TWI758610B - 氣體之處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種氣體之處理方法，其包含以下步驟：步驟(A)：收集包含二氧化碳和細懸浮微粒之氣體；步驟(B)：以水對該氣體進行淋洗，得到一經淋洗的氣體；以及步驟(C)：將該經淋洗的氣體與一鹼性水溶液以同向流的方式進行接觸，使該鹼性水溶液吸收該經淋洗的氣體包含的二氧化碳，得到一處理後之氣體以及一弱鹼水溶液；其中，該鹼性水溶液之pH值為9至14，該弱鹼水溶液之pH值為8至8.5。通過本發明之方法能同時降低氣體中之細懸浮微粒及二氧化碳之含量。

Description

氣體之處理方法
本發明係關於一種氣體之處理方法，尤指一種降低氣體中二氧化碳和細懸浮微粒之淨化處理方法。
隨著工業發展，工廠鍋爐、火力發電廠等排放燃料廢氣大增，空氣品質已遭受嚴重汙染。其中，排放之廢氣使溫室氣體含量增加，強化了溫室效應，造成全球暖化，使極端氣候增加、旱澇頻繁發生，極寒酷熱氣候常態化，影響全球農作物收成、南北極冰原溶解、海平面上升，嚴重影響生態和環境。因此，減少排放佔溫室氣體中主要成分之二氧化碳的已經是全球努力達成的目標。
此外，燃燒後排放之廢氣中的懸浮微粒更是直接影響人類健康。尤其是細懸浮微粒(例如：particulate matter 2.5，PM2.5和particulate matter 1.0，PM1.0)，由於其粒徑小於或等於2.5微米甚至小於或等於1.0微米之緣故，可穿透肺泡、抵達細支氣管壁進而影響肺泡的氣體交換，若長期暴露於細懸浮微粒的環境中不僅將引發呼吸道疾病，更會增加罹患肺癌的風險。因此目前迫切需要一種改善空氣品質的方法。
有鑑於現有技術無法有效改善空氣品質，本發明之目的在於同時降低氣體中之二氧化碳含量及細懸浮微粒含量，進而達到降低空氣汙染之效果。
為達前述目的，本發明提供一種氣體之處理方法，其包含以下步驟： 步驟(A)：收集包含二氧化碳和細懸浮微粒之氣體； 步驟(B)：以水對該氣體進行淋洗，得到一經淋洗的氣體；以及 步驟(C)：將該經淋洗的氣體與一鹼性水溶液以同向流的方式進行接觸，使該鹼性水溶液吸收該經淋洗的氣體包含的二氧化碳，得到一處理後之氣體以及一弱鹼水溶液；其中，該鹼性水溶液之pH值為9至14，該弱鹼水溶液之pH值為8至8.5。
依據本發明，藉由先以水對含有二氧化碳和細懸浮微粒之氣體進行淋洗，可吸收所述氣體中部分之二氧化碳，同時可沉降所述氣體中之細懸浮微粒，不僅可減少經淋洗的氣體中所含的細懸浮微粒，也可避免細懸浮微粒黏附於運輸氣體的通道；接著，再將鹼性水溶液以同向流(cocurrent flow)的方式接觸經淋洗的氣體，由於鹼性水溶液的流向和經淋洗的氣體的流向相同，因此能增長鹼性水溶液與經淋洗的氣體中之二氧化碳的接觸時間、增加酸鹼中和反應的機會，進而能更完全地吸收氣體中所包含的二氧化碳，實現了同時降低氣體中二氧化碳與細懸浮微粒之效果。
在本發明的一些實施例中，含有二氧化碳和細懸浮微粒之氣體的來源為火力發電廠、鋼鐵廠、水泥廠、石化廠、煉油廠、造紙廠、或供暖廠等燃燒煤、天然氣或燃油所產生的廢氣，但不限於此。
較佳的，前述步驟(B)中，所述水的溫度為100°C以下，藉此可降低所述氣體的溫度，更佳的，所述水的溫度為50°C至60°C。
較佳的，前述步驟(C)係於溫度為90°C以下進行，以避免溫度過高造成鹼性水溶液中包含的水分蒸發，使原本溶解在該鹼性水溶液中的鹼性化合物部分結晶析出，導致輸送鹼性水溶液之管線容易發生堵塞的情況；更佳的，步驟(C)係於4°C至90°C進行，因在4°C以下時，酸鹼中和反應的反應速率會降低；另外，若考量到所述鹼性水溶液和二氧化碳反應後得到的鹽類之溶解度，再更佳的，步驟(C)係於50°C至60°C進行。
較佳的，前述鹼性水溶液為氫氧化鈉水溶液，因為氫氧化鈉與二氧化碳反應所得到的產物(碳酸氫鈉)不僅不會造成環境汙染，還可收集後作進一步的利用，尤其在下述步驟(D)中的微藻養殖槽中，可作為良好的碳源。
較佳的，前述方法可進一步包含步驟(D)：將前述弱鹼水溶液加入含有微藻之微藻養殖槽中，作為提供給水中微藻行光合作用的碳源，以進一步製成保健產品、動物飼料或生質柴油。
