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發行單位 : 行政院環境保護署環境保護人員訓練所    
協辦單位 : 財團法人工業技術研究院    
出刊日期 : 民國112年7月6日
「氣候變遷專欄」
我國航空業溫室氣體管制現況

雷竣翔1、葉品君2、章彤3
1環興科技股份有限公司 | 計畫主任
2環興科技股份有限公司 | 工程師
3環興科技股份有限公司 | 工程師

*通訊作者:雷竣翔 E-mail:ray@mail.sinotech-eng.com

一、前言

自十八世紀工業革命後,全球溫室氣體排放逐年增加,隨著飛航技術進步,空運逐步成為國際交通的首選;航空器除會排放氮氧化物、凝結尾和懸浮微粒外,溫室氣體排放量亦大。依據政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次評估報告指出航空(國內及國際)所排放的溫室氣體約占全球排放的2%,國際航空約占全球二氧化碳排放的1.3%1,並以每年4%的速度成長。然而長期以來,國際航空業的碳排放長期以來未納入國際氣候變遷治理的一環。因此,國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)於2013年第38屆會員大會上宣示,國際航空業自2020年起實現碳排放零成長(CNG 2020)。

ICAO為了達到2020年國際航空業零碳成長之目標,採取了提升航空器科技、航行方式最佳化、永續航空燃油(Sustainable Aviation Fuel, SAF)添加及實施全球碳市場機制(Global Market-based Measure, GMBM)等措施來達成此目標。並於2016年第39屆會員大會中,決議以「國際航空業碳抵換及減量計畫(Carbon Offset and Reduction Scheme for International Aviation, CORSIA)」作為推動國際航空業碳排放管制措施,藉以控管全球國際航線之碳排放。

圖1、ICAO 2020年碳排放零成長規劃2


二、國際航空業溫室氣體管制現況

依據《國際民用航空公約》(Convention on International Civil Aviation)第16號附約(Annex 16)第4冊-國際航空碳抵換及減量計畫(Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation (CORSIA))3規範,所有航空業者自2019年1月1日起至2035年12月31日期間,每年須進行國際航線碳排放之監測、申報與查證(Monitoring, Reporting and Verification, MRV)作業,CORSIA機制相關執行細節分述如下:

(一)管制對象
CORSIA機制的管制範圍以「國際航線」為基礎(Route-based Approach),國際航線的起飛及降落國皆為CORSIA機制的參與國,則須承擔碳排放減量責任,若起降任一國非CORSIA機制參與國,則該國際航線則不須要承擔碳排放減量責任。

(二)實施階段
CORSIA機制共分三階段推動(圖2),分為試行階段(2021-2023年)、第一階段(2024-2026年)及第二階段(2027-2035年)。試行及第一階段皆可自願參與,第二階段則為強制參與階段,但低度開發國家(Least Developed Countries, LDCs)、小島國家(Small Islands Developing States, SIDSs)及內陸開發中國家(Landlocked Developing Countries, LLDCs)可豁免。目前參與CORSIA的會員從2021年的88個國家,逐年提升,至2022年107個國家參與,截至2023年5月已有121個國家宣布自2024年起參與CORSIA機制。

圖2、CORSIA推動的三個期程4

(三)碳排放責任抵換義務計算
航空業者每年的碳排放責任抵換義務係自2021年起算,碳排放責任抵換義務為航空業者的年度碳排放量乘以「增長因子」(Growth Factor)。碳排放責任抵換義務將採「航空部門」(Sectoral)和「個別航空業」(Individual)兩種動態調整的方式計算,並分別對應「航空部門碳排放增長因子」(Sectoral Growth Factor)與「個別航空業碳排增長因子」(Individual Growth Factor)。在2021-2029年期間,航空部門碳排放增長因子為100%;2030-2032年間則降至最高80%;2033-2035年間則降至最高30%。個別航空業碳排增長因子則相應增長,2030-2032年間不低於20%;2033-2035年間則不低於70%。

