臺灣化學教育

      鈣迴路捕獲二氧化碳技術與實驗

郭世文¹、周承志²、洪振方³、陳良瑞⁴

國立科學工藝博物館¹

工業技術研究院綠能所²

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所教³

國立彰化師範大學科學電機工程學系⁴

swkuo@mail.nstm.gov.tw¹

壹、前言

國立科學工藝博物館（以下簡稱「科工館」）「啟動創新實驗場」常設展示廳，展出工業技術研究院（以下簡稱「工研院」）所研發的34項創新技術，觀眾經由操作平板電腦與展品互動認識各技術展項，科工館並經常與工研院聯手設計延伸學習活動，讓有興趣的觀眾進一步認識這些新興科技的內涵。

本文紀錄2019年1月所舉辦的第一場「與研究員有約」活動，由工研院的傑出研究員引導觀眾認識「啟動創新實驗場」展場中介紹的新興科技–「鈣迴路二氧化碳捕捉技術」，並且帶領參加學員分組進行二氧化碳的科學實驗，認識何謂溫室氣體、如何將二氧化碳捕獲及利用，深刻大家的學習經驗。

貳、溫室氣體與溫室效應

「溫室效應」是地球大氣層呈現的一種物理現象，也是使地球表面維持溫度穩定的重要機制。大氣層好比溫室的玻璃罩，當太陽的能量通過大氣層達到地球表面，使得地球變熱，這些熱量會以紅外線輻射回大氣中，其中一部分散逸到外太空，大部分的紅外線會被大氣層中的「溫室氣體」吸收，再輻射回地表，維持了地球的溫度。如果沒有大氣層的保護，地球表面的平均溫度可能會低至-18°C，而不是現在合適人類居住的15°C。

在大自然環境中主要透過水蒸氣及其他氣體來維持大氣環境的溫度，其所產生的溫室效應大約占整體溫室效應的60-70%，其次是二氧化碳大約占26%，另外還有臭氧、甲烷、氧化亞氮等。地球大氣層內的氣體主要為氮氣、氧氣、水蒸氣等，它們的組成大致穩定變化不大；但是微量氣體卻無時無刻都在改變，其量雖微，卻對全球環境具有非常大的影響。而自工業革命以來，因人類大量使用煤炭、石油等化石能源，產生大量二氧化碳的排放。這些因工業發展所產生的氣體排放物快速地改變大氣中微量氣體的組成，尤其是化石燃料燃燒所產生的二氧化碳逐年增加，大量排放到大氣中吸收地表的紅外線長輻射波，造成人為的溫室效應，破壞了原本溫室效應的平衡穩定，使得地表的溫度逐漸增高，形成地球暖化的現象（邱宏志，2005）。

參、地球暖化對於環境的影響

過去100年間（1906~2005），地球的平均溫度上升了0.74°C（張泉湧，2012）。聯合國跨政府氣候變遷小組（Intergovernmental Panel
on Climate Change；IPCC）估計，如果大氣中的溫室氣體持續增加，到2100年，全球平均氣溫將較1990年增加0.9°C至3.5° C；地球的溫度升高將導致高溫、暴雨、乾旱發生的頻率增加，造成生態系統被破壞、天然災害規模加劇、糧食能源水資源短缺；此外，全球平均溫度上升使得海水溫度上升，熱漲冷縮導致海水體積膨脹加上南北極冰雪溶化，將使海平面逐漸上升，預估 2100年時全球平均海平面將比1990年高出38公分至56公分，許多沿海低窪地區將沒入海中（許晃雄，1999）。

由於人類的活動使得大氣中的溫室氣體濃度大幅增加，改變了自然的溫室效應，將對自然生態系統和人類的生活環境產生不利的影響；聯合國於1997年12月制定了京都議定書，其目標是「將大氣中溫室氣體的濃度穩定在防止氣候系統受到危險的人為干擾的水平上，同時確保生態系統能夠自然地適應氣候變化，糧食生產免受威脅，經濟發展能夠持續進行。」，與會國家依此議定書承諾將減少二氧化碳和其他溫室氣體的排放量直到回復至1990年的標準（郭博堯，2001）。

