近代多孔材料開發利器：穿透曲線(BTC)揭露氣體分離與捕捉的關鍵機制

作者利泓科技
日期2026-04-02
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  1. 三份BTC應用於材料開發的文獻： 不同材料的動態吸附表現，模擬材料實際應用於場域的狀況。
  2. 提供數據化的改善結果： BTC實驗結果顯示材料的吸附容量、脫附速率與擴散係數，顯示材料的規格並提供改善方向。

引言：大規模的氣體純化來自於有效的氣體分離

　　在現代工業精煉與環境工程中，氣體分離的能效決定了製程的競爭力。例如，丁烯異構物因分子尺寸與沸點極度接近，傳統蒸餾法耗能巨大；而工業煙道氣中的二氧化碳捕捉，則要求材料在高流速下兼具高選擇性與熱穩定性。

　　儘管靜態平衡等溫線能提供材料的吸附潛力，但動態穿透實驗 (Dynamic Breakthrough Experiment) 才是真正顯示材料性能的工具。它能模擬真實壓降、氣體競爭及動力學屏障，直接反映材料內部的傳質效率。透過MOF與天然礦物的改性開發，工程師正試圖優化材料的微觀結構，以降低動態操作中的傳質阻力與官能基賦予的擴散優化。

　　儘管靜態平衡等溫線能提供材料的吸附潛力，但動態穿透實驗 (Dynamic Breakthrough Experiment) 才是真正顯示材料性能的工具。它能模擬真實壓降、氣體競爭及動力學屏障，直接反映材料內部的傳質效率。透過MOF與天然礦物的改性開發，工程師正試圖優化材料的微觀結構，以降低動態操作中的傳質阻力與官能基賦予的擴散優化。

 BTC 具備以下三個評估多孔材料的量測能力：

  • 動力學限制 (Kinetics)： 反應分子在實際流速下進入孔隙並被捕獲的速率，定義了質傳阻力的大小。
  • 動態選擇性 (Selectivity)： 在多組分競爭的混合流體中，驗證材料是否能優先鎖定目標分子，而非僅靠單組分數據預測，提供選擇性。
  • 產物純度分析 (Product Purity)： 直接定義在特定穿透時間內，出口端可獲得的產物純度與回收率，有利於製程設計。

研究一： MOF材料CALF-20對丁烯異構物的動態變溫篩分

　　在石油化學工業中，區分正丁烯 (n-C4H8) 與異丁烯 (iso-C4H8) 是極具挑戰性的任務。新型鋅基 MOF 材料 CALF-20 展現了卓越的動態篩分性能。 研究一指出鋅基配位MOF材料CALF-20 展現了突破性的篩分性能，能精準區分分子直徑僅差 0.38 Å 的丁烯異構物。

　　在 298 K, 1 bar 下，利用混合比例為 10/10/80 (n-C4/iso-C4/He) 的 BTC 實驗證明，iso-C4H8 由於孔徑排除效應幾乎立即穿透，而 n-C4H8 則被強效吸附長達 60 分鐘。這使得出口端能產出純度 >99.5% 的異丁烯。 值得注意的是，其 n-C4H8 的動態穿透容量為 1.13 mmol g⁻¹，而飽和容量達 2.35 mmol g⁻¹（靜態數據更達破紀錄的 2.62 mmol g⁻¹）。這組數據定義了材料在動態操作下的「利用率」，對吸附床循環設計至關重要。

　　溫度依賴動態篩分與結構機制CALF-20 具備獨特的負熱膨脹與柔性結構。透過下表對比 PXRD 精修數據，可發現其隨溫度升高的動態演化： 

　　儘管整體晶格體積隨溫度升高略微收縮，但氫原子間距的張開導致了有效孔徑的擴張。這種「中溫吸附」特性（80–500 °C）對工業極具吸引力，因為它允許在接近製程流體溫度的環境下操作，大幅降低了製程冷卻與加熱循環的再生能耗。

參考資料： DOI 10.1002/adfm.202411951 

研究二： 混和胺類浸漬酸處理海泡石對二氧化碳捕捉效果

　　研究二利用 PEI(polyethyleneimine) 與 DEA(diethanolamine)混合胺解決過往胺類化合物容易團聚的問題，用於浸漬酸處理海泡石 ，嘗試解決工業煙道氣 (15vol% CO2) 的捕捉挑戰。