(四)新進業者豁免
新進業者前3年的碳排放無須責任抵換義務,除非其國際航班的年度碳排放量超過全球航空業2020年的年度總碳排放量的0.1%時,次年度起將承擔碳排放責任抵換義務。

(五)技術豁免
為避免CORSIA機制管理上的負擔,CORSIA機制將豁免下述三種低碳排放之業者與航空活動:
●航空業者國際航空業務每年產生的碳排放量低於10,000公噸者;
●航空器最大起飛重量(Maximum Take Off Mass, MTOM)低於5,700公斤者;
●進行人道主義、醫療及消防作業之航空活動。

(六)碳排放量監測
自2019年1月1日實施所有國際航班的碳排放量監測作業。

(七)碳排放量申報
自2020年起,航空器業者應向歸屬國之主管機關申報前一年度之國際航班碳排放量,申報頻率為每年一次。

(八)碳排放量查證
航空業者完成年度排放報告之後,需聘請獨立的第三方查驗機構查證其年度排放報告。

(九)CORSIA機制合格燃油抵減
航空業者可以透過申報使用符合CORSIA機制標準的燃油(永續航空燃油(Sustainable Aviation Fuel, SAF)、低碳航空燃油)抵減該業者在CORSIA遵約期下的碳抵換責任。在申報使用CORSIA機制合格燃油時,航空業者應從申報總量中扣除交易或是出售給第三方的燃油量。自2022年起,航空業者選擇於每年提交年度碳排放報告書與查證報告書時,須一併提交CORSIA合格燃油補充文件及查證報告書予國家主管機關審查及核准,或是於各CORSIA機制遵約期結束前,單獨提交CORSIA合格燃油補充文件及查證報告書予國家主管機關審查及核准。

(十)碳排放責任抵換
自2021年1月1日起,至2035年12月31日為止,碳排放責任抵換義務適用於CORSIA機制參與國之間具有經營國際航班的航空業者。

各歸屬國須估算各航空業者各年度碳排放責任抵換義務,並扣除使用符合CORSIA機制標準的燃油所產生的減排量後,通知各航空業者各階段(三年為一階段)的最終碳排放責任抵換義務。航空業者須在CORSIA機制規範的時間內,註銷與最終碳排放責任抵換義務等量的碳排放額度。可適用於CORSIA機制的碳排放額度如圖3所示。

圖3、CORSIA認可之碳抵換來源5


三、我國航空業因應國際碳排放管制措施

我國雖非ICAO會員國無法直接參與CORSIA機制,但基於我國航空業之收益噸公里(Revenue Tonne Kilometres, RTKs)約佔全球之2-3%,且為呼籲ICAO「不遺漏任何國家(No Country Left Behind, NCLB)」,交通部民航局亦提出相當積極的應對措施,仿效CORSIA機制與架構,並參酌我國環保署國家溫室氣體登錄平台的建置規劃經驗,建立我國國籍航空溫室氣體註冊平台,以自願性遵從CORSIA機制相關規範的方式將我國航空業納入管制範疇,努力協助ICAO達成全球航空業零碳成長的目標。

民航局要求我國籍航空業者自2019年起開始進行申報作業,並採自我宣告的方式,於民航局網站之CORSIA專區揭露「國際航空業碳抵換及減量計畫(CORSIA)中華民國之國家碳排放量資料」、「我國認可之國際航空業碳抵換及減量計畫(CORSIA)查驗機構(Verification Body, VB)清單」及「國際航空業碳抵換及減量計畫(CORSIA)關於歸屬中華民國之航空器使用人清單」6,重點資訊彙整於圖4及表1。

圖4、CORSIA機制中華民國之國家碳排放量資料


表1、我國認可之CORSIA機制查驗機構清單

認證通過之查驗機構名稱
1.

台灣衛理國際品保驗證股份有限公司

(Bureau Veritas Certification (Taiwan) Co., Ltd.)

2.

立恩威國際驗證股份有限公司

(DNV Business Assurance Co., Ltd.)