肆、鈣迴路捕獲二氧化碳技術介紹

大部分的工業化國家都把石油、煤炭、天然氣等石化燃料當成最重要的能源，而石化燃料燃燒就是人為二氧化碳的主要排放來源，因此，世界各國積極投入研究如何減少二氧化碳排放，又不降低生活水準的辦法。除了提高能源效率與再生能源的應用外，許多研究團隊都積極投入「碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage,CCS）」的研究，這是一種把工廠中石化燃料所產生的二氧化碳（Carbon）分離並捕獲（Capture）起來，並傳送到適合的地質深層處封存（Storage）、以利生物吸收或再利用，避免二氧化碳排放到大氣中的一種技術，能有效減少碳排放（徐恆文、柳萬霞、黃欽銘，2012；曾榮樹、孫樞、陳代釗、段振豪，2004；李堅明，2015）。

依據工研院的報告(黃啟峰，2017)指出，水泥是國家建設發展的重要碁石，而水泥及相關製造業更是我國(2016年度)非金屬礦物製品製造業產值最大且能源消費最高的產業項目，然水泥的生產過程需要耗費大量化石燃料。因此工研院自2008年起積極研發利用石灰石進行二氧化碳捕獲之技術（徐恆文等人，2012），並於2012年起在台泥公司的花蓮縣和平水泥廠建立試驗廠，希望能藉此降低水泥生產過程的二氧化碳排放量，並思索二氧化碳再利用之可行路徑。

「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」是以稱為石灰石的碳酸鈣（CaCO₃）作為原料，將所煅燒成的石灰–氧化鈣（CaO）作為吸附劑所進行的循環反應，氧化鈣（CaO）具有極高的吸附容量（理論值0.7857 kg CO₂/1 kg CaO），是極佳的捕獲二氧化碳（CO₂）吸附劑。用一個簡單的化學式表示：

CaO + CO₂ ⇌ CaCO₃

當氧化鈣（CaO）遇到二氧化碳（CO₂）就會形成碳酸鈣（CaCO₃）；碳酸鈣加熱可還原成氧化鈣和二氧化碳，如此繼續不斷地進行循環反應，就可以捕獲CO₂；倘若氧化鈣在捕獲過程中失去活性，可以送回水泥廠當作原料，如此就不會產生額外廢料。

台泥公司和平水泥廠的鈣迴路捕獲二氧化碳系統，主要設備包括碳酸化爐、煅燒爐、集塵器和儲存槽；當水泥廠生產過程中排出含二氧化碳（CO₂）的廢氣，將廢氣導入碳酸化爐後，二氧化碳（CO₂）會和氧化鈣 （CaO）反應形成碳酸鈣（CaCO₃），就是把生產過程中所排放的二氧化碳（CO₂）捕捉；接著把碳酸鈣（CaCO₃）送進入煅燒爐，在攝氏600-650度的高溫下，釋放出高濃度的二氧化碳（CO₂），經過純氧燃燒形成氧化鈣（CaO）。此時，高濃度的二氧化碳（CO₂）經過除塵、冷卻、壓縮後，便可封存起來再利用，而氧化鈣（CaO）回到碳酸化爐，再次作為吸附劑進行下一次的循環反應。透過這樣的循環反應，可以捕獲水泥廠所排放出的90%二氧化碳，有效降低二氧化碳的排放。工研院並且開發蒸氣水合反應器，可以將石灰（CaO）活化並且轉化為氫氧化鈣（Ca（OH）₂），多階旋風塔的立體結構，可以讓石灰吸附劑粉體和所排放的廢氣充分接觸，以提升二氧化碳的捕獲率；未來這個技術還可應用在發電、水泥、石化、鋼鐵等工業製程中（工研院，2014；工研院，2018；黃欽銘等人，2016；談駿嵩、王志盈，2015）。

二氧化碳捕獲技術，是由排放源頭直接捕獲二氧化碳，阻隔二氧化碳排放到空氣中的機會，再將這些被捕獲的二氧化碳經過純化作為原料販賣、或是用來養殖微藻，不但不會造成空氣污染，還能創造經濟價值。

