Concentration and Recovery of Volatile Organic Compounds (VOCs) Using Polymeric Nanocomposite Membranes

近數十年來隨著工業的發達，如塗料工業、食用油工業、溶劑萃取、汽車工業、金屬清洗、汽油儲存與印刷工業等等，與人們使用汽機車的急遽增加，人為排放至大氣的揮發性有機化合物（volatile organic compounds, VOCs）已造成各地的環境污染及經濟損失。這些VOC 污染物不僅造成空氣品質的惡化，直接威脅人類的健康，它更會進一步反應成二次污染物，影響整個地球的環境、氣候、與生態。本研究室已利用有機薄膜、對許多操作條件對VOC 分離效益的影響作過深入的探討，並將重要的結果於C012-1 章節中說明。由於純高分子膜材無法突破Robeson plot 的限制，必需結合有特殊效果的無機材質來提升分離效果。本研究將結合奈米粒子於高分子材質中，希望藉由有機/無機混成的奈米複合膜材提升VOCs 分離回收的效能。如此可避免排放而使氣候暖化、也可回收氣體而增加企業獲利的誘因。本實驗中將以甲苯、二甲苯、異戊烷、甲醇等VOCs 為探討的對象，並探討水蒸氣對VOC 滲透的影響。.研究首先將研究多種高分子的物理特徵與化學結構，先篩選出數種有潛力的材料，測試氮氣與VOCs 在其中的滲透率與選擇度。其次將挑選奈米添加物(如fumed silica、沸石等具尺寸辨別能力的奈米顆粒)，製成奈米複合膜材。希望這些開發的新膜材能進一步造成滲透物種間的吸附或擴散的競爭效應，以拉大氮氣與VOCs 兩者的滲透率差異、提昇選擇度。研究中也將建立滲透物種在各膜材中的吸附等溫線、擴散係數，最後再以溶解-擴散模式與Maxwell-Stefan 模式或Bulk flow 的效應模擬氣體滲透時的質量傳輸(包括流通量、實際選擇度)，以及滲透物的去除效果。再將這些模擬成果與實驗值比較，以確認這些模式的準確性。本研究規劃第一年的實驗中將先探討VOC 於高分子-fumed silica 奈米複合材質中的吸附、滲透與擴散，以及奈米粒子對複合薄膜的物理化學性質之影響，並與高分子基材的結果比較。第二年再探討於不同濕度下奈米複合薄膜中的吸附、滲透與擴散變化，最後第三年探討含有分子尺寸選擇性(size selectivity)的奈米沸石顆粒對其複合薄膜的物理化學性質之影響，不同濕度的影響，並做吸附、滲透與擴散行為的模擬。此計畫的研發成果不僅具學術意義，也可為國內相關產業提供VOCs 減量的準則，協助業界採用合適有效、經濟的回收技術；同時本研究衍生的相關技術之開發也可轉移給國內產業，促進產業技術升級與帶動週邊產品的繁榮。如此在我國工業發展時，能兼顧環境保育的維護，為國家未來的永續發展盡一份心力。

Project ID:PB9607-1684
External Project ID:NSC96-2221-E182-025