較佳的，前述方法可進一步包含步驟(E)：將前述弱鹼水溶液之水分蒸乾，得到碳酸氫鈉固體。而得到的碳酸氫鈉固體可再供工業上使用，以增加本發明之經濟效益。
較佳的，前述步驟(C)包括： 步驟(C1)：將該經淋洗的氣體與該鹼性水溶液以同向流的方式進行初次接觸，使該鹼性水溶液吸收該經淋洗的氣體包含的二氧化碳，得到一經初次處理之氣體以及一第一弱鹼水溶液；以及 步驟(C2)：將該經初次處理之氣體與該鹼性水溶液以同向流的方式進行再次接觸，使該鹼性水溶液吸收該經初次處理之氣體包含的二氧化碳，得到該處理後之氣體以及一第二弱鹼水溶液，其中，該弱鹼水溶液包含第一弱鹼水溶液和第二弱鹼水溶液。更佳的，其中步驟(C2)可以重複進行一次以上；舉例而言，當步驟(C2)重複進行一次時，則表示該經淋洗的氣體於步驟(C)中，依序與新鮮的鹼性水溶液經過三次接觸。
較佳的，於前述步驟(C)中，該鹼性水溶液與該經淋洗的氣體之總接觸時間為5秒以上，更佳的，總接觸時間為15秒以上，再更佳的，總接觸時間為1分鐘以上。
較佳的，於前述步驟(C)中，該鹼性水溶液之流量為每小時500公升。
於前述步驟(C)中，由於該鹼性水溶液濃度越高，越容易造成該鹼性水溶液中的鹼性化合物部分結晶析出導致堵塞管線及提高操作上的危險度；相對的，鹼性水溶液濃度越低，則越需提高鹼性水溶液流量，相對耗能。因此，較佳的，該鹼性水溶液之濃度為1重量百分比至2重量百分比。
在一些實施例中，於前述步驟(C)中，該鹼性水溶液以水柱或直徑1 mm以上的水珠的形式與經淋洗的氣體進行同向流接觸。由於鹼性水溶液流量與氣體流量比例過高會使鹼性水溶液與經淋洗的氣體的接觸面積降低而且耗能增加；而流量比過低會使鹼性水溶液容易霧化飄散，溶解二氧化碳的效率降低。因此，較佳的，該鹼性水溶液之流量與氣體流量比為1：200至1：800，更佳的為1：400至1：700。
較佳的，前述微藻為葡萄藻(Botryococcus braunii )、小球藻(Chlorella sp.)、隱甲藻(Crypthecodinium cohnii )、細柱藻(Cylindrotheca sp.)、杜氏藻(Dunaliella primolecta )、等鞭金藻(Isochrysis sp.)、單腸藻(Monalanthus Salina )、微小綠藻(Nannochloris sp.)、擬球藻(Nannochloropsis sp.)、新綠藻(Neochloris oleoabundans )、菱形藻(Nitzschia sp.)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum )、裂殖壺菌(Schizochytrium sp.)、司西扁藻(Tetraselmis suecica )、極大節螺藻(Arthrospira maxima )、鈍頂節螺藻(Arthrospira platensis )或其組合。再更佳的，該微藻為利用海水養殖的小球藻、杜氏藻、等鞭金藻、微小綠藻、新綠藻、裂殖壺菌、螺旋藻或其組合。
本發明之優點在於先以水淋洗的步驟達到沉降包含二氧化碳和細懸浮微粒之氣體中的細懸浮微粒及吸收部分該氣體中的二氧化碳，再將鹼性水溶液與經淋洗之氣體以同向流的方式接觸，增加鹼性水溶液與二氧化碳之作用時間，使酸鹼中和反應能進行完全，因此本發明同時達到大幅降低氣體中之細懸浮微粒及二氧化碳之效果，降低溫室氣體之排放及淨化空氣品質，改善生態及環境。
此外，依據本發明，處理氣體後所得之弱鹼水溶液，可進一步用於微藻養殖加工製成動物飼料、保健產品及生質柴油或製備工業用碳酸氫鈉固體，且養殖微藻之水溶液可回收利用於二氧化碳之吸附，使得本發明之產物皆能被有效運用。
首先，步驟(A)收集含有二氧化碳和細懸浮微粒之氣體。該氣體係收集自煉鋼高溫鍋爐排放之廢氣，其中含有平均約159克/立方公尺 (g/m3 )之二氧化碳及平均為35.42 mg/m3 之細懸浮微粒PM2.5，且該氣體之溫度高達400°C以上。