二氧化碳的回收利用範圍極廣。以養殖微藻為例，微藻是指1～10μm的單細胞藻類，可以生存在海水、淡水或潮溼的土壤中；微藻進行光合作用時，要吸收二氧化碳，也就是將二氧化碳固定，因此養殖微藻將有助於固碳及二氧化碳的減排。台泥公司和平水泥廠試驗廠，利用鈣迴路捕獲的二氧化碳做為微藻養殖所需的碳來源，由於二氧化碳之碳源純度高，可提高養殖效益培養具有葉黃素、DHA、EPA等衍生物質的微藻株，製作成高單價的營養食品創造高經濟價值。除此之外，美國、西班牙、荷蘭及以色列等國家，也利用微藻轉製成生物燃料如生質柴油、生質酒精、氫氣、焦炭等，或將微藻做為動物或水產的養殖飼料，改善糧食危機（張嘉修等人，2015）。

伍、鈣迴路捕獲二氧化碳技術介紹與實驗活動

2019年1月所舉辦的「與研究員有約」活動，課程教案參考我國「碳捕獲與封存（CCS）」自有技術發展成果進行設計，內容包括「溫室氣體(二氧化碳)認識」與「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」兩大主軸，執行的方式包括簡報與實驗，教學目的為認識二氧化碳與地球暖化的關聯性、瞭解何謂二氧化碳的捕獲技術，以及二氧化碳的利用價值。以下紀錄活動的內容與過程：

教學主軸一、溫室氣體(二氧化碳)認識：

研究員首先透過教學簡報(如圖1所示)，讓學員將曾經聽聞溫室效應的資訊複習，並呈現有關溫室效應影響臺灣的內容，如：臺灣近百年氣溫的溫度變化、溫升對於臺灣登革熱好發地區之變化、溫升造成臺灣極端氣候的現象等；使學員體認到因全球溫室效應的關係，自身的生活環境(臺灣)也會受到一定程度的影響，全球暖化議題並非只是一個科學資訊，而是與日常生活息息相關的現象與問題。

完成簡報介紹，接著進行「二氧化碳與溫室效應的驗證實驗」，引導學員經由動手實驗了解高濃度二氧化碳較一般空氣更容易吸熱。

 資料來源：本研究製作

圖1：溫室效應對臺灣的影響

實驗一、二氧化碳與溫室效應的驗證實驗

研究員從二個問題：「和地球暖化主要相關的氣體有哪些？」、「如何知道二氧化碳具有吸熱保溫的能力？」帶入實驗活動（如圖2），而這個實驗的目的為證實二氧化碳確實會使環境中的溫度提高。

 資料來源：本研究製作

圖2：二氧化碳與溫室效應的驗證實驗 

實驗材料為小蘇打粉、檸檬酸、水、溫度計、600 ml寶特瓶一只、黏土一塊等。請五組學員在寶特瓶上分別寫下組別編號，將水倒入寶特瓶約1/5；用黏土包住溫度計塑形成可以封住寶特瓶口的大小；黏土拿起來，把小蘇打粉及檸檬酸倒入寶特瓶中，和水混和後開始產生氣泡，這些氣泡就是二氧化碳；經過30秒，確定瓶內充滿二氧化碳，趁二氧化碳還沒跑出寶特瓶，趕緊把溫度計插入寶特瓶不要碰到水，而且能清楚看見溫度計上的溫度顯示，再用黏土將瓶口封住，但注意不要封太緊，以免二氧化碳壓力過高且無法宣洩而導致爆炸。

完成裝置後，請組員們記錄目前溫度計顯示的溫度，再將寶特瓶放到「人造太陽」（電暖器）前面；研究員同時也製作一個只有水沒有加入小蘇打粉與檸檬酸的寶特瓶作為對照組，而五個小組所製作的寶特瓶為實驗組，放置等候，30分鐘後記錄一次，60分鐘之後，把寶瓶取回座位再記錄一次，紀錄的結果如下表；其中第3組和第5組的溫度計因為黏土沒有包緊溫度計，而使溫度計掉到水中。

表1 五個實驗組及一個對照組的溫度記錄

 

分析上述溫度記錄的數據，研究員對參與學員提出以下推論

一、
本實驗因利用電暖器充作熱源，然電暖器所散發之熱能會因電暖器送風方向，而發生局部溫度較高之情事，但整體而言仍可達到加熱之效果，因此本實驗考量局部受熱不均勻之現象，對於實驗之結果僅就整體現象變化進行討論之。建議未來如可以優先採用自然陽光，確保能在一個外部條件較為客觀的實驗環境進行。