我國籍航空業者除了因應民航局之規範外,為順應國際趨勢及淨零排放浪潮,相繼提出溫室氣體盤查及減量的措施,包含科技技術提升、改善基礎設施及有效的飛行操作等方面之策略,以符合國內外要求。由於我國籍中華及長榮航空公司,在2016年國際航空運輸協會(International Air Transport Association, IATA)的運量統計上,分別為第33名及第30名;兩航空公司之年運量約占全球RTKs之2.6 %,故以下將針對中華航空及長榮航空之溫室氣體管理現況進行說明。

(一)中華航空
中華航空每年執行溫室氣體盤查作業,確實遵循民航、環保及能源相關法規、強化風險管理機制、積極參與及響應國內外環境永續相關組織與倡議,落實企業環境暨能源政策,於2021年參與IATA於同年第四季宣示「2050年淨零排放目標及減碳路徑」,以燃油效率提升、提升氣候相關財務揭露(Task Force on Climate-Related Financial Disclosures, TCFD)作業與緊急應變體系、推展永續航空燃油(SAF)、適時參與國際碳管制機制、適時引進新科技等面向達成零碳排放,如圖5所示。

圖5、中華航空2050年淨零碳排放藍圖7


中華航空積極參與國際碳管制機制,蒐研並引進溫室氣體減量知識,藉由相關計畫擬定,強化面對氣候變遷的能力,有關中華航空之溫室氣體減量現況說明如表4所示。

表4、中華航空溫室氣體減量現況8

措施名稱 執行作法
燃油效率提升

1.持續推動「機隊更新」、「機身減重」、「航務優化」、「維運精進」等方案。

2.依中、長期業務成長及減碳趨勢進行機隊規劃。

3.推動永續航空燃油添加作業。

4.持續推動飛航節油作業。燃油效率平均每年提升1.5%。

提升 TCFD 作業與緊急應變體系

1.建立作業SOP程序。

2.建立跨單位資訊作業平台。

推展 SAF 永續航空燃油

1.推動產官學界催生本土永續航空燃油之發展策略。

2.2017年添加10%永續航空燃油進行未載客飛行。

3.2023年5月23日添加10%永續航空燃油載客飛行。

適時參與國際碳管制機制

1.參與國際航空業碳抵換及減量計畫。

2.持續強化因應 EU ETS , UK ETS、CORSIA 等機制MRV作業。

3.碳權/額度交易制度操作的研究與執行。

適時引進新科技

注新科技、新型低碳航機的發展,適時評估引進。


(二)長榮航空
長榮航空自2011年起開始執行溫室氣體盤查作業,2016年起依循ISO14064-1辦理盤查及查證作業,並響應國內外2050淨零排放目標,提出淨零排放減量藍圖,透過使用永續航空燃油及再生能源,設定短期在2025年前減少範疇一排放1.6%、中期在2035年減少範疇一排放8%,並期望在2050年達成淨零碳排放,如圖6所示。

圖6、長榮航空2050年淨零碳排放藍圖9


長榮航空亦積極參與CORSIA機制、歐盟排放交易體系(EU ETS)、英國排放交易體系(UK ETS)等各項國際溫室氣體排放管制措施,並全力支持航空業界共同減碳目標,對此提出相關減量措施如表5所示。

表5、中華航空溫室氣體減量現況10

措施名稱 執行作法
機隊現代化

應市場變化需求,持續評估新機來汰換高齡航機。

航機減重

1.全面電子化機上雜誌及電子飛行資料包,大幅減少機上紙本手冊及文件。

2.採用新型輕量化行李櫃。

3.在不影響服務品質下,移除客艙不必要的裝備或服務用品;依照預計載客人數彈性調整機上水量及服務用品裝載。

運航作業效率提升

1.導入新世代飛行計畫系統,可根據各飛航情報區的飛航規則及限制,計算出最佳化飛行計畫航路、巡航高度以及油量,提升飛航效率。

2.精確規劃航班貨物裝載位置,使航機重心最佳化,提升燃油效率。

3.推動各場站於航機地面作業時,使用拖車電源以及地面電源和氣源設備,替代APU的使用。

航機維修作業精進

1.航機定期進行機身以及發動機清洗作業,除避免因航機表面髒汙造成阻力,也透過清洗發動機以降低排氣溫度,提升發動機性能。

2.與發動機製造商簽訂發動機翻修服務,並定期檢視飛航控制面平整度,提升航機整體油耗效能。

橋氣橋電使用

長榮航空積極與各機場協調並爭取將每日地停或過境航機安排於具有橋氣橋電設備的空橋,並訂定接用橋氣橋電的標準作業程序,作為機場各相關單位的執行依據,藉由提高橋氣橋電設備的使用率,大幅減少原先需要依靠航機輔助動力系統的燃油消耗,並降低地面作業的碳排放。

