工廠、火力發電廠等設施，是排放二氧化碳的源頭大宗，也是最容易碳捕獲的環境。一代又一代的業者與學者，都希望更有效率回收人為產生的二氧化碳，而「薄膜」則是近來備受矚目的一種手段。
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<h2>吸收法、吸附法：把空氣中的二氧化碳抓起來</h2>
國立中興大學化學工程學系的孫幸宜教授解釋，目前從工業排放氣體中捕捉二氧化碳的技術很多，化學吸收法、等溫變壓物理吸附法已有較為普及的商業應用。不過優秀的創新方法當然不嫌多，科學家們亦持續研發。
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捕捉二氧化碳的方式，大致能歸納為3種：吸收、吸附、薄膜分離。化學吸收法的概念是，用單乙醇胺之類的弱鹼性溶液作為吸收劑，和二氧化碳產生化學反應，將其由空氣中分離出來。
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吸附法則是以固體吸附劑，藉由凡得瓦力或靜電力捕捉二氧化碳。沸石、活性碳、金屬有機骨架（metal organic frameworks, MOF）等材料之表面存在很多孔隙，相對表面積很大；氣體經過時，二氧化碳會被其吸附。國立臺灣大學化學工程學系的康敦彥教授指出：1 公克的 MOF ，內部可吸附氣體的表面積可達一個足球場這麼大。
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掌握人為產生的二氧化碳，不直接釋放到大氣中。
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<h2>薄膜分離法：把特定分子「篩選」出來</h2>
混合氣體中，二氧化碳有其特定的尺寸與親和力。薄膜氣體分離法便是利用這些性質，創造出只讓二氧化碳通過的特製薄膜。而且當然不只二氧化碳，氦氣、氯氣等不同氣體，都可以透過薄膜分離。
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例如富氧薄膜可以用於工業，也能安裝在冷氣中，提供氧氣濃度較高的空氣，讓使用者不易感覺疲勞。全球使用的氫則大部分來自碳氫原料氣化或蒸氣重組製程，以薄膜分離二氧化碳等副產物後得到之純氫。
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孫幸宜教授表示，吸收法、吸附法都會形成結合二氧化碳的產物，假如要繼續處理或利用，後續還免不了脫附的步驟。相比之下，薄膜分離法沒有結合二氧化碳，也就不用脫附。帶來的優點包括：設備占用面積較小、容易擴大規模、操作較為簡單、投資和維護成本低，能量消耗也較低。
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然而換個視角，優點也可能是缺點。由於薄膜材料不會結合氣體，所以分離後的二氧化碳也還是氣體；假如沒有立刻轉入再利用的步驟，儲存和運輸的便利性不如固體材料，現今在商業應用上較為不利。
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<h2>理想的薄膜材料：有機、無機、還是複合材料？</h2>
哪些材料適合製成薄膜？孫幸宜教授解釋，薄膜材料可分為有機、無機兩類，各有優缺點。
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有機膜材主要由「高分子」構成，具有種類多、製備成本低、可撓性佳、加工方便等優點。不過也有容易老化，以及耐高溫能力不佳之弱點。常用於氣體分離的高分子薄膜材質包括：聚碸、聚醯亞胺、聚碳酸酯、含聚氧化乙烯之團聯共聚合高分子、醋酸纖維素、矽氧樹脂等。它們具有優良的機械強度與化學穩定性，適合在高壓和多種氣體環境下使用。
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用於氣體分離的高分子薄膜，主要為「緻密型薄膜」，經由「溶解擴散機制」來分開氣體。大致過程是，氣體分子接觸進料端的薄膜表面時，溶解（吸附）進入薄膜內部；接著擴散透過薄膜，到達滲透端；最後於滲透端薄膜表面脫附，使氣體分子離開薄膜。
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至於無機膜材，則包括碳、沸石、金屬、金屬氧化物、金屬有機骨架（MOF）等材料，和有機膜材相比，優缺點幾乎互換。無機膜材之缺點為製備成本高、加工較不方便、可撓性不佳。優點則是機械強度高、耐高溫，化學穩定性佳，因此在進料氣體環境複雜、高碳濃度排放的產業，無機膜材似乎更有發展潛力 。
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無機膜材在分離氣體時，以「分子篩機制」主導，人為設計的次奈米孔洞能阻擋其餘分子，迎合二氧化碳尺寸，使其選擇性快速通過。有些薄膜又會輔以促進二氧化碳傳輸之通道 ，以加強效能。
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有機、無機膜材各有優點，也有一種思路是綜合兩者，用高分子為基材，摻混無機填料。例如康敦彥教授團隊便鑽研高分子結合 MOF 的薄膜。這類薄膜的無機填料，可以加強整體的機械強度與熱穩定性；且摻入多孔無機填料，能夠藉由特定之孔洞形狀與尺寸，增進薄膜的效能。
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在薄膜的型態上，可分為平面膜（螺旋捲式、板框型等）與管狀膜（中空纖維、多通道管狀等）等型態。中空纖維能形成單位體積內的最大表面積，也就是最高的填充密度，所以不論有機或無機膜材，主要皆向此一方向發展。
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<h2>優秀薄膜的條件，要快速通關，也要精準篩選</h2>
千變萬化的薄膜，如何評估其效能？「滲透率」（permeability）與「分離選擇率」（selectivity）是最重要的指標。
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孫幸宜教授解釋，單位時間內通過單位薄膜面積之氣體體積，稱為氣體通量。氣體通量除以進料端與滲透端之壓力差，可得到氣體之滲透性（permeance），單位為 GPU（gas permeation unit）。再乘以膜的厚度，便是「滲透率」，常用單位 barrer，是為了紀念 1910 年出生於紐西蘭的薄膜研究先驅 Richard Barrer。
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滲透性愈好，意謂氣體穿過薄膜愈快。然而，除了目標分子以外，薄膜也會放其他分子通過。例如煙道氣（flue gas）中除了二氧化碳，也含有大量氮氣。理想的薄膜要能阻止所有氮氣，只讓二氧化碳快速通過，實際上往往難以兩全。
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「分離選擇率」意指兩種氣體滲透率之比值。以煙道氣為例，現行普遍接受的標準為，二氧化碳的滲透性達到 1,000 到 5,000 GPU；二氧化碳對氮氣的分離選擇率超過 30，亦即通過超過 30 個二氧化碳分子，才會容許通過 1 個氮氣分子。分離出的二氧化碳純度足夠，才便於後續利用。
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氣體分離薄膜的研發方向為提高滲透性，也能兼顧分離選擇率。滲透性愈高，便能以較少面積與較低的壓降驅動力處理氣體，減少碳排，提高經濟效益。
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不過孫幸宜教授提到，學術研究多半關注薄膜的氣體滲透率，可是滲透率只與材質有關，與厚度無關。因此學術研發製備的薄膜多半較厚，滲透性沒那麼好，不利於商業應用。
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基於環境永續與減碳的大方向，薄膜之使用不只是分離二氧化碳而已，還要考慮整體的碳排與生命週期評估。包括原料、製備、回收再利用、氣體分離等步驟都會排碳，因此也必須考量設計、材料本身之影響，朝向製備時減少耗能、可長期重複使用、容易回收等方向開發。
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（客座總編輯｜東海大學化工與材料工程系 張嘉修講座教授兼副校長；研究顧問團隊｜國立中興大學化學工程學系孫幸宜教授、臺灣大學化工系康敦彥教授團隊；責任編輯｜曹盛威、趙筱文）