TWI805275B - 一種以光重整製造氫的方法 - Google Patents

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張胤萱
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Abstract

一種使用廢塑料作為原物源，透過光觸媒材料，進行光重整反應以產生氫氣的方法。

Description

一種以光重整製造氫的方法
本發明係一種製造氫的方法，特別是一種使用廢塑料以進行光重整製造氫的方法。
雖然氫為地球上最豐富的元素，卻無法以元素的狀態穩定地存在，通常氫必須藉由轉化成水分子，才能穩定狀態存在。如眾所週知，當氫經燃燒後，只會產生乾淨的純水，不會排放任何的廢氣，故而，氫已成為近年備受看好的化石燃料替代方案之一。環視全球，目前許多先進工業國更盡皆把氫能視為未來的重要綠色能源，同時也一直在發展可以永續經營的造氫方法。
而製氫不僅是行之有年的工業技術，氫能的應用也相當廣泛，除可用來發電之外，亦可運用在儲能領域，包括氫燃料電池車，亦或是氫能加熱，而在能源轉型的路上，更扮演了極重要的腳色。
而氫雖然是自然界目前已知最輕，且含量最多的元素，卻無法直接使用，通常必須將氫氣從氧，碳與其他原子結合中分離出後，才能夠工業化使用。目前約有百分之九十五的氫能來自於石化燃料，而經透過蒸汽重整（steam reforming)）後，使得蒸汽和甲烷的混合物在高壓下，進行與鎳催化劑的接觸，進一步產生包括氫氣，一氧化碳，以及二氧化碳等氣體。
又曾於更早之前的 1970 年代，曾有學界研發出光催化製氫，透過二氧化鈦（TiO 2）光催化劑，使得陽光、紫外光得以進行水分解，並可製造氫，氧，更可將將氫用於燃料電池的使用。但因為二氧化鈦製氫的氫產量過低，無法達到工業化的要求，而若要提高產能效率，則必須使用釕，白金與鎘等或較為昂貴或具有毒性的金屬，此種傳統技術已無法合乎現代化的環保需求，亦無法合乎低成本的需求。
此外，在過往的傳統上，亦有以電解水製氫的方法。通常運用再生能源電力技術進行分解水，進而製造氫氣與氧氣，但由於非常耗能且相當耗水，其產能基本上只能製造出百分之五的氫氣，換言之，電解水製氫的生產效率相當有限，目前無法符合業界的工業化需求。
然而，經由蒸汽方式重整所生產出來的氣體，除了氫氣外，尚還有其他的產物，很可能造成其他的汙染，無法達到環保的要求。故而業界正在尋找相關的解決方案，而製氫技術的開發必須搭配環境的保護，在充分利用所擁有的資源情況下，得以有效地進行能源節約，並加以開發運用。
本發明提供一種以光重整製造氫的方法，係以廢塑料作為原物源，透過一光觸媒材料對廢塑料進行光重整反應，藉以產生氫。
依據前述，一種以光重整製造氫的方法，包括以下的步驟: 提供廢塑料並以溶劑分解該廢塑料為小分子物料，該溶劑和該小分子物料形成一廢塑料懸濁液；對該小分子物料進行一表面活化處理；以及，對表面活化後的該小分子物料進行光重整反應以產生氫氣，其中該光重整反應包括以光觸媒材料混合入該廢塑料懸濁液中。
本發明係一種以光重整製造氫的方法，可達到環境的保護，能充分利用所擁有的資源情況下，除了可以有效地進行能源節約之外，並可充分地開發運用為能源。
本發明係一種以光重整製造氫的方法，當以廢棄的塑料作為原物料，可減低廢棄塑料的污染，有效進行環境保護。
本發明係一種以光重整製造氫的方法，而以廢棄的塑料為原物料，在廢棄塑料可作為充分的資源情況下，得以充分地回收利用。
圖1係本發明的一種以光重整製造氫的方法實施例之流程示意圖。請參考圖1的步驟10中，廢塑料被溶劑分解為小分子物料，亦可謂屬於一種預處理的步驟。
圖1係本發明的一種以光重整製造氫的方法實施例之流程示意圖。於圖1的步驟10中，其中的廢塑料，可以是一般經由資源回收過程，所回收來的塑膠料，例如聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚氯乙烯(PVC)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，或是纖維素。而值得注意的是，由於目前回收的塑膠料，可能於垃圾分類過程中，未能完全分類，亦或是無法徹底分類，因此前述塑膠料常會混雜地被回收，故本發明實施例中所稱的廢塑料，可包括前述一種或多種複數個塑膠料的混合物。
續請參考圖1本發明一種以光重整製造氫的方法實施例，於步驟10中，其中的溶劑可以是由苯，甲苯，二甲基甲醯胺，異丙醇，丙酮，氫氯酸，以及氫氧化鈉水溶液群組所選出，其中氫氧化鈉濃度介於0.5M至10M之間。
