脫鹽技術

離子液體在環境領域之應用

離子液體 (ionic liquids, ILs) 有許多吸引人的特性,不同於傳統的揮發性有機溶劑 (volatile organic solvents; VOCs),使它們在環境保護上展現新的機會。根據離子液體在污染物處理和廢棄物回收分離有機或無機成分的研究,發現分離的效果與特定離子液體的設計和選擇密切相關。離子液體在環境領域的應用,包括二氧化碳捕捉 (CO2 capture)、燃料的脫硫 (desulfurization)、汙染物去除、汙染物偵測、光觸媒合成、電極複合材料合成等方面,礙於篇幅以下僅針對二氧化碳捕捉、燃料脫硫和光觸媒合成進行簡單的說明。

1.   二氧化碳捕捉 (CO2 capture)

1 離子液體應用於CO2捕捉之流程圖

CO捕捉的研發技術中,離子液體深受重視且被認為極具發展潛力。離子液體用於 CO捕捉的主要優勢在於其極低的蒸汽壓,因此離子液體幾乎無損失也不會產生氣態污染。離子液體的低蒸汽壓也造成 CO脫附 (stripping) 和溶劑再生時的能耗降低。根據模擬估計,使用 [Bmim] [Ac] 離子液體進行 CO捕捉,比傳統單乙醇胺 (monoethanolamine, MEA) 程序可減少能量損失16%,投資額降低11%以及用地面積減少 12%。另有報告指出,離子液體-水溶劑(ILwater solvent)用於燃燒後 CO捕捉比 MEA 溶劑的能量需求降低60%。因此,離子液體成為由工廠排氣中CO2分離兼具節能和省成本的好方法。而離子液體捕捉 CO的程序設計方面,可參考 MEA 系溶劑的典型程序,但 CO脫附則以閃化槽(flash tank)替代蒸餾塔,如圖1所示[1]

2.   燃料的脫硫(desulfurization)

因為傳統的加氫脫硫方法去除燃料中的噻吩硫物種 (thiophenic sulfur species),如二苯噻吩 (dibenzothiophene; DBT) 有其限制,離子液體被用去除這些物種。離子液體具備在大氣條件下,無需耗氫即可萃取芳香族含硫化合物 (aromatic sulfur-containing compounds) 的能力。此外,離子液體與燃料不相溶,使用過的離子液體可以經由溶劑洗滌或蒸餾予以再生和回收。多種類型的離子液體被證明可用於燃料的除硫,包含不同陰離子的 imidazoliumpyridinium 和銨系離子液體。從十二烷 (dodecan) 中萃取 DBT 能力的研究顯示,陽離子型離子液體的脫硫能力排序為:methyl pyridinium ≥ pyridinium≈ imidazolium ≈ pyrrolidinium,而陰離子的型式影響較不顯著[2]

3.   光觸媒合成

2應用離子液體/微波之溶膠凝膠程序,一階段合成及固定TiO2光觸媒奈米粒於PMMA基材表面之示意圖

工研院之研究團隊創新研發一階段合成及固定 TiO光觸媒奈米粒於 PMMA 基材表面的技術,如圖 所示。利用離子液體/微波加熱狀態下之溶膠凝膠 (sol-gel) 程序,在熱塑性高分子表面的特定位置上進行反應。這些位置是經由醇類 (isopropyl alcohol) 對高分子基材表面的軟化和膨潤效應(softening and swelling effect),產生表面粗糙化所形成的微小凹穴 (cavities)。高分子基材表面粗糙化成為 TiO光觸媒奈米粒固定化的重要因子,而離子液體可在低溫下,引導高分子基材表面固定的 TiO光觸媒快速形成 anatase奈米結晶微粒,並具有良好的固定穩定性 (immobilization stability) 和光催化 (photocatalytic) 功能[3]


[1] X. Zhang, et al., Energy Environ. Sci., 2012, 5, 6668–6681

[2] Holbrey, J. D., et al., Green Chem., (2008) 10, 87-92

[3]Y. H. Liu, et al., J Mater Sci (2010) 45:6212–6217


撰寫人邵信

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