧化碳分子吸附在吸附劑的表面與孔隙內 ， 並有鍵結生成這種現象與化學反應很相似，分子內電子重組，使吸附物牢牢吸附於吸附劑表面 ， 因被吸附分子與吸附劑的表面官能基進行化學反應，這類吸附為不可逆性，很難脫附再生物理吸附是被吸附分子以凡得瓦爾力（Van der Wals forces） 吸附於固體表面，屬於物理性的吸引能力，物理吸附的強弱，與吸附劑結構與被吸附物的物理性質有很大的關係 [3]。

物理吸附為可逆反應，當吸附劑周圍溫度改變時，吸附劑表面之被吸附分子便會產生脫附現象（desorption） 常用於吸附二氧化碳的材料包括活性碳、silica 和沸石等 [4-5, 7]近年來國內學者利用氫氧化鈉或其他鹼性化合物改質活性碳，大幅提昇改質活性碳吸附二氧化碳的能力沸石表面結構亦可使用硫亞胺（imidazolate）修改吸附性表面官能基，如 ZIFs（zeolitic imidazolate frameworks）[5]、SBA-12（Santa Barbara Amorphous-12）與 SBA-15（Santa Barbara Amorphous-15）等，使官能基具有鹼性的 amine 基團 [11]，增加其吸附二氧化碳的能力二氧化碳吸附劑會受一些因素影響，（1）壓力會影響吸附劑吸附氣體的量，吸附劑吸附氣體的量與氣體壓力成正比關係；（2）氣體的吸附量受溫度變化影響，因吸附過程是放熱反應當熱能過量時，使其吸附量趨於緩和；（3）吸附劑在相對濕度高的環境下，大量的吸附氣體，在低濕度下吸附氣體的量減少 本研究自行設計二氧化碳吸附設備，評估四種吸附劑（活性碳 、 沸石 、 silica xerogel 和 amine-grafted silica xerogel）對二氧化碳吸附效能 ， 期能應用於吸附去除室內低分壓二氧化碳。

研究包括 silica xerogel 及 amine-grafted silica xerogel周豐志、吳淑姿、凃瑞澤、余世宗：低分壓下二氧化碳吸附劑吸附效能評估周豐志、吳淑姿、凃瑞澤、余世宗：低分壓下二氧化碳吸附劑吸附效能評估 13 吸附材料之合成 、 不同二氧化碳濃度和吸附溫度對二氧化碳吸附的影響 二、材料與方法二、材料與方法 本研究以不同的吸附劑，活性碳 （購自 Sigma-Aldrich，100 mesh） 、沸石 （購自 Sigma-Aldrich，<45μm 粉末） 、silica xerogel（購自 Sigma-Aldrich）、amine-grafted silica xerogel（表面官能基鹼性改質） 吸附二氧化碳，探討於不同吸附條件（不同二氧化碳分壓和吸附溫度）下，吸附劑對二氧化碳之吸附效能，並計算吸附劑吸附二氧化碳的平衡吸附量 （一）實驗系統的配置（一）實驗系統的配置 二氧化碳吸附試驗裝置如圖 1 所示 反應槽為一圓柱形密閉容器（直徑 12 cm、高 18 cm、內部容積 2.4 L），配置二氧化碳偵測器、溫度與濕度計，監測二氧化碳分壓、溫度與濕度 （二）（二）Silica xerogel 的合成的合成 合成 porous silica xerogel 的步驟，50 g PEO20 PPO70 PEO20 (polyethylene oxid。