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產業技術評析

二氧化碳在循環經濟發展下的新用途與新商機
發表日期:2016-08-31
作者:陳育誠(工研院IEK)
摘要:
循環經濟的概念是透過區域系統性的整合,盡可能地提高資源的利用效率,使生產過程中減少副產品與污染排放,並達成利潤的創造。

全文:
循環經濟(circular economy)的概念是透過區域系統性的整合,盡可能地提高資源的利用效率,使生產過程中減少副產品與污染排放,並達成利潤的創造。在歐洲,已有許多企業將循環經濟的概念導入公司的生產模式之中,以作為公司研發創新的成果。

二氧化碳被視為造成全球暖化的元凶,如何減少二氧化碳排放至大氣中已是人類本世紀必須面臨的課題,而在二氧化碳的排放中,工業生產佔了相當大的比重,如何將工業排放之二氧化碳循環利用,將是未來國內外科技發展必須掌握之商機。下文將介紹近年來國內外化學公司應用二氧化碳做為原料生產化學品的成功案例。

一、臺灣化學業者在二氧化碳的使用上已有初步成果

臺灣化學業者在應用工業排放之二氧化碳作為原料的發展上,在雲林麥寮六輕廠區內的長春關係企業,已採用回收高濃度二氧化碳作為生產醋酸與高附加價值塑膠單體對羥基苯甲酸( PHBA)之原料。

長春關係企業是將大連化工已運轉的醋酸乙烯一、二廠,及丙醇廠排放的二氧化碳,再連同六輕南亞三、四廠所排放的二氧化碳,作為生產醋酸及PHBA的原料,取代舊有製程,以減少廠區之碳排放。

再往南走,位於高雄的東聯化工應用了該公司生產環氧乙烷(EO)製程的副產物二氧化碳生產碳酸乙烯酯(EC),並將此EC販售給位於台南的奇美實業,作為奇美實業生產 PC塑膠所需之原料,奇美實業在生產PC的過程中,會產生乙二醇(EG)副產品,奇美實業將此副產品EG,再銷售給以EG作為主要營業項目的東聯化工,雙方除了消耗了製程中所產的二氧化碳廢棄物,且產品還可以供給對方使用,達成循環利用之成果。

在東部,位於花蓮的臺灣水泥和平廠所產生的二氧化碳,透過與工研院合作的"鈣迴路(calcium looping)捕獲二氧化碳系統技術",以廉價氧化鈣作為吸附劑,並結合流體化床碳酸化及純氧燃燒旋轉窯煅燒技術進行二氧化碳捕獲,吸收水泥旋窯煙道中的二氧化碳,形成碳酸鈣,而碳酸鈣在高溫下有可以分解為氧化鈣與二氧化碳,被分解後的二氧化碳可作為綠色微藻類的食物,綠色微藻只要七到十天,便可提煉出蝦紅素,純化後能當做高單價的經濟產物,發展面膜、美妝產品與健康食品,未經純化也可作為生質柴油。目前估計每年可減少台泥公司和平廠2,000~5,000噸的二氧化碳排放(需視實驗運轉時數而定)。

二、BASF用二氧化碳化學品製造家電產品塑膠外殼

德國化學大廠BASF應用工廠排放的二氧化碳廢氣合成聚亞丙基碳酸酯 (polypropylene carbonate, PPC)作為塑膠軟化劑,與以澱粉及棕櫚油合成的生質塑膠聚羥基丁酸酯(polyhydroxybutyrate, PHB)及其他添加劑進行摻混,製備得到塑膠材料。這個新材料被德國Siemens採用作為吸塵器等家電產品的外殼,以取代石化材料ABS,其展示的產品可參考下圖。

圖1 SIEMENS應用PCC/PHB摻混物所製作的吸塵器外殼
資料來源:SIEMENS
圖1 SIEMENS應用PCC/PHB摻混物所製作的吸塵器外殼

BASF在這項材料的開發上,獲得了德國官方的專案計劃支持,並與Munich Technical University及University of Hamburg共同合作。未來SIEMENS也考慮在其他產品上使用這項添加二氧化碳化學品之塑膠材料。

三、Coverstro將二氧化碳轉變成彈性床墊

Covestro原為德國Bayer集團底下之Bayer MaterialScience,於2015年更名後在德國掛牌上市。該公司長期投入二氧化碳化學領域的發展,並透過與德國南部的Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen) University催化劑研究中心合作,參與德國聯邦教育研究部(BMBF)的夢想製造專案合作,開發使用二氧化碳為原料的低成本、環保型、高性能塑膠生產技術。

於2014年,該公司便開始應用德國工業排放之二氧化碳作為原料,搭配公司自行開發的觸媒生產技術,小量試產聚醚碳酸酯型的多元醇(polyol)化學品,並應用此多元醇產品生產聚醚碳酸酯型聚氨酯(PU),並將此產品應用作為彈性床墊等產品之彈性材料。以往彈性體的生產完全以石油為原料,Coverstro的新彈性體產品約25%成分可以由二氧化碳取代。

Coverstro測試證明,以二氧化碳為原料製造的彈性體產品,與完全採用石油原料生產的產品性能相同。

2016年6月Coverstro在德國Dormagen生產基地正式商業化首套使用二氧化碳為原料的生產多元醇設備,屆時在預聚物多元醇的生產中,該設備將使用20%的二氧化碳原料。

另外Coverstro還與德國教育部及Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover(LUH)合作,持續研發將二氧化碳運用在化工製程當中,讓聚合物使用的二氧化碳原料的比例提升至四成。

圖2 Coverstro (原Bayer MaterialScience)發展二氧化碳聚醚碳酸酯型的多元醇之歷程
資料來源:Bayer MaterialScience (2014年)
圖2 Coverstro (原Bayer MaterialScience)發展二氧化碳聚醚碳酸酯型的多元醇之歷程

圖3 Coverstro(原Bayer MaterialScience)應用二氧化碳生產聚醚碳酸酯型的多元醇之流程
資料來源:Bayer MaterialScience
圖3 Coverstro(原Bayer MaterialScience)應用二氧化碳生產聚醚碳酸酯型的多元醇之流程

四、AkzoNobel積極應用二氧化碳作為公司內各種化學品的原料

2014年荷蘭塗料大廠AkzoNobel與二氧化碳化學品公司Photanol雙方將合作發展以二氧化碳為原料,透過藍綠藻進行光化學反應所產生之化學品,以取代現有石化丁醇與醋酸等塗料溶劑原料。

2015年AkzoNobel還宣布將發展應用二氧化碳生產化學中間體碳酸二甲酯 (DMC)的新觸媒技術,DMC除了可作為塗料溶劑外,還可作為高透明性塑膠聚碳酸酯(PC)塑膠之單體原料以及鋰離子電池之電解液等應用,具備相當高的附加價值。

五、IEK View-化學公司可能成為工業二氧化碳排放的終結者

二氧化碳料源技術之成本較現有非二氧化碳料源高,投入研發改善效率並降低成本,是產業必須進行的方向。此技術將能大幅減少工業二氧化碳排放,並重塑化學公司的形象,化學公司將不再只是二氧化碳的排放者,更是可以自行循環利用並解決其他工廠(如火力發電廠)二氧化碳排放的回收者。

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

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更新日期:2020-04-08

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