修正碳分子篩選薄膜之微孔結構及其於氣體分離特性之應用

近年來，由於所謂的「溫室效應」氣體的大量排放，如二氧化碳、甲烷、氟氯碳化物等，
已嚴重地影響全球氣候型態。溫室效應氣體的主要排放源多來自於石化燃料，如使用煤、天然
氣的發電業、使用液態石化燃料的工業與運輸業等三大類別。各國為因應溫室效應亦訂定了數
點關於二氧化碳排放減量之政策，如（1）新能源開發以替代非清潔能源；（2）節約能源、提
昇能源使用效率；（3）改變製程；（4）產業轉型及（5）二氧化碳的分離與捕集等。其中，（1）
~（4）項由於有經濟效益、技術可行性或社會發展等限制而無法於短時間內達到排放減量目
的。因此就「分離技術」的角度來管制二氧化碳的排放將是短時程內較為可行的方法。
氣體分離技術包含有：低溫分離、吸收程序、吸附程序及薄膜分離等。其中後者於近年來
於研究領域顯得相當活躍而引起廣泛注意，且基於分子篩選基礎之氣體分離程序更被視為具有
商業化發展潛力之薄膜。
常用於氣體分離的無機薄膜由於一般具有耐高壓、高溫及化學安定性等優點，因此較有機
薄膜更適於複雜環境之應用且生命週期長，其材質有：金屬、陶瓷（氧化鋁、氧化矽）、矽、
沸石和碳分子篩選薄膜等。其中，沸石具有微孔結構，可分離同分異構物，但沸石晶體要製備
成連續的薄膜較困難，且價格昂貴也較不耐酸鹼及高溫環境。以矽所製備出的薄膜可有效分離
氫氣，但沒法分離尺寸相似的氣體分子（如O2/N2 氣體分子對）。而以碳結構所製備出來的碳
分子篩選薄膜之發展雖始於近十幾年，然其擁有接近氣體分子維度之尺寸（<4 A），故與矽和
沸石材質所製備出的薄膜相比時，則對氣體分子展現出極佳的選擇性，而可有效分離尺寸相當
接近之氣體分子，如O2/N2，CO2/N2，CO2/CH4 等。
本計劃共訂定三年研究主題，第一年係改質分子篩選型碳膜，藉由改變不同的碳化條件及
孔洞修正技術，以獲得孔徑小於4A 的分子篩選型碳膜；並同時建立碳分子前驅物、碳分子篩
選薄膜結構對氣體滲透性影響之關係，以瞭解高分子前驅物之結構於氣體滲透過程中所具有之
支配性角色；第二年則在發展孔徑介於5~7A 新型態的吸附選擇性碳膜，分離特性由單一氣體
或同時含有吸附型與非吸附型之混合氣體進行滲透實驗；第三年則以自製之實驗室規模焚化爐
或燃煤設備所產生之煙道氣，模擬實廠煙道氣組成，評估自製碳分子篩選薄膜於高溫、具腐蝕
性氣體等接近實廠環境中之CH4、CO2 回收與捕集效能。因此本研究之目標為：（1）發展最適
化之碳分子篩薄膜、吸附選擇性碳膜以應用於CH4、CO2 氣體分離；（2）分析氣體組成、進氣
壓力及溫度對氣體滲透選擇性係數之影響；（3）評估碳薄膜於高溫及具腐蝕性環境中的老化情
形。