TWI789322B

TWI789322B - 利用鋁渣回收二氧化碳的方法及系統

Info

Publication number: TWI789322B
Application number: TW111125032A
Authority: TW
Inventors: 張佑誠; 魏俊男
Original assignee: 台灣碳金科技股份有限公司
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2023-01-01
Also published as: TW202402376A

Abstract

本發明揭露一種利用鋁渣回收二氧化碳的方法及系統，先將鋁渣與鹼液於儲液桶中進行反應，經反應後的鹼液廢液將輸入至吸收槽，作為二氧化碳吸收液使用，吸收槽另與儲放有二氧化碳廢氣之儲氣桶相連，儲氣桶將二氧化碳輸入至吸收槽中，使吸收液與二氧化碳相混合，不僅利用吸收液捕捉二氧化碳，更透過二氧化碳中和作為吸收液的鹼性廢液；本發明特徵在於有別於習知鋁渣處理需要於高溫的工作環境；此外，更可透過本發明以低耗能、環保的方式處理鋁渣，並將鹼性廢液與二氧化碳混合，同時達到固碳及廢液處理的功效。

Description

利用鋁渣回收二氧化碳的方法及系統

本發明涉及二氧化碳回收的方法及系統，尤指一種以鋁渣處理廢水，進行二氧化碳捕捉的利用鋁渣回收二氧化碳的方法及系統。

金屬鋁的再生及每年廢鋁熔煉將產生數萬噸之初級浮渣廢棄物，又稱為鋁渣，鋁渣為相當棘手的廢棄物，因其具有氮化鋁(AlN)等化性不穩定的鋁金屬微顆粒化合物，及含氟/氨矽化合物等，不管是掩埋、堆積，其遇水氣後將水解，長期釋出極臭的氨氣，造成環境與人體安全危害；如今，針對鋁渣的回收亦有相關的專利，例如：專利公告號TWI371431B，由二次熔煉鋁渣中回收氧化之方法，主要利用高溫(750~1300℃)鹼性焙燒，令鋁渣中之主成分氧化鋁以及二氧化矽與添加之藥劑進行高溫化學反應，生成可溶性鋁酸化物以及不溶性矽酸化物，之後施以稀鹼性溶出而獲得鋁溶液，接著進行中和沉澱可獲得氫氧化鋁結晶沉澱，最後經過高溫煅燒後即可產出高純度氧化鋁，其他又如專利號CN112111657A，一種利用鋁灰渣製備高純鋁的裝置及其使用方法、專利號US11066723B2，Systems and methods to chemically treat metal-bearing waste streams to recover value-added materials等。

然而，前述方法雖可解決廢棄鋁渣回收問題，製程卻因此需要耗費大量能源，反而造成大量的溫室氣體-二氧化碳產生，也因此以往的鋁渣回收雖解決了鋁廢棄物的問題，卻變相導致大量碳排的產生；此外，現今在國際協定及環保意識下，碳排限額越來越嚴苛，但碳捕捉的技術仍具需耗費大量成本，使得在工業發展、環境保護、成本控制三者面臨相互衝突；據此，如何在針對鋁渣廢棄物處理時，能夠有效降低鋁渣處理的工作溫度及耗能，且不僅降低碳排放，更能進一步達到碳捕捉之功效，此乃待解決之問題。

有鑒於上述的問題，本發明人係依據多年來從事相關行業的經驗，針對利用鋁渣回收二氧化碳的方法及系統進行改進；緣此，本發明之主要目的在於提供一種以低的操作溫度，可進行鋁渣廢棄物處理，並可進一步回收二氧化碳的方法及系統。

為達上述的目的，本發明利用鋁渣回收二氧化碳的方法及系統係先以鹼液對鋁渣進行處理，從而避免了鋁渣產生氫氣、氨氣等具環安風險物質，相較習知須以高溫作為反應條件的鍛燒方法，本發明僅需在室溫及水沸點之間進行操作，兼具有環保及安全性，與鋁渣反應完成之鹼液則可再作為二氧化碳的吸收劑，係利用吸收槽、儲氣桶、及儲液桶進行固碳反應，吸收液雖作為鋁渣處理完畢之廢液，卻亦同時具有良好的固碳能力，並且固碳反應更可進一步產生具經濟價值、及穩定的固碳產物；此外，在進行固碳的同時，更能將鹼液完成酸鹼中和，一併解決了鋁渣處理產生的廢液問題。

