熱的應用

 
2017/01/06 徐敬閎 | 台灣中油股份有限公司探採研究所
生活中煮飯、燒開水都屬於熱的應用(圖片來源:種子發)
  • 生活中煮飯、燒開水都屬於熱的應用(圖片來源:種子發)
 
生活中的熱作用

「熱」作用於物質時,會隨著作用的時間與溫度而使目標物產生不同的物理或化學變化。以燒開水來說,當給予水一個穩定的熱能輸入,一段時間後水沸騰時,液態的水就轉變成氣態的水蒸氣,這是物理改變。食安風暴時,回收油之所以受到熱烈討論,主要是因為持續高溫加熱的回收油會使油品發生化學作用,而產生對人體有害的物質。

在國、高中自然科學實驗課中,大多數人都曾對竹筷進行乾餾實驗。乾餾是在隔絕空氣的條件下加熱反應物,以提取其中的液體或固體成分,隨加熱溫度的差異可能產生不同的物理化學變化。熱作用在化學分析上也有舉足輕重的地位,利用不同的熱處理設備搭配分析儀器,可廣泛應用於各領域解析樣品。

熱脫附

熱脫附與熱裂解作用最大的差異,是對目標物使用的溫度以及是否牽涉到分子內化學鍵結的破壞,這類目標物多是有機化合物。

熱脫附可使用於已吸附小分子量有機物的吸附劑。吸附劑能吸附分子量較小的有機物,常見的吸附劑有無機鹽類、活性碳及有機高分子聚合物、分子篩等。吸附劑能有效吸附氣體或液體中的特定化學物質,其特點是大的比表面積、合適的孔洞結構、對目標物有強烈吸附能力且不產生化學反應。吸附劑經一段時間吸附作用後,再利用熱作用使被吸附物質脫附至分析儀器內,由於未牽涉到化學鍵結作用,吸附劑可以重複使用,但仍有其使用年限。

另外,針對微量分析中以吸附劑概念發展出的固相微萃取法,是把吸附劑塗布在細小的探針纖維上,並把探針直接作用於液體或加熱液體,使揮發性有機物氣化到密閉容器上部空間,這種吸附稱為頂空採樣。它的優點是不需要使用機械力量讓流體通過吸附劑,吸附完成後直接把探針置入分析儀器中便可脫附分析,且可重複使用。操作雖簡便,但成本較高。

熱裂解

熱裂解的分析對象大多是高分子量且結構複雜的化學物質,這類物種一般都有高沸點、不易氣化的特性,限制了分析儀器的使用,因此需利用更高的溫度使化學鍵結斷裂,產生分子量較小的物種。

熱裂解是在無氧的環境下,把物種加熱升溫引起分子分解,產生焦炭、可冷凝液體和氣體三種產物的過程。換言之,原料在缺氧的條件下,快速加熱到較高反應溫度,經由熱裂解引發大分子的分解,產生了小分子氣體、可凝性揮發分,以及少量焦炭。石油工業中,常以熱裂解破壞高分子量烷烴分子內的碳鍵,生成較小的碳氫化合物,溫度與催化劑的使用對反應速率與所生成的物質有很大的影響。經由熱裂解,能夠生成更具經濟價值的烯烴等不飽和化合物。

氣相層析原理

經由熱脫附或熱裂解所產生的有機物,最常使用氣相層析法分析。層析的作用就是把混合物裡所含的成分分離,各成分依序在不同的時間點出現以進行偵測。

氣相層析系統包含載氣、注射阜、烘箱、層析管柱、偵測器、數據處理系統等單元,所分析的樣品多是有機相且預先溶於溶劑中以調整濃度,再使用注射針導入系統內分離。樣品的注射量通常在微升等級,進入注射阜後樣品隨即氣化,氣化溫度通常會以分析物裡最高沸點的物種為主,再經由高壓載氣攜帶進入層析管柱分離,管柱尾端連接偵測器,各物種依序到達並顯示於數據處理系統中。以下說明幾個「熱」作用搭配分析儀器的應用實例。

香精萃取製程植物開花時會散發不同的香氣,這些香味的來源是由各種不同的化學分子混搭而成,這些分子從花苞到綻放的階段也會隨之改變。通常原料是在花苞時期就採收存放,這時的花苞尚未熟成至可釋放足量產生香氣的化學物質,並不適合投料生產。為了追蹤花苞在存放時期釋出化學成分的種類與數量,會使用吸附劑進行其捕捉與熱脫附釋出,隨後導入氣相層析系統觀察各階段的組成,依此做為投料時間的參考,提供品質管理的科學依據。

食品檢驗

食品業也廣泛使用熱脫附進行檢測,除了可以分離鑑定食品中天然香氣的組成物質外,最重要的是分析食品中的添加物與殘留汙染物。在食安風暴中,調合油的混摻及非法添加物的檢測,也可使用這方法建立氣相層析指紋圖譜,並輔以其他檢驗方法,為食品安全做更嚴格的把關。

