工業材料雜誌五月號推出「VOCs處理」與「二氧化碳回收再利用」兩大綠色永續技術專題

 

刊登日期:2017/5/8
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霧霾、PM2.5、VOCs、溫室氣體、氣候變遷、節能減碳…,這些威脅著地球永續的議題,伴隨著我們每日的呼與吸,行與止,成為人類共業;且涵蓋於各產業,刻不容緩必須積極面對處理。科技,能在這些議題上盡什麼力?365期「工業材料雜誌」拋磚引玉,與讀者攜手探討VOCs處理以及二氧化碳回收再利用的解決良方。

VOCs處理
2015年2月28日,中國央視前主播柴靜自費拍攝的紀錄片《穹頂之下》在網路上播出,短短幾天之內即獲得大約兩億次的點擊率。看到《穹頂之下》的那些鏡頭、數字,在感動、震撼之餘,其實霧霾的可怕與生成細懸浮微粒PM2.5的關聯性,並非無法破解。如何運用科技的手段,降低生成與處理空氣污染的問題是企劃本期專題的立意,期待以前瞻技術發展為核心,提出多種科學手段與方法,與業界一起投入開發來解決揮發性有機化合物(VOCs)的危害。

塗料中的VOCs是僅次於汽車廢氣的第二大空氣污染源,對環境與人體皆有不良影響,不容忽視。專題以「VOCs塗料市場技術展望」揭開序幕,透過簡介VOCs的危害、塗料中VOCs的種類、各國相關法規以及現今市場常見的VOCs減量技術,盤點盱衡後帶入本期VOCs處理技術探討。

PM2.5的危害源自於工業運作上所排放的VOCs、NOx、CO2等所形成的二次氣膠,這類有害氣體的去化在於將VOCs氧化成無害的CO2與H2O,或是將NOx還原成N2與O2。氧化還原步驟需要一個低成本、低溫、低耗能、環保無副產物的處理技術,鈣鈦礦氧化物扮演著關鍵的氧離子交換的固態觸媒材料,可作為有害氣體氧化還原的橋樑。「鈣鈦礦氧化物對溫室氣體氧化還原的潛力」一文介紹藉由靈活操控鈣鈦礦材料中的元素調整,或製成固態氧化物電解質元件,可有效率地氧化還原溫室氣體成無害或有經濟價值之產物,是未來相當有潛力的關鍵材料。

而光觸媒材料正廣泛應用在環境汙染控制與空氣清淨,特別是在空氣汙染防治上,顯示光觸媒產品於環保應用方面具有極大潛力。目前的光觸媒商用產品以TiO2為主,由於其能隙為3.2 eV,因此只能吸收紫外光的能量進行觸媒作用;在太陽光譜下使用,僅能利用其不到5%之光能。由於室內環境並不存在紫外光,因此需要外加的紫外光源驅動,造成額外的能量消耗。在節能意識要求下,可吸收可見光的觸媒材料是研發之主要方向,可見光觸媒材料可在室內光源環境下進行觸媒反應,也就是利用室內照明即可發揮除汙效果,將大幅增加光觸媒材料的應用性。在「可見光觸媒材料之技術發展」一文對目前的解決方案包括:多元金屬氧化物、金屬/半導體複合、元素摻雜、異質接面結構等材料技術進行了完整介紹。

目前吸附技術最常應用於工業廢氣處理,主因為多孔的吸附劑有相對低的成本、簡單的設計、容易操作和容易再生的特性。「多孔材料應用於VOCs吸附」一文簡述沸石、活性碳、氣凝膠、金屬有機框架(MOF)等多孔吸附材的原理與特色。吸附技術對於各種VOCs氣體均適用,但在選擇吸附劑時需注意吸附質的最大分子尺寸與吸附劑孔徑的關係、吸附質和吸附劑之間的親和力、吸附劑的熱穩定性、以及吸附劑的工作條件(如溫度、吸附質濃度、濕度)。雖然氣凝膠與MOF材料吸附效果佳,但要商品化需更多研究進一步釐清有機氣體吸附的機制,成本和量產性的問題也須克服,相信隨著科技進步,未來有機會替代傳統吸附材料。

