郭峻男、李承軒、鄭明敏、傅崇瑋、賴宇倫、顏紹儀 / 工研院綠能所
過氧化氫在工業上作為氧化劑或消毒劑使用，其於製程中殘留會使當中的有價資源無法被循環再利用，同時增加了後續處理製程的難度，導致設備損壞及工安危害。本文分析比較現行各種處理過氧化氫技術的優缺點，並探討以稀土觸媒作為工業上催化裂解過氧化氫的應用潛力。因稀土元素可降低分解過氧化氫的活化能，同時具備多元的氧化價態，可靈活調控活性中心，搭配耐候性的載體及連續式處理系統，期能以新型低碳高效率且不產生副產物的過氧化氫處理技術，達到綠色製程與循環經濟目標。
【內文精選】
前 言
1. 液相中使用過氧化物的原由
過氧化氫(Hydrogen Peroxide)是一種化學式為H2O2的化合物，為無色液體，密度為1.463 g/cm3，比水稍微黏稠，可溶於乙醇、乙醚，是最簡單的過氧化物(具有氧–氧單鍵的化合物)。其對有機物有很強的氧化作用，一般作為氧化劑或消毒劑使用，而過氧化氫使用後會分解產生水及氧氣，同時具有環境友善及經濟價值等優點。
過氧化氫因通常和水配製成濃度不一的溶液來使用而被稱為雙氧水，依照不同的產業及用途需求，商業及工業過氧化氫的水溶液有3%、6~10%、35%及90%等不同濃度。如圖一所示，其中以35%雙氧水的使用量為最大宗，2022年全球的產值達到21.43億美元(432萬噸)，占比達67.43%；而且每年的使用量均在增長，以年均複合成長率(CAGR) 5.49%計算，2027年產值將達到28億美元，同年的全球雙氧水總產值預估也會來到40.4億美元，而其中亞太地區即占了46%。
圖一、2022年及2027年全球雙氧水產值統計及預測
液相中過氧化物的處理技術
1. 現有處理技術比較
現行含過氧化氫廢液可依照主要成分來加以分類，分別為水相、有機相以及酸性水相等三種。因應廢液特性須採用不同的處理技術，表三整理出了目前常見處理液相中過氧化氫技術、個別原理及其所適用的廢液種類比較，包含了過氧化氫酶(生物法)、觸媒催化、Na2S2O3還原、鹽酸氧化、活性碳氧化等處理方法。
表三、現行工業上處理液相中過氧化氫技術一覽表
水相處理方法主要是透過使用過氧化氫酶(Catalase; CAT)以及過渡金屬觸媒兩種。過氧化氫酶是一種廣泛存在於各類生物體中的酶，它是一種抗氧化劑，其作用是催化過氧化氫轉化為水和氧氣的反應，過氧化氫酶可與含雙氧水之廢液充分混合，藉由勻相催化達到降解目的，但也有回收困難導致耗損及較高處理成本。目前雖可藉由結合載體(Supporter)方式達到固型化來加以優化，但在實際應用上仍受到pH條件限制以及異味問題須克服。在金屬催化中，錳、鈷、鐵等過渡金屬可形成多價態金屬離子，有利於產生離子缺陷(空缺或是錯位離子)與電子缺陷(電子或電洞)，進而提升催化效果。常用的可溶性錳、鈷、鐵鹽類不僅具低成本優勢，且在pH = 10~11環境下具有不錯的雙氧水分解效果，但除了需添加氫氧化鈉調控酸鹼值外，同樣的勻相催化特性卻使其難以回收而提高了操作成本。
3. 適用液相的過氧化氯分解觸媒載體
另一個在液相中進行催化反應的挑戰點是擔載觸媒的載體選擇，因為異相催化反應效果深受所形成的觸媒結構型態影響。觸媒載體結構可分為粒狀(Granulated Systems)與結構化(Structured Systems)系統。粒狀泛指由粒徑在1~10 mm的顆粒或圓球形式催化劑所填充形成之觸媒床。Ding等製備了鋁酸鹽球形載體(dp = 2.3毫米)支撐的Cu催化劑，可達到90%的H2O2去除效率。搭載催化劑製備手法主要利用水介質進行簡單的浸漬，儘管水相前驅體浸漬的優點很多，例如相對較低的成本、易於規模化生產，但金屬的使用效率低，因為它的負載和還原不完全，不易控制燒結，且吸附位點的表面密度通常很低，致使搭載的金屬分散度雖高但量卻不足。粒狀系統因製備較為簡單而具有低成本優勢，但用於反應時會產生高壓損、接觸不均勻與高磨耗等問題。結構化系統則是指由單一塊材所形成的可堆疊建構單元，主要形式有整體(Monoliths)與泡沫(Foams)兩種，應用較為普遍的是由陶瓷(以堇青石為主)或是金屬材質之蜂巢狀Monoliths，藉由塗覆高活性觸媒粉體於表面與內部孔道之壁上，以達到高接觸面積與低壓損之效果 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》438期，更多資料請見下方附檔。