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  […]