楊任軒、鍾韻柔 / 臺北科技大學環境工程與管理研究所
國際淨零排放趨勢興起，全球主要國家皆提出相關的減碳策略與技術，國際能源總署潔淨能源技術指南中，將廢塑膠透過新回收技術以減少降階回收列為其減碳路徑之一。氫能被列為我國達成2050淨零排放的十二項關鍵戰略之主要選項，廢塑膠熱裂解結合重組反應可生成富含氫氣與一氧化碳的合成氣，有助於我國之氫能發展，並運用於零碳製程原料、運輸與發電無碳燃料等面向。本文將介紹廢塑膠熱化學轉化技術，以及廢塑膠熱裂解結合重組反應生成合成氣的主要途徑，並探討其研究發展現況。
【內文精選】
塑膠熱化學回收技術
1. 廢塑膠熱化學轉化技術
熱化學轉化技術可用於廢棄物減量化、回收再利用及能源回收，進而取代廢棄物掩埋。依有無氧化劑與反應溫度區間，將熱化學技術分為燃燒(焚化)、裂解及氣化等，水熱液化亦為近年常用於轉化固體廢棄物的熱化學轉化技術。廢棄物於過量空氣直接燃燒(焚化)過程中，可產生熱能及電力，然而碳氫化合物與氧氣反應會產生二氧化碳、水及氫氣，其他無機物如硫及氮則會轉為硫氧化物及氮氧化物，亦會生成飛灰及底渣。裂解及氣化被認為是更有效的廢棄物減量技術，裂解是指在無氧的環境下，於400~900˚C加熱廢棄物，為主要用於轉化塑膠廢棄物為液態燃料及化學品的方法，已有相關研究透過裂解塑膠廢棄物獲得蠟(Waxes)、烯烴(Olefins)及多種單體；氣化則是在低於完全燃燒所需化學計量比的氧化劑(如空氣、純氧、蒸汽、二氧化碳或其混合物)下，將塑膠廢棄物轉換為氣態產物(包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷及合成氣(Syngas)等)，可進而作為氣態燃料及化學品。水熱液化為使用超(亞)臨界流體將有機物質轉化為液態產物的熱化學解聚方法，由於超(亞)臨界流體的特性，於溫度280~450˚C、壓力7~30 MPa下，可快速轉化有機廢棄物為裂解油。塑膠廢棄物主要的熱化學處理技術及相關產物整理如圖二。
圖二、塑膠廢棄物熱化學處理技術之途徑及產物
廢塑膠熱裂解結合重組反應生成合成氣
1. 蒸汽重組
蒸汽重組溫度在工業上通常介於800~900˚C，其為吸熱反應，因此反應過程常用觸媒來降低其所需的活化能。在蒸汽重組的同時，副反應水煤氣轉移反應會使氫氣產量上升，因而得到適宜比例的H2及CO合成氣，以利於接續費托合成反應(Fischer-Tropsch Process)。
在熱裂解塑膠結合蒸汽重組反應時，若熱裂解塑膠產物中含有正己烷、正十四烷、甲苯等，會較容易產生烯烴類及芳香烴物質，相較於石蠟烴更容易導致無定性碳生成，進而使觸媒失活；除此之外，直鏈烴相較烯烴及芳香族化合物具有更高的反應性，並隨著碳數的增加反應活性降低。而經熱裂解反應後之揮發分，由於其組成的複雜程度，在蒸汽重組時需使用活性及熱穩定性更好的觸媒。觸媒在催化蒸汽重組反應中扮演重要的角色，過去常以活性高的貴重金屬作為蒸汽重組之觸媒，如：釕、銠、鐵、鎳等，其中貴重金屬釕及銠被認為是具有較高催化活性的觸媒，但由於其成本高昂而不利於大規模工業應用。
Xu等人利用稻殼及聚乙烯(PE)進行熱裂解結合蒸汽重組反應(如圖四)，在塑膠與生質物催化重組的過程中，利用Ni/γ-Al2O3觸媒應用於兩階段固定床反應器，將塑膠與生質物共同熱裂解，接著加入蒸汽進行蒸汽重組，進而提升合成氣的產量且減少積碳沉積。實驗首先將不同比例混合之PE及稻殼以600˚C進行裂解，下層蒸汽重組反應則設定為800˚C。結果顯示，加入PE與生質物共同催化重組後，焦油的產量增加，可能是因為PE長鏈的分子較不易被分解，因此在蒸汽重組反應中形成焦油；另外，隨著PE比例增加，合成氣的產率可提升至50~75%。
圖四、塑膠及生質物共熱裂解結合蒸汽重組之反應器示意圖
3. 蒸汽+二氧化碳雙重組反應
Saad等人利用混合LDPE、HDPE、PS、PET、PP等塑膠作為進料物質，將Ni-Mg/Al2O3、Ni-Co/Al2O3兩種觸媒應用於雙重組反應，並評估其催化活性。塑膠熱裂解反應於500˚C進行，觸媒放置於第二階段反應器800˚C下進行蒸汽及二氧化碳的雙重組反應。結果顯示，當使用Ni-Co/Al2O3觸媒時，其CO2/蒸汽之最適比為4:1，每克的混合塑膠可獲得133.87 mmol的合成氣，H2/CO比為0.94；使用Ni-Mg/Al2O3時，其CO2/蒸汽之最適比為4:1，每克的混合塑膠可獲得146.77 mmol的合成氣 ---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》443期，更多資料請見下方附檔。