材料吸附科學簡介

發佈:2023-04-21, 週五

吸附 (Adsorption) 這個科學詞彙,是由德國的物理學家 - 凱澤(Heinrich Gustav Johannes Kayser) ,於西元1881年所創,被用來描述粒子附著於材料表面的現象。這種現象被研究、理解之後,如今已經廣泛地被應用在我們的日常生活中,比如說,口罩上帶靜電的纖維,會吸附空氣中的灰塵、病菌,達到過濾的效果;濾水器放入麥飯石,會吸附雜質、將水淨化;乾燥劑吸附空氣中的水分子來去除濕氣。這些都是吸附的實際應用。

近年來,極端氣候已經嚴重影響人們的生活與經濟活動,其成因指向因為石化能源的過度使用,使得大量內含碳元素的溫室氣體分子,如一氧化碳、二氧化碳、甲烷...,逸散到空氣中,進而造成日照所獲的輻射熱量累積過多、無法有效散去,進而嚴重影響原本的自然散熱循環機制(植被、水系、洋流、冰層),產生極端氣候。就像內分泌失調的身體,不但渾身都不對勁、還小疾大病不斷。

為了設法降低空氣中的溫室氣體,恢復過往的自然環境氣候,科學家想方設法尋求有效解決方案,其中,「材料吸附」是一項廣泛被研究探討的科學領域。這種方法,利用材料本身的物質特性,將空氣中的溫室氣體吸收附著,甚至將其取出並儲存到別處之後,原來的材料還能重複使用。

在這類的研究當中,根據材料吸附的工作原理,被分成物理吸附 (Physical Adsorption) 與化學吸附 (Chemical Adsorption) 兩種。物理吸附,囊括那些通過凡得瓦力 (van der Waals force) 將目標物質黏著在選定材料上的方法;而化學吸附,則是讓目標物質與選定材料產生化學反應以後,得到另外一種化合物的方法。用於物理吸附方法的吸附材料,通常可以重複使用,比如除濕劑蒸乾消除裡面的水分之後,可以再次除濕。吸附之後,需要再設法把被吸附的物質取下儲存。而化學吸附所形成的化合物,可以在刻意的條件設計下,不用二次處理,直接將成品用作它途。因此兩種方法都有它的特定使用場合,跟各自的優缺點。

無論那一種吸附方法,首先要考慮的是吸附材料的效率、還有吸附材料本身是否容易且大量取得。其他還包含吸附過程所需給予的添加劑或能源,不能為了吸附眼前的溫室氣體卻在其他看不到的地方,創造更多溫室氣體。比如電動車雖然不會在城市中排放溫室氣體,卻需要在蓋更多更大的火力發電廠,可能產生更多溫室氣體出來。再者,吸附的系統設置成本也是需要考量的因素,總不能大到執行單位無法負擔的程度。因此科學家不斷尋找、研究、試驗這些新的吸附材料和方法,就是要找出最合適的解決方案。