二氧化碳回收再利用
2015年12月聯合國氣候高峰會中通過「巴黎氣候協議」(Paris Agreement),希望在2050年把全球平均氣溫上升幅度控制在比工業革命前水準高攝氏2度的範圍內,並努力達到1.5度的目標。我國在此會中簽署自主減碳承諾(INDC),將於2030及2050年分別較2005年減少20%及50%的CO2排放量,實際將減量1.2億噸的CO2。並於2015年7月通過溫室氣體減量管理法,要求逐步讓國內碳排大戶減少碳排放。要降低二氧化碳排放量,須從節能及減碳做起,節能是要從提升能源使用效率及增加再生能源比例等方式,直接減少二氧化碳的排放;而減碳方向則朝向先將發電廠、煉鋼、水泥、石化等大型工業中排碳最多的產業,經由二氧化碳捕獲、封存及再利用的方式進行減排。開發有效的觸媒及製程方法以確保不會產生額外的CO2及能耗,為目前重要的研發方向。

由「活用二氧化碳惰性小分子」與「高效觸媒轉化C1衍生化學品」為布局主軸,二氧化碳回收再利用專題以4篇不同技術、產品及推廣的應用產業,與大家共同思考CO2捕獲及再利用方法,並集思廣益共同找出適用於國內產業的減碳方法。

以吸收與吸附捕獲CO2技術的發展現況」一文回顧近年來以吸收及吸附法捕獲CO2的技術及所面臨的挑戰,針對利用製程改善與配方改良兩個方向來解決吸收劑的腐蝕性、劣化、揮發及再生能耗等挑戰的成功案例進行討論,並整理國內CO2捕獲示範廠的相關資訊,及介紹將粉末製成顆粒的關鍵製錠技術。這些知識是後續製程放大,以及自主技術發展與輸出規劃的重要參考資料。

觸媒氫化用於CO2減排的機會」檢視觸媒氫化在CO2資源化利用的近況及機會。雖然碳捕獲及封存(CCS)方法被賦予減低CO2排放量的重要任務,而且在各國亦正已進行大規模研發及測試,但在實施上仍存在很多技術及環保的問題亟待解決。CO2雖然是一種溫室效應氣體,亦是一種含有一個碳(C1)的碳源,透過觸媒轉化,有效地將CO2轉化成化學品或燃料,除了滿足溫室效應氣體減量的目的外,亦是確保碳循環得以永續運轉最關鍵的要素,因此碳捕獲及再利用(CCU)是一種合乎環保及經濟考量的減排方案。使用CO2為化學原料其最大的缺點在於CO2的穩定性及惰性,反應性低的結果為CO2未被充份利用的主因,觸媒在改善CO2反應性不佳,以及將之從廢棄物蛻變成可再生原料此兩者中扮演極重要的角色。雖然目前CO2的再利用率偏低,對減排的貢獻尚屬杯水車薪,但仍具有深遠的意義。由於氫氧具備高活性特質,如能搭配適當的氫化觸媒使用,氫化反應將在CO2工業應用上扮演極重要的角色,持續開發高性能CO2氫化觸媒及低成本氫氣應是CCU得以落實的首要任務。

在化工領域中,以二氧化碳作為原料進行化學品生產,即為CCU的一大分項,而「二氧化碳應用於氫醛化產醇之技術介紹」一文探討在氫醛化產醇製程中使用二氧化碳取代一氧化碳進料的新穎做法與相關文獻,並揭露工研院在此項技術中的最新成果。可應用於生產醋酸及塑化劑單體的化學品,技術開發為不需更動太多現有設備即能達到取代效果。

聚碳酸酯二醇(PCDL)主要應用於聚氨酯材料中作為軟鏈段部分,相較於傳統型聚酯與聚醚多元醇,其所合成之高階聚氨酯材料具有較佳的耐水解、耐熱、耐氧化降解與機械特性等。因此,近年來對於聚碳酸酯二醇以及聚碳酸酯型聚氨酯新材料的開發,也越來越獲得重視。「聚碳酸酯二醇聚合技術及其應用」一文介紹聚碳酸酯二醇合成方法以及其在聚氨酯原材料中的相關應用如皮革、塗料、膠黏劑、彈性體以及硬質、軟質發泡材等耐久性聚合物等。

