新聞日期:2024-10-04
新聞來源:大紀元
文/大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導
沸石，示意圖。（Shutterstock）
傳統工業上有許多將廢棄生質材料轉變為有用的化學物質的方法，但這些方法需要大量的能源和催化劑，且轉換效率低下。這次日本著名大學研製了一種特殊沸石，只需透過簡單的微波加熱，就能輕鬆且快速的轉換這些生質材料。
一般合成塑膠、藥品或食品添加劑等物品，通常從結構簡單的化學前驅物（烯烴類化合物）開始合成，而這些東西大多是從石油中提煉出來，但石油在開採和提煉過程不僅需大量能源，還容易造成環境污染。
於是人們以食用油廢料、微藻油等生質材料，作為高效、可持續合成前驅化學品，來取代部分石油。方法是把沸石加入廢油中，再用傳統的熱對流方式把油加熱至400°C至600°C，使沸石透過「催化裂解」讓油裂解成烯烴類化合物（苯、甲苯、二甲苯等）。不過，這種方法需要耗費大量能源去加熱廢油，還容易讓廢油在高溫下，出現許多不必要的物質（焦化），且會縮短催化劑（沸石）的使用壽命。
沸石是一種多孔天然材料，通常用作催化劑或吸收劑，若孔洞遭到堵塞其效率就會降低。
日本九州大學（Kyushu University）研究人員發現一種名為「Na-ZSM-5」的沸石材料作為催化劑。只要把它加入廢棄的食用油，再透過微波加熱的方式加熱至500°C至600°C，就能使廢棄的食用油轉變為有用的「烯烴類型」化學物質。該研究成果發表在《化學工程雜誌》的10月月刊上。
九州大學農學院的椿俊太郎（Shuntaro Tsubaki）副教授帶領的團隊首先比較了各種沸石催化劑，希望尋找能夠被有效微波加熱和具有良好催化性能的沸石。最後，他們找到了「Na-ZSM-5」。
這種沸石是一種由鈉離子（Na+）取代的沸石，可以在透過微波將沸石催化劑加熱到所需的溫度，而不會產生「焦化」。「焦化」是一些不必要的沉積物，在沸石的周圍積累而產生的現象。
他們為了展示微波加熱相對於傳統加熱的優勢，把Na-ZSM-5沸石加入油酸甲酯，再用微波將油酸甲酯加熱，讓其催化裂解成為乙烯、丙烯等烯烴。
結果發現，採用Na-ZSM-5沸石和微波的方法，能讓整體轉化效率比傳統方法提高4倍以上，且整體轉化具有高達80%的選擇性。此外，這種沸石還能抑制裂解時形成的苯、甲苯和二甲苯等烯烴物質，出現變質和產生有毒的一氧化碳。整個反應過程產生的二氧化碳也很少。
實驗人員還發現，透過低頻微波把含有Na-ZSM-5沸石的油酸甲酯加熱到500°C時，能夠產生乙烯、丙烯和二甲苯等物質，且最高的碳產率高達35%。
為了解Na-ZSM-5沸石為何具有良好的選擇性和催化能力，研究人員對這種沸石進行微波射擊，發現它部分的晶格會快速飆升近1000°C，即便整個沸石的溫度為500°C，也會出現這種結果。因此，他們推測這種極端溫度可能就是推動烯烴的主要原因之一。
椿俊太郎副教授對該校的新聞室表示，「微波直接讓材料進行加熱，還可以選擇性的向它們傳遞能量，與傳統的熱對流過程相比，節省了大量能源。」「特別是微波可以直接穿過空氣，並選擇性的加熱固體催化劑，達到加速整體催化的過程。另外，這些被加熱的催化劑會形成空間熱點，去催化那些物質進行裂解。」
他還強調說，「這一研究結果將有助於化學工業更進一步電氣化，因為微波可以藉由太陽能和風能等再生能源產生。可以減少這些基本化學品合成對環境的影響。」
研究團隊計劃進一步增強微波驅動的催化過程，尋求提高產量和能源效率來擴大產能，同時希望他們的努力能開創可持續性化學的新時代。
責任編輯：連書華
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