二、將5組實驗組與對照組比較之，實驗組之最終溫升結果均高於對照組。

三、在第3組和第5組的溫度計掉到水中，所測量到的溫度是水的溫度而非寶特瓶中空氣的溫度，其所量測的溫度變化為水吸收電暖器所發出的輻射熱能，再進一步比較該兩組的溫度變化與其他其他組(第2組與第4組)溫度差異，可初步推論水的比熱容較高濃度的二氧化碳高，因此水的溫升變化會較二氧化碳氣體小。

四、第1組的團員自己表示，所放的檸檬酸和小蘇打粉分量很少；研究員表示，所以產生的二氧化碳不多，所以溫度變化不大，但溫度依然有提升，可見二氧化碳的濃度會影響到溫度的變化。

五、對照組的起始溫度較高，可能與研究員一開始一直握著溫度計進行講解，所以溫度計被研究員的溫度所影響到導致。

六、第2組和第4組是相對比較成功的實驗組，溫度計量測寶特瓶中空氣的溫度，30分鐘之後的溫度相較於對照組有明顯的提高，60分鐘之後，即便離開了電暖爐，溫度也還是維持高溫，並沒有很快速地下降。

經過這個實驗，我們可以證實，二氧化碳會吸熱，充滿二氧化碳的瓶子具有吸熱保溫的效果，由此可初步推論如果地球中二氧化碳的濃度增加，恐容易造成地球大氣環境之溫升。

圖3：五個小組完成實驗裝置連同對照組一起放在電暖器前

教學主軸二、鈣迴路捕獲二氧化碳技術：

完成溫室效應的概念與現況介紹後，再介紹「碳捕獲與封存（CCS）」的基本概念，研究員指出，科學家研究二氧化碳的封存，最常見的封存類型包括：地質封存、礦化封存、海洋封存；其中所謂「礦化封存」就是利用金屬氧化物、鈣、鎂等礦物與二氧化碳反應，形成固態的碳酸鹽或其他副產品，在臺灣針對減緩二氧化碳排放所發展的技術–「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」就是屬於「礦化封存」其中一種。經由科學家的創新發明，除了被動地減少能源與資源浪費外，也可以有效地捕獲生產過程中所產生的二氧化碳並且加值利用。

為了讓學員更加了解上述概念，研究員帶領學員分組操作二個實驗，過程如下：

實驗二、二氧化碳的礦化封存

本實驗目的在於協助學員瞭解何謂二氧化碳的捕捉及封存，透過實驗把原本會排放到大氣中的二氧化碳捕獲並且封存起來（如圖4）。

資料來源：本研究製作

圖4：二氧化碳礦化封存實驗

實驗開始之前，研究員提出一個問題請大家思考：「我們所呼出的氣體中含有比一般空氣濃度高的二氧化碳，請大家想想看，要如何才能回收我們所呼出的二氧化碳？」

本實驗的材料為石灰水，每位學員分到一個透明玻璃杯和一支吸管，將石灰水倒入玻璃杯中約4公分高，請學員觀察石灰水的狀態為澄清透明的，再請學員將吸管插入石灰水中開始吹氣，觀察石灰水的變化，發現石灰水開始變成混濁，並且產生沉澱物。研究員說明，一開始的澄清石灰水是氫氧化鈣（Ca（OH）₂），用吸管吹氣就是將所呼出的二氧化碳灌入氫氧化鈣中，發生化學變化產生沉澱物，這個沉澱物就是二氧化碳（CO₂）和氫氧化鈣（Ca（OH）₂）反應所產生的產物–碳酸鈣（CaCO₃），把這個沉澱物回收就是把二氧化碳捉走，把二氧化碳礦化封存，也就是把二氧化碳收集捕獲。而這個實驗只需要一個杯子和吸管，加上石灰水（氫氧化鈣（Ca（OH）₂）），就能輕易地空氣中的二氧化碳捉起來。但是要提醒的是，石灰水為強鹼具有腐蝕性，實驗結束後廢棄材料的回收要特別注意安全。