主題專欄
光電/顯示主題專欄本月推出兩篇應用於顯示器的新材料技術。在目前有機光電顯示領域中,由於熱激活化延遲螢光機制能夠回收三重態最低能階,使得單重態與三重態能量可以同時被利用,讓有機發光元件內部量子效率達到百分之百,所以熱激活化延遲螢光被視為次世代的有機發光元件。藉由熱激活化延遲螢光材料高效率的特性,其發展除了當作客體材料之外,還能夠作為主體材料和輔助型的客體材料。「OLEDs熱激活化延遲螢光材料之元件應用」介紹這些材料的元件運用與機制。熱激活化延遲螢光材料具有廣泛的用途,希望未來能夠完全取代具有稀有金屬的磷光元件。

金屬氧化物有多種不同的特徵。氧化銦錫(ITO)與銦鎵鋅氧化物(IGZO)可做為金屬氧化物半導體的兩大代表,但近年來全球對金屬氧化物的研究已擴展到以往比較不為人所注意的材料,例如Ga2O3等。「金屬氧化物半導體的材料特性與Ga2O3的研發近況」一文介紹金屬氧化物的特性與近來Ga2O3半導體的一些研發結果,其結合氧化物獨有的光學特性與半導體電性,將給應用領域帶來極大想像空間。

構裝散熱專欄「車載軟性電路板材料與技術(下)」接續前期將依附車載電子發展所必須對應的軟板技術做了說明,本期選擇幾個重要關鍵的軟板技術與材料,尤其是材料部分做解說,包括高導熱型軟板、白色軟板、厚型及耐高溫軟板、軟板結合感測器、內埋元件軟板、高頻高速軟板,同步結論車載軟板的機會與挑戰,為台灣電路板業找出下一個成長商機。

市場瞭望專欄「智慧製造在金屬製品業之應用分析」一文則指出,金屬製品業為台灣重要基礎骨幹產業,由於多為製造導向的中/小企業,重視成本與管理,目前正面臨中國大陸產品低價競爭及內需市場不振等衝擊。隨著物聯網、大數據、雲端運算、人工智慧等的運用愈來愈頻繁,透過應用案例解析,讀者可一窺金屬製品業的廠商開始朝智慧製造發展,進而帶動傳統製造上的創新。

其他專欄
材料補給站專欄帶領讀者親臨四月初東京的有明國際展覽館,第一手直擊掌握「從2017 Finetech Japan/高功能材料展看接著接合、OLED、薄膜材料現況與趨勢」。這場由日本最大專業商展公司Reed Exhibitions Co.精心策劃的國際大展,在全球45個國家的1,540家廠商熱烈參與下,三天展會期間吸引近7萬名業內人士到訪參觀,上百場的講座與技術研討會更吸引超過1.1萬名的專家進場聆聽。展會備受矚目,不只在東京掀起話題,更帶來超過千億的商機。工業材料雜誌在展會期間與工研院內多位技術專家合作,以Live報導方式將展會最新資訊與趨勢發佈在材料世界網http://www.materialsnet.com.tw。本期也重點彙整了參展廠商與講座亮點和最新技術趨勢,歡迎讀者們參考。

『高跟鞋』的青春華爾滋-材化所開發逆齡活肌新科技HYA-HEAL+」透過計畫主持人專訪,除掃描HYA-HEAL+從抗癌藥物、傷口照護、逆齡保養三步曲的研發歷程,也詳述HYA-HEAL+保養品的產品特色,透過簡單基礎保養,即可守護皮膚緊實Q彈,是母親節最佳的獻禮。伴隨亮眼的研發成果,材化所皮膚照護活性材料核心技術平台也已建立起完備能量,未來也希望能擴大對廠商的服務,歡迎有興趣的相關農業、材料、保養品廠商、醫美診所一同攜手共創商機。

「專利前哨站」本期發表三篇材化所剛出爐獲證專利。含氮化學品在石化業及高科技產業(如半導體製造業、光電業及LED等)的生產過程中為重要原料及化學品,但製程將產生大量含氮廢液或廢水,若無適當處理將使承受水體水質遭受污染,造成水中溶氧不足或優養化,「用於廢水處理之回收設備及廢水處理系統」揭示一種用於廢水處理的氨氮回收設備,包括酸鹼值控制單元、薄膜蒸餾單元、電透析單元。「消臭組成及消臭方法」是天然植物萃取的組成配方,可同時雙效清除硫化氫與甲醛造成的臭味,相當環保。「積層板及其製作方法」用於聚亞醯胺軟性電路板,高密度構裝的材料與製程技術將提高製程良率與產品可靠度。材化所技術豐富多元,歡迎業界挖寶與材化所智權加值推廣室(03-5913737)聯繫洽談。

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