於圖1本發明一種以光重整製造氫的方法實施例的步驟10中，用以分解廢塑料所使用的溶劑，可以將廢塑料軟化並分解為廢塑料小分子，例如廢塑料小分子之最小分解可至單體即n = 1至該塑料聚合度。再者，為了使廢塑料能夠被溶劑水解成為小分子物料，較佳選定的濃度為100mg/L至1000mg/L，小分子物料則為一液態廢塑料懸濁液(suspension)。
請續參考圖1本發明一種以光重整製造氫的方法實施例的步驟12，對於前述步驟10所得到的小分子物料，進行表面活化處理。而於本發明的實施例中，以紫外光照射廢塑料小分子物料，藉以生成臭氧活化廢塑料小分子的表面，其中紫外光照射強度為1mW/cm 2至100mW/cm 2。
再請參考圖1本發明一種以光重整製造氫的方法實施例的步驟14，對於被活化表面的廢塑料小分子進行光重整反應，藉以產生氫氣。於步驟14中，被活化表面的廢塑料小分子和光觸媒材料，可被置入石英反應器中以進行光重整產氫反應，而其中光觸媒材料包括了二氧化鈦(TiO 2)，氧化鋅(ZnO)，二氧化錫(SnO 2)，硫化鎘(CdS)，氮化碳(g-C 3N 4)，鈦酸鍶(SrTiO 3)以及具有鈣鈦礦型(ABX 3)結晶結構的化合物，或前述化合物的組合。其次，於本發明實施例中，以具有鈣鈦礦型(ABX 3)結晶結構的化合物作為光觸媒材料或其中之一時，而該ABX 3為結晶結構，A為位於以B為中心的六面體的各頂點的金屬陽離子，B為金屬陽離子，X為陰離子。除前述化合物的組合外，光觸媒材料更包括金屬粒子，例如金，鉑，鈀，鎳，銅，銀，以及前述複數個金屬的組合，而該金屬粒子係為複合光觸媒材料表面的金屬粒子，並非ABX 3的A或B。
續參考圖1，於步驟14中，可以於石英反應器中設置攪拌裝置或其他震盪裝置，使光觸媒材料在廢塑料小分子懸浮液中保持懸浮狀態。其次，可於石英反應器中，通入氮氣以吹掃廢塑料小分子懸浮液的上方，可以除去石英反應器中的氧氣，而該步驟14可於一大氣壓下進行。再者，可用氙燈照射石英反應器以定期收集氫氣氣體，而其中的氙燈照射強度為1mW/cm 2至100mW/cm 2。需要說明的是，為了使本發明一種以光重整製造氫的方法能夠完全，其中石英反應器中的懸浮液反應後，可以迴流的方式導回步驟10的廢塑料所在的預處理室中。
圖2為實施本發明一種以光重整製造氫的方法實施例的一種系統方塊示意圖。請參考圖2，光重整製造氫的系統包括預處理器20，傳送管路22，石英反應器24，以及迴流管路26。
請參考圖2的本發明一種以光重整製造氫的方法實施例的一種系統方塊示意圖。起初一開始，將廢塑料和溶劑被注入預處理器20中，進行軟化水解為廢塑料小分子物料，而廢塑料小分子物料被泵取出，再經由傳送管路22輸送至石英反應器24中，以進行活化表面及光重整製造氫，再經光觸媒反應後的廢塑料小分子懸浮液，從石英反應器24被泵取出，經由迴流管路26回到預處理器20中。
仍請參考圖2的本發明一種以光重整製造氫的方法實施例的一種系統方塊示意圖。另一方面，於石英反應器24反應所得到的氫氣，亦可經由迴流管路26回到預處理器20中，於預處理器20可設置輸出管路28，氫氣可由輸出管路28輸出至外界以進行收集。
續請參考圖2的本發明一種以光重整製造氫的方法實施例的一種系統方塊示意圖。此外，關於廢塑料小分子物料的活化表面處理也可以在預處理器20中進行。而於石英反應器24中，可增加攪拌設施以使得石英反應器24中的光觸媒材料保持懸浮狀態。再者，石英反應器24可設置其他管路或輸出入通道，以補給光觸媒材料，或是通入氮氣，以及排出石英反應器24中的氧氣。
本發明係一種以光重整製造氫的方法，可達到環境的保護，在能充分利用所擁有的資源情況下，除了可以有效地進行能源節約之外，並可充分地開發運用能源。又本發明係一種以光重整製造氫的方法，當以廢棄的塑料作為原物料，可減低廢棄塑料的污染，有效進行環境保護。甚且，本發明係一種以光重整製造氫的方法，而以廢棄的塑料為原物料，在廢棄塑料可作為充分的資源情況下，得以充分地回收利用。
以上所述的實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10:步驟
12:步驟
14:步驟
20:預處理器
22:傳送管路
24:石英反應器
26:迴流管路
28:輸出管路
圖1為本發明的一種以光重整製造氫的方法實施例的流程示意圖。
圖2為實施一種以光重整製造氫的方法的系統方塊示意圖。

