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物理吸附與氣體分子在固體表面的液化現象相似，二者
藉凡德瓦(Van der Walls)力結合，物種擴散至低濃度的吸附劑
表面達動態平衡。這些分子間的力非常弱，隨著碳表面與吸附
分子之間距離的增加而減小。由於弱吸引力在很大程度上取決
於距離，物理吸附主要發生在半徑僅為吸附分子直徑的幾倍的
孔隙內。小於污染物分子大小的孔隙是無法進入的，也不參與
吸附過程。與吸附劑分子明顯較大的孔隙在吸附時效果不大，
因為隨著孔表面與吸附劑之間距離的增加吸引力會減小，而污
染物分子擴散到碳孔隙結構後，就會產生吸附。
目前既有TOC濾網的吸附基材活性碳，其孔洞分佈在
5~500Å，主要孔徑分佈100~400Å。污染物分子量越大，具較
強凡得瓦力及吸附能，被吸附效果較佳。然而當吸附劑使用一
段時間後，吸附孔將捕捉大分子，並釋放分子量低、半徑小
(<5Å)的異丙醇/丙酮分子並形成釋氣(Outgassing)，顯然活性
碳對異丙醇/丙酮有效牢固抓取的微孔實際上不足，造成握持
能力低下。探究其原因，在於相同吸附材孔徑下，當目標污染
物氣動直徑越小，污染物越難被捕捉且易再釋出(因為較低的
凡得瓦力及吸附能)，若能利用孔徑與異丙醇/丙酮分子大小相
當的吸附材，因孔徑與污染物氣動直徑匹配，兩者接觸面積較
高，因此可提升捕捉效率並降低再釋出機會。由於活性碳系的
孔徑平均偏高，即便改質後孔徑仍偏高，因此針對吸附異丙醇
/丙酮分子尋找合適的非活性碳系小孔徑吸附材料。
常見的非活性碳系吸附材料包括分子篩、沸石(Zeolite)或
吸附劑(圖3)；沸石與分子篩為氧化矽及氧化鋁配合鹼金屬、
鹼土金屬或稀土金屬組成的矽鋁酸鹽晶體，其內部規律結構
為類似分子大小的孔洞，藉由本身多孔結構、高比表面積與
表面特性，以物理吸附方式捕獲揮發性有機物質；此類吸附
材因孔徑一致，氣體選擇性高，且可耐高溫再生環境、不受
環境中的水氣影響(疏水性沸石)。若考量應用於AMC控制用
途，會將產品作成商用顆粒狀或柱狀分子篩，以隨機堆疊方
式裝填在化學過濾器內配置與一個單獨的深床或多個床串聯
(也稱為填充化學濾材的床)組成的「厚床系統」(比表面積約
當在400-600m /m )，但這類材料壓損與質傳阻力較大。蜂巢
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式或者類似吸附轉輪的擔體(Monolith)材料，其比表面積提高
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至800m /m ，壓損較小但仍質傳阻力偏高，材料質地硬脆容
易產生粉塵。
某些類型的緻密聚合物膜(Zeolite-filled Membranes)，因
其高滲透性，而具有通過蒸汽滲透或全蒸發去除選擇性揮發
性有機化合物(VOC)的良好潛力。利用沸石填充膜去除化合物
蒸汽內的VOC的研究近年來受到高度重視，在相關的應用研
究中，Gou等人 [08] 利用沸石以及聚乙烯醇聚合物組成的複合
親水膜。研究在不同溫度下酒精-水系統通過膜的滲透蒸發和
[09]
分離特性。Li等人 通過使用共擠出和乾噴濕紡相轉化技術，
開發無分層的雙層不對稱複合中空纖維膜用於氣體分離。Lee
[10]
等人 利用矽沸石粉末和膨潤土鈉製備多通道整體料由矽沸
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Notes
技術專文
石粉和膨潤土，具備比市售顆粒更高的大孔隙率，在緩和溫
升下可以進行整體的再生，展示在變壓和變溫過程中具備有
[11]
機化合物的回收和/或分離能力。Li等人 利用5A沸石粉末和
鈉基膨潤土製備正方形晶格通道整料，具有比市售粒料更高
的大孔隙率，可用於變壓吸附空氣分離工藝。Li等人 透過實
[12]
驗進一步發現新型沸石整體結構在低能耗，短週期時間，變
壓過程中顯示出生產中低純度的富氧空氣的潛力。
由於矽沸石為基礎的吸附材質孔洞其分布雖較活性碳
為佳，但對分布的控制性與孔洞大小製備掌握能力有限。
中空纖維具有優良的質傳結構(薄壁及多孔結構提供高表面
體積比)，可高密度填充，具有靈活操作、線性放大及易模
組化等特性，在氣體與液體之分離與純化早已被廣泛使用
[13][14] ; Tai等人 提出一種以聚合物乾/濕紡絲然後進行相轉化
[15]
製程，逐步生產中空纖維吸附劑。相較於其他市售吸附劑
顆粒，中空纖維具有特殊珊瑚狀多階層結構和高比表面積
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(>2,500~3,500m /m )特性，使目標氣體容易到達吸附材整體
三維度的吸附位置，進而提高氣體質傳速率，並達到100%的
材料利用率。經特殊設計的多階層結構網絡，可使中空纖維
吸附管具有極低的吸附阻力，吸附/脫附速率比傳統造粒吸附
材料(球狀、圓柱狀或蜂巢狀等)高出二至三倍，透過低壓、低
真空或低溫度操作即可達到快速的脫附再生效果 。
[16]
中空纖維吸附材料最大的優點，為其表面分布的孔洞尺
寸均一性良好。爰此，本研究擬利用孔隙直徑極低的「中空
纖維」取代活性碳為吸附基材，選取適合抓取異丙醇/丙酮大
小之孔洞，增加能牢固抓取異丙醇/丙酮的微孔數，增加對異
丙醇/丙酮分子的吸引力。當氣體通過中空纖維時，因異丙醇
/丙酮濃度差(濃度高→濃度低)造成質傳現象，異丙醇/丙酮被
吸附材5~6Å的孔洞吸附，達到過濾純化效果(圖4)。除此之
外中空纖維壓力損失比傳統隨機填充管床低於一百倍以上，
較傳統顆粒與蜂巢結構吸附材料更能降低風阻，減少風機耗
能。亦即若使用中空纖維作為吸附材料，吸附床尺寸可以大
幅縮小。
另一項中空纖維吸附材的優勢為可再生的次數。傳統活
性碳系的化學濾網，若設計成可再生的型式，由於活性碳表
面孔洞內路徑崎嶇深長，不容易完全脫附，另外若採含酸鹼
性物質清洗脫附，容易產生固化物堵塞細微孔洞。在實務上
具備再生能力的活性碳濾網再生平均在五次左右，再生後其
效率再也回不到原來設定的初始效率。若AMC濾網採用中空
纖維材料，表面細孔洞內路徑短，吸附後易於完整再生、重
複使用，不僅可大幅減少AMC濾網的消耗量，同時也減少工
廠固態廢棄物(報廢濾網)的產出。