接著，步驟(B)以水對該氣體進行淋洗，得到一經淋洗的氣體，使該氣體中之PM2.5沉降並使所述氣體中之部分二氧化碳同時溶解於水中。將前述收集得到的氣體以330 m3 /hr之流量，且經由二氧化碳偵測儀(New Guardian® , Edinburgh Sensor)偵測二氧化碳之濃度平均為52.5 公斤/小時(kg/hr)，通過流量為2 m3 /hr至5 m3 /hr的50°C以下的水持續淋洗5秒鐘，使得該氣體之溫度降低至50°C以下。
接著，以步驟(C1)：將前述經淋洗的氣體以330 m3 /hr之流量與流量為500公升/小時(L/hr)之2重量百分比之氫氧化鈉水溶液(此時鹼性水溶液之流量與氣體流量比為1：660)以同向流的方式進行初次接觸，也就是持續5秒鐘的循環噴淋，此處所指之循環噴淋是指經淋洗的氣體於一腔室中受到循環的氫氧化鈉水溶液噴淋，使該氫氧化鈉水溶液吸收該經淋洗的氣體包含的二氧化碳，得到一經初次處理之氣體以及一第一碳酸氫鈉水溶液；以及步驟(C2)：將該經初次處理之氣體以330 m3 /hr之流量與流量為500 L/hr之2重量百分比的氫氧化鈉水溶液以同向流的方式進行再次接觸，且該再次接觸為持續5秒鐘的循環噴淋，得到第二碳酸氫鈉水溶液以及再次處理之氣體；之後，再重複進行步驟(C2)一次，得到第三碳酸氫鈉水溶液以及處理後之氣體，並將前述三段接觸所得的第一碳酸氫鈉水溶液至第三碳酸氫鈉水溶液統一收集至一儲存池中。因此，在步驟(C)中，經淋洗的氣體分別以新鮮的2重量百分比的氫氧化鈉水溶液依序接觸三次，使得所述氣體所包含的二氧化碳幾乎都被該氫氧化鈉水溶液吸收，最後得到一處理後之氣體，已大幅減少原廢氣中二氧化碳及細懸浮微粒的含量。
在步驟(C)中，當氫氧化鈉水溶液與二氧化碳接觸時即進行酸鹼中和反應，且當使用同向流的方式使經淋洗的氣體與氫氧化鈉水溶液接觸可增長氫氧化鈉水溶液與氣體中二氧化碳接觸之時間，據此，可使得酸鹼中和反應能更完全地進行。
該處理後之氣體根據二氧化碳偵測儀(New Guardian® , Edinburgh Sensor)的測試結果可發現步驟(A)中總收集的含有52.5 kg/hr二氧化碳的330 m3 /hr原始氣體共減少了45 kg/hr以上之二氧化碳。其中，在本實施例進行處理後的第5、10、15、20、25、30分鐘監測二氧化碳及PM2.5之平均去除率如下表1所示：
表1、實施例1之二氧化碳及PM2.5去除效率
時間 (分鐘) 進氣口偵測濃度 排氣口偵測濃度 二氧化碳平均去除率 PM2.5平均去除率
二氧化碳濃度(g/m3 ) PM2.5 濃度(mg/m3 ) 二氧化碳濃度(g/m3 ) PM2.5濃度(mg/m3 ) 流速(m3 /hr) 86.93% 96.28%
5 152.09 34 23.89 1.3 330
10 157.14 34.5 19.28 1.3 330
15 160.51 37.5 19.26 1.3 330
20 161.63 35.5 20.57 1.3 330
25 159.95 36 20.64 1.4 330
30 162.76 35 21.07 1.3 330
平均值 159.01 35.42 20.79 1.32 330
根據上表1之結果，本發明之PM2.5清除率在每5分鐘可達95%，而二氧化碳清除率可達近90%。
接著將步驟(C)收集而得的碳酸氫鈉水溶液進一步進行步驟(D)：將該碳酸氫鈉水溶液加入含有微藻之微藻養殖槽中。將上述步驟(C)得到之部分碳酸氫鈉水溶液加入含有微藻之養殖槽中，以作為提供給水中微藻行光合作用的碳源，將生長之微藻加工製成保健產品、動物飼料或生質柴油。其中，微藻可為葡萄藻(Botryococcus braunii )、小球藻(Chlorella sp.)、隱甲藻(Crypthecodinium cohnii )、細柱藻(Cylindrotheca sp.)、杜氏藻(Dunaliella primolecta )、等鞭金藻(Isochrysis sp.)、單腸藻(Monalanthus Salina )、微小綠藻(Nannochloris sp.)、擬球藻(Nannochloropsis sp.)