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薄膜科技的應用:「綠金」純化術–滲透蒸發

近年來石油價格高漲,開發其他可再生的輔助性能源,例如生物燃料等,以降低石油消耗,為新能源技術爭取更多時間,已成為現今科技發展的策略。
 
 
 

近年來石油價格高漲,然而人類追求高品質生活的夢想仍促使科技蓬勃發展,石油的需求量因而持續上升。因此所產生的溫室氣體,也造成人類在享受科技開發果實時需要承受的另一個嚴峻考驗。石油枯竭的隱憂及暖化現象造成的氣候變遷,終會是人們無法擺脫的夢魘,如何減緩石油消耗,尋找再生能源,已成為重要的課題。

以今日新替代能源的開發速率相較於石油需求成長率,似有緩不濟急之勢。開發其他可再生的輔助性能源,例如生物燃料等,以降低石油消耗,為新能源技術爭取更多時間,已成為現今科技發展的策略。如果輔助性能源對於降低環境污染、抑制溫室氣體能有幫助,更是目前最適切的選擇。

近年來世界各國都投入再生能源及新能源技術的開發,例如風能、太陽能等,期望獲得穩定的供應。但這些能源會受到氣候影響而衍生高度不穩定性,因此其所轉換的電力一般僅能當做備載電力。而在新能源技術中,生質能源是兼具環保與經濟效益的綠色能源科技,是最值得政府與民間大規模推動的綠色產業。

乙醇俗稱酒精,具有特殊芳香氣味、無色、透明且有刺激性,在醫療上常做為消毒殺菌劑使用。中國人雖然發展出精緻的釀酒技術,但也只嘉惠飲君子而已。其實乙醇屬於生質能源,和汽油具有良好的相容性,發動機只需稍加改造就可以使用,傳統汽油引擎也可以直接使用添加乙醇的混合燃料。此外,燃燒乙醇∕汽油混合燃料最大的優點,就是產生的二氧化碳、一氧化碳與含硫氣體比燃燒汽油少很多,是很好的環保燃料。

巴西是使用乙醇∕汽油混合燃料最成功的國家。早在 1930 年代,巴西就制定了乙醇燃料的推廣法規及生產技術標準,要求民眾使用乙醇含量 5% 的汽油(E5),政府用車則必須使用乙醇含量 10% 的汽油(E10)。

1970 年全球爆發石油危機,當時巴西約有 80% 的燃料仰賴進口,使得巴西政府損失高額的外匯,嚴重打擊其經濟。於是在 1977 年,巴西政府以保護農民經濟利益及促進農業發展為前提,並兼顧環境保護和發展高自主性再生能源的原則,積極推動供應 20% 乙醇∕汽油混合燃料(E20),甚至在 1980 年提高到 22%。 這一政策成功地解決了巴西石油缺乏的困境,也使巴西成為世界上發展生質能最成功的國家。

如何製造生質酒精

生物質中,只要含有可發酵性糖,如蔗糖、葡萄糖、麥芽糖、果糖、藻多糖等的,可以用來製造生質酒精。因此擁有可轉變為發酵性糖的原料,如甘蔗、甜菜、甜高粱等含糖作物,或含澱粉質的原料,如玉米、小麥、大麥、稻米、高粱、燕麥等糧榖類,和甘藷、樹薯、馬鈴薯等薯類,以及富含纖維素的稻稈、稻殼、玉米稈、麥稈、蔗渣、廢木塊、林木廢棄物、樹葉等,都可加以利用。

透過蒸煮以破壞植物組織,釋放儲藏在植物細胞內的澱粉粒,然後再經過糖化過程,把澱粉質原料轉化為糖,之後進入糖蜜發酵製程,再經由生物分解發酵、蒸餾、脫水,便能產製成酒精。但當酒精加入汽油做為汽車燃料時,使用的酒精含水量重量百分率必須低於 0.5%,以避免太高的含水量影響引擎燃燒效率與機件壽命。