此外,燒烤跟油炸應該是時下很受歡迎的兩種烹調方式,雖對健康危害不小,但其風味確實有迷人之處。以燒烤為例,其風味來自於蛋白質受熱後反應所釋放的化學分子,不同肉品有其獨特風味。利用吸附劑捕捉這些物質後,以氣相層析質譜儀鑑定化學結構,便可了解這些風味是由哪些化學物質混合而成的。

環境汙染檢驗

空氣和水是人類與萬物生長及維持生理機能運作不可或缺的要素。科技進步、新興工業崛起,人的生活品質也跟著提升,但伴隨而來的汙染議題也成為各界矚目的焦點。

揮發性有機物如苯環類芳香烴、胺類、醇類、醚類、酯類、有機酸類及石油碳氫化合烴類對空氣造成嚴重汙染,這類化合物在常溫下以氣態分子形式存在於空氣中,易被皮膚、黏膜等吸收而對人體產生如咳嗽、頭暈、嘔吐等急性危害。

此外,這些物質有相當程度的水溶性,可能透過沐浴和飲用進入人體。除了急毒性危害以外,這類物質大多具有致腫瘤性、致畸胎性、生殖毒性與干擾人體內分泌系統引發雌性化現象的遺傳毒性,對環境安全與萬物生存繁衍構成嚴重威脅。

目前已有多國制定國家標準,採用熱脫附氣相層析法測定揮發性有機物,環境分析化學領域的專家學者也延伸應用這技術於空氣與水上。例如,以混合型吸附劑針對室內氣體採樣,測定揮發性物質的濃度與吸附效率,以及使用固相微萃取法配合頂空採樣,鑑定自然水體中揮發性有機物的種類與含量。

高分子產業中的應用

日常生活中無處不存在著高分子產品,這類物質是由稱為單體的組成單元經由一定型式的聚合反應產生高分子量的大分子結構。不同單元結構或聚合方式的選擇,對高分子的物理性質或結構有顯著影響,應用方向也會有所差別。

熱裂解氣相層析質譜儀是分析聚合物熱作用行為產物的最佳工具之一。高分子材料的熱裂解行為最大影響因素是溫度,不同溫度的熱作用會牽涉到裂解反應的完整度及產物組成。要完整探討各作用溫度的裂解行為,通常會採用分段熱裂解技術,把聚合物由低溫至高溫做一系列的裂解實驗,根據層析圖譜上產物訊號數量與強度的增減,進一步推測裂解行為的機制、聚合物的結構組成與分子量範圍等,提供開發和製程重要的參考資料。

石油探勘上的應用

現今我們生活周遭充斥著石化工業商品,而石油的來源需依靠探勘發現。探勘就是先找到可能存在油氣的位置,再鑽井驗證是否蘊藏油氣。評估礦區油氣潛能的工作稱為生油岩評估,其中一項是岩樣熱裂解分析,把岩樣置入熱裂解儀再以升溫梯度模式加熱至攝氏600度,並即時記錄過程中在各作用溫度下所產生的有機物會即時記錄。熱裂分析主要包含游離性有機物及裂解性有機物,前者是已從生油岩中釋放出的油氣分子,後者則代表生油岩中尚有多少油氣潛能。

在鑽井過程中,常會因地底下岩性的不同而使用不同類型的泥漿輔助鑽探,一般分為水基及油基兩種。水基泥漿以水為主體,含量在50%以上,是使用上的首選。但當遇到如泥岩帶等地層時,為求鑽探過程的穩定,會使用以柴油為基底的油基泥漿,而大量外來有機物會嚴重影響取出的岩樣,造成熱裂分析干擾,並影響油氣潛能評估工作。外來汙染物的含量一定遠超過生油岩裡有機物的含量,但這些油基汙染物僅在岩樣表面和孔隙間吸附並未形成化學鍵結,僅會對游離性有機物造成影響。

早期在處理這類樣品時大多採用溶劑萃取法,把汙染物和游離性有機物萃取出來,處理後的岩樣再經低溫乾燥進行熱裂解分析。但由於岩樣在溶劑中與萃取物共存,因此仍有汙染物殘留和需使用毒性有機溶劑的缺點。

柴油基底的泥漿有機物沸點約在攝氏170~390度之間,可採用分段熱脫附氣相層析技術找出樣品去除汙染物的最佳溫度,再把岩樣以該溫度熱處理,可在短時間內有效去除汙染物,且過程中不需使用有機溶劑,不會有殘留干擾問題,是相當實用的前處理與分析方式。

現今的分析檢驗技術已導向樣品前處理過程簡化,且能與分析儀器結合為主,加上環保意識抬頭,傳統使用大量有機溶劑處理程序也逐漸減少,或以無溶劑化方法取代。「熱」是一種取得方便且成本低的能量來源,不單是日常生活不可或缺,在科學領域也廣泛使用。


 
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