為使貴審查委員得以清楚了解本發明之目的、技術特徵及其實施後之功效，茲以下列說明搭配圖示進行說明，敬請參閱。

1:利用鋁渣回收二氧化碳的系統

11:吸收槽

111:曝氣裝置

12:儲氣桶

13:儲液桶

S1:鋁渣處理步驟

S2:吸收液收集步驟

S3:二氧化碳吸收步驟

S4:吸收液過濾步驟

H:pH計

F:濾網

P1:氣泵

P2:水泵

E:熱交換器

圖1，為本發明之系統架構圖。

圖2，為本發明之系統實施示意圖。

圖3，為本發明之方法流程圖。

圖4，為本發明之固碳沉澱物成分分析(一)。

圖5，為本發明之固碳沉澱物成分分析(二)。

圖6，為鋁渣成分分析結果(一)。

圖7，為鋁渣成分分析結果(二)。

圖8，為本發明所吸收二氧化碳濃度對時間作圖(一)。

圖9，為本發明所吸收二氧化碳濃度對時間作圖(二)。

本發明以下所指的「二氧化碳」回收處理為工業製造所形成的碳排，其可例如為工業、民生、製造等因燃燒、氧化致使空氣中氧氣成分經燃燒後形成含有大量二氧化碳之氣體，組成成分大致為80%的氮氣、5~20%的二氧化碳、及0~15%的原空氣；亦可為經實驗、化學反應所產生的高濃度二氧化碳，以「二氧化碳」代稱純二氧化碳氣體、二氧化碳混合物等，並不僅侷限於二氧化碳本身。

請參閱「圖1」，為本發明之系統架構圖，如圖所示，本發明之利用鋁渣回收二氧化碳的系統1，包含有一吸收槽11、一儲氣桶12、及一儲液桶13，其中，吸收槽11分別與儲氣桶12及儲液桶13透過一管路相連接，以下對各元件進行例示：

(1)吸收槽11供一吸收液與一二氧化碳相混合，使二氧化碳被吸收液所中和；其中，吸收槽11包含有一曝氣裝置111，供以使二氧化碳經曝氣裝置111降低氣泡粒徑後，再與吸收液相混合，由於粒徑降低後，係可提升二氧化碳與吸收液接觸表面積，使大幅增加中和效率；曝氣裝置111可例如為具一多孔材料的曝氣頭，可使二氧化碳粒徑小於微細氣泡，增加與吸收液的接觸面積；此外，吸收槽11組設有一pH 計H，可對吸收液的酸鹼值進行監測及追蹤，以評估二氧化碳吸收及產物的狀況。

(2)儲氣桶12供以儲存及輸送二氧化碳至吸收槽11，儲氣桶12可例如為一高壓氣體儲存桶，可藉由將二氧化碳壓縮儲存於儲氣桶12中，儲氣桶12即可無須借助如氣泵等外力即可利用壓利差將氣體由儲氣桶12輸入至吸收槽11內，亦可另外接有一氣泵P1，增壓輸送二氧化碳。

(3)儲液桶13供以儲存及輸送吸收液至吸收槽11，其可利用位能或虹吸現象輸送吸收液至吸收槽11，亦可經由水泵P2主動輸送吸收液至吸收槽11；可選的，儲液桶13可作為吸收液生成反應器，將一鋁渣與一鹼液於儲液桶13中進行反應，生成有一氫氣及一混濁金屬離子水溶液，其中，鹼液為由一氫氧化鈉(NaOH)、一碳酸鈉(Na₂CO₃)、及一碳酸氫鈉(NaHCO₃)等作為溶質的水溶液，其重量百分濃度分別為氫氧化鈉0.01%~10%、碳酸鈉0%~5%、及碳酸氫鈉0%~5%，形成pH值為7~20的水溶液，較佳的pH值為10~20之間，另，鹼液亦可添加有重量百分濃度0.1%~2%的一消泡劑；此外，儲液桶13更可具有一熱交換器E，熱交換器E可例如為一套管式換熱器、一蛇管式換熱器、或一夾套換熱器等，但不以此為限；熱交換器E可供低溫的一工作流體流入後，與儲液桶13內反應物進行熱交換後流出高溫的工作流體，如此不僅可藉由熱交換器E調控儲液桶13內之反應溫度，更可使反應熱可被再利用；較佳的，儲液桶13於底部具有一過濾結構的一出液口，可透過出液口對混濁金屬離子水溶液過濾，經過過濾為一澄清金屬離子水溶液，過濾結構可例如為濾網F；其中，混濁金屬離子水溶液及澄清金屬離子水溶液皆可作為吸收液，吸收液pH值為10~20之間，又，對混濁金屬離子水溶液過濾取得的濾渣含有一氫氧化鋁，可作為鋁渣回收經濟價值產物。