如何製造無水酒精

一般無水酒精的定義是重量百分率含量達 99.5% 以上的酒精。但酒精與水具有共沸組成,即當酒精/水= 95.6 wt%/4.4 wt% 時就無法利用簡單蒸餾方式脫水。目前的生產方法有共沸蒸餾脫水、萃取蒸餾脫水、化學反應脫水、分子篩脫水等。

共沸蒸餾脫水是生產無水酒精最常用的方法,一般以苯、環己烷或乙二醇做為脫水劑,得到的無水酒精純度可達 99.8 ~ 99.95 wt%。萃取蒸餾常用的萃取劑,有甘油、乙二醇、醋酸鉀等。在蒸餾塔中,萃取劑由塔頂向下流,酒精蒸氣則由塔底向上升,進行逆流萃取,利用萃取劑把酒精中的水分帶走。無水酒精由塔頂逸出,塔底排出的則是含水分的萃取劑,萃取劑再生後可重複使用。

化學反應脫水是用生石灰、氯化鈣為脫水劑,在反應槽中加壓讓脫水劑吸收酒精中的水分,或利用醋酸鈉混合液在脫水精餾塔中逆向接觸進行酒精脫水,可得 99.8 wt% 的無水酒精。分子篩脫水是使接近共沸組成的酒精水溶液通過分子篩,利用分子篩可吸附水分的特性,使酒精濃度提高到 99 wt%以上。

但上述方法都需回收共沸劑、萃取劑或吸附劑,耗費大量能源,因此開發新一代低耗能脫水技術是刻不容緩的目標。

滲透蒸發

自從18世紀工業革命後,科技日新月異,各行各業的菁英竭盡所能造就了現今科學技術的多樣化。然而在這些卓越的研究中,有許多過於繁複、耗費能源又極占空間的操作程序,因此輕、薄、短、小就成為科技研發的最終目標。很幸運的,薄膜科技涵蓋了上述諸項特色。

薄膜分離技術適合應用於以傳統方法如蒸餾無法分離的混合物,如具共沸點或沸點相近的溶液、同分異構物、熱敏感性物質等,而且具有以下的優勢:節約能源;適用於熱敏感性物質,防止養分及貴重物質的質變;不需添加任何添加物於操作過程中,避免二次污染;可依據實際需求設計薄膜形態與模組結構;模組設計與擴充簡便,可依操作需求與其他的分離系統串接;總體設備占的空間小、構造簡單,操作與維護容易。

在薄膜分離程序中,滲透蒸發(pervaporation)是目前極受矚目的研究領域。在這項程序中,薄膜是一道經過特殊設計介於液相與氣相間的分隔層,提供了含水酒精轉換成無水酒精的途徑,且分離程序中不需高溫,只利用薄膜兩側的壓力差使液相進入薄膜內,因氣化成氣體而完成脫水分離,這是與傳統分離系統最大的差異。此外,相較於傳統的蒸餾分離系統是以氣-液平衡做為分離的基礎,滲透蒸發的選擇性是來自於待分離物質間分子大小的差異,以及對薄膜材料親和性的不同。

滲透蒸發的分離機制可分為 3 個步驟:混合液與薄膜表面接觸,並依進料物種的化學活性與對薄膜親和性的不同,造成進料溶解進入膜內;藉著進料分子本身的大小、形狀,以及進料和膜材特定的官能基親和性所造成擴散速率的差異,進而擴散通過薄膜;當滲透物質擴散透過膜材後,因為系統維持在低壓狀態,滲透物種會快速氣化而脫附。

以生產無水酒精為例,比較共沸蒸餾和滲透蒸發分離程序的能量消耗,顯示滲透蒸發分離程序只須七分之一的共沸蒸餾耗能,就可把 95.6 wt% 的酒精濃度提升至 99.5 wt%。因此若能結合簡單蒸餾及滲透蒸發兩種分離程序進行無水酒精的製造,將成為未來再生能源開發的明星製程。

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