溫室氣體中的二氧化碳主要源自化石燃料燃燒,為了減少二氧化碳排放至大氣中,相關研究致力於發展碳捕集、利用與封存技術(CCUS)。其中,循環吸附法為捕集二氧化碳的關鍵技術之一,本研究採用變壓吸附(PSA)技術,從煙道氣中進行二氧化碳捕集。
本研究之變壓吸附裝置主要組件為不鏽鋼管柱,內徑為26公厘、外徑為30公厘、長度為500公厘,內部填充市售沸石13X(波蘭 Hurtgral 生產)。研究團隊在第三號管柱內部安裝熱電偶以測量沿著床層軸向的溫度變化;煙道氣則透過混合高純度二氧化碳(純度99.995%)與氮氣(純度99.999%)鋼瓶氣體而成,並使用美國 Aalborg 的質量流量控制器調節流速。二氧化碳氣流會通過填滿蒸餾水的恆溫飽和器進行濕度調節。
變壓吸附循環共包含四個階段:加壓、吸附、吹降及再生。在加壓階段,引入純氮氣將管柱壓力由常壓提升至3或5大氣壓(bar);隨後進入吸附階段,將包含不同比例二氧化碳(10%至20%)、氮氣及水蒸氣(相對濕度50%)的混合氣體通入管柱,直至床層達到二氧化碳完全飽和。在吸附過程中,利用英國 Hiden Analytical 的 HPR-20 R&D 四極柱質譜儀(MS)在管柱出口端實時測量化合物濃度。接著進行吹降階段將管柱壓力降至常壓;最後在再生階段通入少量純氮氣氣流以進行沸石13X的再生。整體量測過程中共執行了六次變壓吸附循環。
此外,研究團隊建立了基於偏微分方程與代數方程的變壓吸附過程數學模型,並透過MATLAB 軟體在特定邊界條件下運用數值線條法(numerical method of lines)進行計算與求解。為了驗證模型的準確性,研究將計算出的穿透曲線與質譜儀記錄的實驗穿透曲線進行對比,結果顯示模擬數據與實驗數據高度吻合,展現出良好的擬合效果。