請參閱「圖2」，為本發明之系統實施示意圖，當欲進行二氧化碳回收時，係先將鋁渣與鹼液於儲液桶13中進行反應，生成氫氣及混濁金屬離子水溶液，氫氣可被收集作為高附加價值能源；混濁金屬離子水溶液可直接被作為吸收液；更佳的，混濁金屬離子水溶液亦可先經由儲液桶13的濾網F過濾後，得到澄清金屬離子水溶液，以此作為吸收液；另儲存有二氧化碳的儲氣桶12與吸收槽11相連接，待吸收液輸送至吸收槽11中，儲氣桶12即可輸入至吸收槽11與吸收液混合進行二氧化碳吸收，較佳的，二氧化碳係經由一曝氣裝置111使二氧化碳於吸收液中氣泡粒徑細化，提升二氧化碳吸收效率。

請參閱「圖3」，為本發明之方法流程圖，如圖所示，以下為本發明利用鋁渣回收二氧化碳的方法：

(1)鋁渣處理步驟S1：取一鋁渣與一鹼液混合，並於室溫下進行反應，生成有一氫氣及一混濁金屬離子水溶液；可收集氫氣作為具經濟價值的再生產物。

(2)吸收液收集步驟S2：至鋁渣與鹼液反應完全後，取該混濁金屬離子水溶液作為一吸收液，較佳的，可將混濁金屬離子水溶液進行過濾後，得到一澄清的金屬離子水溶液將其作為吸收液；其中，吸收液pH值為10~20之間，此外，對混濁金屬離子水過濾取得的一濾渣含有一氫氧化鋁，可作為鋁渣回收經濟價值產物。

(3)二氧化碳吸收步驟S3：將吸收液與一二氧化碳混合，使二氧化碳被吸收液吸收，形成一固碳沉澱物；由於二氧化碳被通入吸收液中溶於水，會形成碳酸(H₂CO₃)，且碳酸將與吸收液中的氫氧離子(OH-)反應並沉澱，透過二氧化碳吸收步驟S3可使二氧化碳被消耗達到碳捕捉效果；此外，由於吸收液中的氫氧離子濃度亦會隨著與碳酸反應濃度下降，進一步使pH值下降而接近中性，而吸收液本身亦為處理鋁渣之鹼性廢液，透過二氧化碳將其酸鹼中和，不僅達到固碳功效，更可同時對鋁渣廢液進行處理。

請續參閱「圖3」，在二氧化碳吸收步驟S3後包含有一吸收液過濾步驟S4：將吸收液進行過濾，取濾渣得到一固碳沉澱物，因固碳沉澱物會隨著反應過程，吸收液的酸鹼值不同，而有不同的固碳沉澱物；利用鋁渣回收二氧化碳的系統1亦可包含有一過濾器，與吸收槽11相連接，實施時，吸收槽11輸出完成捕捉二氧化碳的吸收液至過濾器，過濾器過濾吸收液，獲取固碳沉澱物；請搭配參閱「圖4」，為本發明之固碳沉澱物成分分析(一)，其中，當吸收液在pH值為9~11之間時，除了固碳沉澱物之外，更包含羥基氧化鋁(AlO(OH))之沉澱物，羥基氧化鋁可作為氧化鋁的前驅物，其具有高的經濟價值；又，搭配參閱「圖5」，為本發明之固碳沉澱物成分分析(二)，若吸收液持續與二氧化碳中和反應，使pH值降低至6~9之間時，其固碳沉澱物包含一片鈉鋁石(NaAlCO₃(OH)₂)，片鈉鋁石性質穩定，為良好的固碳型態；因此，可透過監測二氧化碳吸收步驟S3中吸收液的pH值，依據需求執行吸收液過濾步驟S4，取得相對應的固碳沉澱物。