　　高選擇性與動態穩定性在模擬煙道氣（15% CO2 / 85% N2）的 BTC 實驗中，兩者呈現顯著的穿透時間差：N2 在 28 秒 穿透，而 CO2 延遲至 195 秒。

  • 動態容量： 在 60 °C 下實測為 1.60 mmol/g。
  • 選擇性： 在 60 °C 下高達 1184，遠優於傳統活性碳。
  • 循環壽命： 經 10 次吸脫附循環後，容量仍穩定維持在 2.50 mmol/g 以上（60wt% 負載量），展現優異的工業可靠度。

　　BTC 實驗結合原位DRIFTS(漫反射紅外傅立葉轉換光譜)分析證實，DEA 的加入緩解了PEI 的團聚，並透過兩性離子反應機制 (Zwitterionic reaction) 生成穩定的氨基甲酸鹽 (Carbamate) 與氨基甲酸 (Carbamic acid)，使材料對於氮氣與二氧化碳的選擇性高達 1184。

結構與 DRIFTS 機制深究

  • 酸處理效應： 使用 2M HCl 處理後，海泡石比表面積從 204.49 m²/g 提升至 323.74 m²/g，為胺類分散提供了極佳的幾何空間。
  • in-situ DRIFTS 與化學協同： 光譜揭示 CO2 進入後形成 氨基甲酸鹽 (Carbamate) 與 氨基甲酸 (Carbamic acid) 特徵峰（1562, 1481, 1309 cm⁻¹）。
  • 關鍵發現： DEA 的羥基與反應中間體形成氫鍵，有效穩定了氨基甲酸並輔助 PEI 分散，這種協同效應透過兩性離子（Zwitterionic）機制顯著提升了胺基利用率。

參考資料： DOI 10.1016/j.gsme.2024.11.002

研究三： 鈣添加TS-1材料調控丙烯環氧化中的擴散係數 

　　研究三主要研究在丙烯環氧化（PO）催化中，產物 PO(propylene oxide) 若在孔道內停留過久，會發生過度氧化產生副產物。此處的丙烯脫附曲線 (Desorption curves) 是優化工效的關鍵。

　　動力學帶動的選擇性鈣 (Ca) 改性後的 TS-1-Ca1 顯著調節了 Ti³⁺-VO 物種環境。

  • 結構變化： Ti³⁺ 濃度從 6.47% 大幅躍升至 20.06%，顯著增加了活性位點。
  • 動力學提升： 脫附實驗證實，改性材料在 200 ℃ 下具備更低的表觀擴散率 (Apparent diffusivities)，伴隨Ca增加而逐步下降。從脫附的表現顯示，原因可能是Ca在TS-1內部的孔洞沉積而減少微孔的體積。
  • 實驗效果： 產物 PO 的快速脫附防止了分子在活性位點的「過度停留」，進而減少了乙醛（Ethanal）與丙烯醛（Acrolein）等副產物的生成，使 PO 生成速率達到 117.18 g·h⁻¹·kgcat⁻¹。

參考資料：doi.org/10.1016/j.cej.2025.171068 

結論

　　綜觀這三項技術案例，穿透曲線 (BTC) 的核心價值在於它不僅是「結果的紀錄」，更是「程序優化的指南」。對於資深顧問而言，BTC 提供了超越靜態等溫線的決策維度：

  • 能源成本： CALF-20 的寬溫篩分數據證明了其在中溫條件下的再生優勢，能直接降低工業運作能耗。
  • 化學精準度： 海泡石案例顯示了複合胺類如何透過化學協同與氫鍵穩定，在動態穿透中達成極高的二氧化碳選擇性。
  • 傳質效率： TS-1 的案例中顯示快速脫附動態對於抑制催化副反應的重要性。

穿透曲線 (BTC) 在多孔材料開發中扮演著不可替代的角色。它不僅是測量分離時間的工具，更是研究人員透視相互作用的微觀視窗，精確的動態數據都是材料走出實驗室、邁向規模化生產的唯一憑據。對於材料科學家而言，掌握 BTC 的陡峭度、穿透容量與擴散速率，便是掌握了工業分離純化技術的核心靈魂。

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