上述實驗的反應化學式如下：

Ca（OH）₂ + CO₂→ CaCO₃+H₂O

將人體呼出的氣體灌入石灰水中時會產生乳白色沉澱物，這些沉澱物就是碳酸鈣（CaCO₃）。如果再將把碳酸鈣收集再加熱，會就產生氧化鈣（CaO）和二氧化碳（CO₂），經過純化過的二氧化碳可以拿來做成有價值的東西，而氧化鈣CaO則用來繼續捕捉二氧化碳：CaO + CO₂
→ CaCO₃。利用前述的方法可不斷收集二氧化碳並且循環回收再利用，此原理這就是鈣迴路捕捉二氧化碳技術的概念。

圖5：將吸管插入石灰水中吹氣，原本澄清的石灰水開始變混濁

實驗三、二氧化碳再利用實驗(壞氣好汽實驗)

「純化的二氧化碳有哪些用途呢？」研究員補充說明，二氧化碳是製造乾冰、汽水的原料。若尋求二氧化碳更有價值的運用，則可利用二氧化碳養殖藻類，再將藻類製成保養品、健康食品、生質燃料或飼料，產生更高經濟價值。

這個實驗（如圖6），我們要來製造汽水。實驗材料為檸檬汁和食用級的小蘇打粉。研究員針對小蘇打粉略作介紹，小蘇打粉學名為碳酸氫鈉（NaHCO₃），俗稱「發粉」，經常用來作為麵包、油條等的膨鬆劑，也常用來當作發泡劑。當小蘇打粉遇到酸就會產生二氧化碳，也就是汽水中的氣泡來源。

請學員將一杯檸檬汁倒入少許小蘇打粉，攪拌，再加入冰塊，一杯冒著泡的清涼檸檬汽水就完成了。當小蘇打粉加越多，就會產生越多的氣泡，但也可能會影響口感，所以適量即可。

當學員們一邊享用著自製的汽水，研究員提出了另外兩個運用二氧化碳製造產品的配方，分別是跳跳糖和泡澡錠。因為時間的關係，沒有讓學員現場製作，但也鼓勵學員們回家自己動手做做看。

「跳跳糖」的基本材料為：砂糖、食用級檸檬酸或蘋果酸粉末、小蘇打粉、小夾鏈袋。將檸檬酸和小蘇打粉混和，放入夾鏈袋中保持乾燥；食用時從夾鏈袋中取出，當將前述混合粉末放入口中，口中唾液的水分和檸檬酸及小蘇打粉混和產生二氧化碳，口中有嗶嗶波波的感覺，就是混合粉末遇水產生二氧化碳所導致。

「泡澡錠」的基本材料為食用級檸檬酸、小蘇打粉、浴鹽等；同樣用糯米紙把材料充分混和包起來保持乾燥，加上香味、色素等就是泡澡錠。泡澡時將錠丟入水中，就會開始產生大量的泡泡。

利用前述的三個實驗操作，學員們充分體會到二氧化碳與溫室效應的關聯性，簡單的實驗操作就可輕易的將二氧化碳捕獲起來，也瞭解二氧化碳並非無法再利用的廢棄物，生活中也經常利用二氧化碳來生產日常所需的產品(汽水、滅火器、保冷用乾冰等)。

課程最後，研究員邀請學員針對當日的學習進行心得分享，學員們表示在活動中證實了二氧化碳將會造成地球暖化，所以從自己開始做起，多種樹、減少資源浪費、多搭乘大眾運輸交通工具等，以能減少二氧化碳的排放。研究員也建議大家多多選購經濟部能源局能源分級標示第一級的電器產品，雖然售價略貴，但使用的過程中可以節省更多的電能，也可以減少因為發電而產生的二氧化碳。

最後有一位學員提出問題：在執行鈣迴路捕捉二氧化碳的循環過程中需要加熱，是否也會因此產生多餘的二氧化碳呢？研究員回答說，這就是循環經濟設計的奧妙之處，目前位於臺泥公司和平水泥廠的鈣迴路捕獲二氧化碳試驗廠，是利用水泥生產過程中所產生的廢熱，來進行加熱，不會額外耗用能源，因為在循環的過程中有不同的溫度需求，所以要有整體性的思考，把現有生產製程的廢熱拿來利用，才能真正達到生產過程零廢料的目標。

參考資料

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