、新綠藻(Neochloris oleoabundans )、菱形藻(Nitzschia sp. )、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum )、裂殖壺菌(Schizochytrium sp.)、司西扁藻(Tetraselmis suecica )、極大節螺藻(Arthrospira maxima )、鈍頂節螺藻(Arthrospira platensis )。而當微藻於養殖槽中進行光合作用消耗掉二氧化碳後會使碳酸氫鈉水溶液釋放出氫氧根離子，因此在收集微藻後可將養殖槽中之水溶液進一步濃縮處理，將濃縮後之養殖槽中之水溶液添加部分固態氫氧化鈉調整pH值後，可再作為步驟(C)之鹼性水溶液而達到循環利用的效果。所述濃縮之方式可利用光照、或排放燃燒或燃油產生之廢氣之煙囪尾氣餘熱加熱蒸發水分或利用分子篩去除水分。
另外，將上述步驟(C)得到之部分碳酸氫鈉水溶液另進行步驟(E)：將該碳酸氫鈉水溶液之水分蒸乾，得到碳酸氫鈉固體。
以上所述僅是為方便說明本發明之一較佳實施例，並非用於限定本發明之範圍，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為主。
無
無
無

Claims (9)

  1. 一種氣體之處理方法，其包含以下步驟：步驟(A)：收集包含二氧化碳和細懸浮微粒之氣體；步驟(B)：以水對該氣體進行淋洗，得到一經淋洗的氣體；以及步驟(C)：將該經淋洗的氣體與一鹼性水溶液以同向流的方式進行接觸，使該鹼性水溶液吸收該經淋洗的氣體包含的二氧化碳，得到一處理後之氣體以及一弱鹼水溶液；其中，該鹼性水溶液之pH值為9至14，該弱鹼水溶液之pH值為8至8.5，其中，該鹼性水溶液之流量與該經淋洗的氣體之流量的比為1：200至1：660。
  2. 如請求項1所述之氣體之處理方法，該步驟(C)係於溫度為90℃以下進行。
  3. 如請求項1所述之氣體之處理方法，該鹼性水溶液為氫氧化鈉水溶液。
  4. 如請求項3所述之氣體之處理方法，進一步包含步驟(D)：將該弱鹼水溶液加入含有微藻之微藻養殖槽中。
  5. 如請求項3所述之氣體之處理方法，進一步包含步驟(E)：將該弱鹼水溶液之水分蒸乾，得到碳酸氫鈉固體。
  6. 如請求項1所述之氣體之處理方法，該步驟(C)包括：步驟(C1)：將該經淋洗的氣體與該鹼性水溶液以同向流的方式進行初次接觸，使該鹼性水溶液吸收該經淋洗的氣體包含的二氧化碳，得到一經初次處理之氣體以及一第一弱鹼水溶液；以及步驟(C2)：將該經初次處理之氣體與該鹼性水溶液以同向流的方式進行再次接觸，使該鹼性水溶液吸收該經初次處理之氣體包含的二氧化碳，得到該處 理後之氣體以及一第二弱鹼水溶液，其中，該弱鹼水溶液包含第一弱鹼水溶液和第二弱鹼水溶液。
  7. 如請求項1或6所述之氣體之處理方法，該步驟(C)中，該鹼性水溶液與該經淋洗的氣體之總接觸時間為5秒鐘以上。
  8. 如請求項1或6所述之氣體之處理方法，該步驟(C)中，該鹼性水溶液之濃度為1重量百分比至2重量百分比。
  9. 如請求項4之氣體之處理方法，該步驟(D)之微藻為葡萄藻(Botryococcus braunii)、小球藻(Chlorella sp.)、隱甲藻(Crypthecodinium cohnii)、細柱藻(Cylindrotheca sp.)、杜氏藻(Dunaliella primolecta)、等鞭金藻(Isochrysis sp.)、單腸藻(Monalanthus Salina)、微小綠藻(Nannochloris sp.)、擬球藻(Nannochloropsis sp.)、新綠藻(Neochloris oleoabundans)、菱形藻(Nitzschia sp.)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)、裂殖壺菌(Schizochytrium sp.)、司西扁藻(Tetraselmis suecica)、極大節螺藻(Arthrospira maxima)、鈍頂節螺藻(Arthrospira platensis)或其組合。
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