請參閱「圖6」~「圖7」，為鋁渣成分分析結果(一)及(二)，如圖所示，鋁渣由廢鋁熔煉產生之初級浮渣廢棄物，其由外觀區分常見為細粒徑的小顆粒及粉末，與難以研磨粉碎粗粒徑的大顆粒，圖7為細粒徑的鋁渣成分分析，圖8為粗粒徑的鋁渣成分分析；經分析小顆粒鋁渣為所含可利用及產生氫氣成分的鋁金屬及其衍生物含量低，大多為有機化合物；而大顆粒的鋁渣則具有相對高含量的可再生鋁金屬及其衍生物；故，在執行鋁渣處理步驟S1前，可包含有一篩分步驟，將鋁渣以一篩網對鋁渣進行篩分處理，取未通過篩網的粗粒徑鋁渣進行後續鹼處理步驟，其中篩網的篩孔可選為4目到10目。

以下以實施例(一)對本發明進行例示，並請參閱「圖8」，為本發明所吸收二氧化碳濃度對時間作圖(一)，本實施例中取6克的氫氧化納、碳酸鈉、碳酸氫鈉混合物，溶解於1.5公升的水製成鹼液，並將鹼液與100克的鋁渣相混合，待反應完成後，對混濁金屬離子水溶液進行過濾，取澄清金屬離子水溶液作為吸收液；並將二氧化碳(組成比例為80%N₂、20%CO₂)以流量1.1公升/分鐘通入吸收液中，由圖中可知以實施例(一)進行碳捕捉，吸收液由初始至第60分鐘皆具有穩定且優異的二氧化碳吸收效率，並且產生包含有羥基氧化鋁(AlO(OH))的沉澱物。

以下以實施例(二)對本發明進行例示，並請參閱「圖9」，為本發明所吸收二氧化碳濃度對時間作圖(二)，本實施例中取60克的氫氧化納、碳酸鈉、碳酸氫鈉混合物，溶解於1.5公升的水製成鹼液，並將鹼液與100克的鋁渣相混合，待反應完成後，對混濁金屬離子水溶液進行過濾，取澄清金屬離子水溶液作為吸收液；並將二氧化碳(組成比例為80%N₂、20%CO₂)以流量1.1公升/分鐘通入吸收液中，由圖中可知以實施例(二)進行碳捕捉，吸收液由初始至第90分鐘皆具有穩定且優異的二氧化碳吸收效率，並且產生的羥基氧化鋁(AlO(OH))更進一步被轉換為包含有Bayerite-Al(OH)₃(又稱為α-三水鋁石或α-三水鋁礦或α-三羥鋁石)的沉澱物。

承前述，若將實施例(一)及實施例(二)持續通入二氧化碳，直至吸收液pH值達6~8，所收集之固碳沉澱物包含有片鈉鋁石(NaAlCO₃(OH)₂)與氧化鋁(Al₂O₃)，顯示本發明具有良好的固碳效果亦可產生高經濟價值的氧化鋁。

由上所述可知，本發明之利用鋁渣回收二氧化碳的方法，主要利用先以鹼液對鋁渣進行處理，使其不會產生有安全疑慮的氫氣及氨氣，並且可收集此過程中產生的如：氫氣、氫氧化鋁等具經濟價值產物，處理完鋁渣的鹼液，再進一步作為二氧化碳的吸收液，將二氧化碳通入鹼液中，二氧化碳將被迅速吸收，並且依照pH值不同，可產生有不同產物，如：羥基氧化鋁(AlO(OH))、片鈉鋁石(NaAlCO₃(OH)₂)、氧化鋁(Al₂O₃)等，不僅為良好的固碳型態，更為工業常用原物料；而在實施時，本發明之系統包含有吸收槽、儲氣桶、儲液桶，儲液桶可進一步作為鋁渣的反應容器，且可選的具有濾網可對處理鋁渣之鹼液進行過濾，再輸入至吸收槽；當吸收槽內已輸入吸收液(鹼液)完畢後，儲氣桶即可輸入儲存於其中的二氧化碳，較佳的，二氧化碳經由吸收槽中的曝氣裝置後再與吸收液接觸、反應，以此大幅增加吸收效率；此外，更可吸收二氧化碳的同時，亦使鹼液被進一步酸鹼中和；本發明其據以實施後，確實可以達到針對鋁渣廢棄物處理時，能夠有效降低鋁渣處理的工作溫度及耗能，且不僅降低碳排放，更能進一步達到碳捕捉之目的。

唯，以上所述者，僅為本發明之較佳之實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

綜上所述，本發明係具有「產業利用性」、「新穎性」與「進步性」等專利要件；申請人爰依專利法之規定，向鈞局提起發明專利之申請。