理論基礎與文獻回顧

第二章 理論基礎與文獻回顧

2-1 二氧化碳的捕獲

現階段從化石燃料廠燃燒系統捕獲、分離二氧化碳的技術發展，可依照燃 燒方式區分為三種捕獲路徑^[8]：(1)燃燒前捕獲 (Pre-combustion capture)；(2)燃燒 後捕獲 (Post-combustion capture) ；(3)富氧燃燒捕獲 (Oxy-fuel combustion capture)。

各種捕獲路徑之程序如圖 2-1：

(a) 燃燒前捕獲 (Pre-combustion)

(b) 燃燒後捕獲 (Post-combustion)

(c) 富氧燃燒 (Oxy-combustion)

圖 2-1。現今主要化石燃料廠能源產生方法及捕獲方式。^[8]

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每種捕獲路徑條件不盡相同，材料需要使用來分離、捕獲氣體的種類也不 同，因此衍生出許多種材料，但主要的捕獲二氧化碳技術分為^[8]：(1) 化學吸收 技術 (Chemical absorption)；(2)薄膜分離技術(Membrane separation) ；(3) 物理吸 附技術( Physical adsorption)，在此章後面會更深入討論。

2-1-1 二氧化碳捕獲之路徑

2-1-1-1 燃燒前捕獲 (Pre-combustion capture)

燃燒前捕獲方式是先利用熱裂解或化學重組的方式，將化石燃料經由氣化 及部分氧化作用轉化為以一氧化碳和氫氣為主要成分之的合成氣(Syngas)，再透 過一氧化碳與蒸氣之水氣轉化反應(Water shift reaction)產生二氧化碳和氫氣，其 反應如下：

integratedgasification and combined cycle)^[9]，即是燃燒前捕獲二氧化碳的典型例子，

此技術受到國際間相當的重視，紛紛著手進行開發。

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2-1-1-2 燃燒後捕獲 (Post-combustion capture)

燃燒後捕獲是將發電廠燃燒後所排放出來之廢氣進行 CO²捕獲，優點為不

2-1-1-3 富氧燃燒捕獲 (Oxy-fuel combustion capture)

先將空氣中的氮氣分離，直接以純氧做為氧化劑和燃料進行反應，再將燃

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是能量損耗上來講，都需要花費大筆的資金，目前此燃燒系統還未見於發電廠 的應用中。

2-1-2 二氧化碳捕獲之技術

2-1-2-1 化學吸收技術 (Chemical absorption)

A. 胺類吸收：以胺類吸收技術作為主要碳捕獲技術之研究，當胺類官能基上 之氮原子與二氧化碳接觸時會形成胺甲酸銨類(ammonium carbomate)^[15]，而 升溫時又會分離回原來二氧化碳與氮原子，藉由室溫吸附升溫脫附來補獲、

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棄物(如礦灰)中，但礦石碳化技術涉及礦物之開採、粉碎、研磨與運輸，

仍需要大量之額外能源輸入。

2-1-2-2 薄膜分離 (Membrane separation)

薄膜分離重點在開發具有選擇性高、氣體流通率大、機械強度好、耐高溫、

2-1-2-3 物理吸附技術 (Physical adsorption)

物理吸附主要是借由二氧化碳與材料之間的凡德瓦力、靜電力、等較弱的 吸引力，來將二氧化碳與材料結合，此種方法所用的材料包含較大表面積的，

沸石、活性碳…等等。另一種物理吸附是靠二氧化碳溶於液體當中，如: Methanol,

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N-methyl-2-pyrrolidone…等等。物理吸附主要是靠提高壓力來讓材料吸附二氧化 碳，脫附時藉由回到一般常壓即可，有時候也伴隨些微提升溫度。

2-2 含氮官能基捕獲機制

含氮官能基主要是靠氮原子上的孤對電子，為鹼性電子贈與者(electron donor)，與二氧化碳上的碳，為酸性電子接收者(electron acceptor)在室溫、一大 氣壓下反應變成胺甲酸銨類(ammonium carbomate)^[23]，如圖所示。此方程式為可 逆的，再經由升溫步驟脫附回二氧化碳與含氮原子材料，藉此降溫吸附、升溫 脫附，來達到捕獲、運送、儲存二氧化碳的效用。

圖 2-2。含氮原子材料與二氧化碳發生反應之圖示。^[23]

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2-3 研究動機

由於前面提到二氧化碳捕獲與封存此技術最大困難在於捕獲二氧化碳所需 要耗費大量能量，而一般大多研究的材料如:乙醇胺 (monoethanolamine，MEA)、

聚乙烯亞胺 (Polyethyleneimine，PEI)，其脫附二氧化碳所需溫度，分別為 150 ^OC 與 110 ^OC，其結構如表。

材料種類 材料名稱 脫附溫度

乙醇胺

(monoethanolamine，MEA)

150

C

聚乙烯亞胺

(Polyethyleneimine，PEI)

110

C

表格 2-1。普遍使用於二氧化碳捕獲之研究材料。

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我們為降低其毒性以致無毒、穩定，因此我們合成其聚合物，聚苯胺 (polyaniline，

PANI) ^[26]來作為我們此次研究的材料。

材料種類 材料名稱 脫附溫度

苯胺 aniline 聚苯胺

Polyaniline，PANI

表格 2-2。苯胺、聚苯胺結構示意圖。

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