Claims (9)

  1. 一種以光重整製造氫的方法，包括：提供一廢塑料並以一溶劑分解該廢塑料為小分子物料，該溶劑和該小分子物料形成一廢塑料懸濁液，其中該廢塑料包括聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚氯乙烯(PVC)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，纖維素，以及前述的複數個組合；對該小分子物料進行一表面活化處理；以及對表面活化後的該小分子物料進行一光重整反應以產生氫氣，其中該光重整反應包括以一光觸媒材料混合入該廢塑料懸濁液中。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該溶劑係由苯，甲苯，二甲基甲醯胺，異丙醇，丙酮，氫氯酸，以及氫氧化鈉水溶液群組中所選出。
  3. 如請求項1所述的方法，其中該廢塑料懸濁液的一濃度為100mg/L至1000mg/L。
  4. 如請求項1所述的方法，其中該表面活化處理包括以一紫外光照射該廢塑料懸濁液。
  5. 如請求項4所述的方法，其中該紫外光的一照射強度為1mW/cm2至100mW/cm2。
  6. 如請求項1所述的方法，其中該光重整反應在一石英反應器中進行。
  7. 如請求項1所述的方法，其中該光觸媒材料包括二氧化鈦(TiO2)，氧化鋅(ZnO)，二氧化錫(SnO2)，硫化鎘(CdS)，氮化碳(g-C3N4)，以及鈦酸鍶(SrTiO3)，一具有鈣鈦礦型(ABX3)結晶結構的化合物，以及前述複數個組合。
  8. 如請求項7所述的方法，其中該光觸媒材料更包括金，鉑，鈀，鎳，銅或銀，以及前述複數個金屬的組合。
  9. 如請求項1所述的方法，其中該光重整反應包括以氙燈照射表面活化後的該小分子物料。
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