旅客碳抵銷計畫

依據ICAO公布的碳排放計算指引以及各機型燃油使用量及載客量數據作為統計的基礎,計算每位乘客每公(英)里的碳排放係數,旅客瞭解旅程之二氧化碳排放後,可選擇支付等值金額或自訂的金額來支持由非政府組織-ClimateCare所資助之國際碳減量計劃,順利完成「零碳旅行」。


四、結論與建議

ICAO在2022年9月27日-10月27日召開的第41屆大會上,通過國際航空業長期理想目標(Long term global aspirational goal, LTAG),力求實現2050年國際航空業淨零排碳,而永續航空燃油(SAF)更被視為能否實現航空業淨零排放的關鍵技術。現階段透過CORSIA機制維持2020年碳排放零成長,無非是為了替SAF的研發與應用爭取更多的時間與資源。現階段SAF尚未大規模供應,雖然採用SAF代替傳統航空燃油雖可減少高達80%總生命週期的碳排放,但由於價格上亦不具競爭優勢,至少是傳統航空燃油3-4倍,距離全面改用SAF仍有段距離要走。

今(2023)年2月初,阿聯酋航空宣布成功完成首架以100%永續航空燃料作為動力的示範航班,而我國華航亦於今年5月於載客航班完成添加10% SAF的創舉,寫下台灣運輸業永續發展的重大里程碑。全球各國航空業已逐步開始使用SAF,然而,盤點我國SAF供給量能,則是業者想加也沒得加,只能從國外引進。因此,建議有關主管機關協助中油、台塑等油商開發生產可供航空器使用的SAF,再配合一些碳排放量抵換措施等,解決業者買不到我國經ICAO認證的SAF問題。

五、參考文獻

  1. IPCC (2013) “Climate Change 2013: The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fifth.
  2. ICAO(2017). Convention of International Civil Air.Annex16 – Environmental Protection.
  3. ICAO(2016).ICAO Environmental Report 2016.
  4. ICAO(2023).CORSIA Eligible Emissions Units
  5. 交通部民用航空局(2023)。CORSIA專區。
  6. 中華航空(2021),中華航空企業永續報告書。
  7. 長榮航空(2021),長榮航空永續報告書。

  1. IPCC(2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change
  2. ICAO(2016).ICAO Environmental Report 2016
  3. ICAO(2017).Convention of International Civil Air.Annex16 – Environmental Protection.
  4. ICAO(2016).ICAO Environmental Report 2016
  5. ICAO(2023).CORSIA Eligible Emissions Units
  6. 交通部民用航空局(2023)。CORSIA專區。
  7. 中華航空(2021),中華航空企業永續報告書。
  8. 中華航空(2021),中華航空企業永續報告書。
  9. 長榮航空(2021),長榮航空永續報告書。
  10. 長榮航空(2021),長榮航空永續報告書。

名詞解釋


Measurement, reporting and verification (MRV)
量測、報告與查證


指彙整、計算及分析排放量或碳匯量之作業。其出自於「聯合國氣候變化綱要公約」第13次締約方大會 (COP 13) 決議文件「量測、報告與查證」,指氣候變遷減緩之承諾與行動需「可量測」(measurable)、「可報告」(reportable) 且「可查證」(verifiable),在「聯合國氣候變化綱要公約」之下,為推動並落實長期氣候目標之原則,就溫室氣體排放與移除、減緩行動及技術與資金支持等議題,建立量測、報告與查證機制,以支持各國履行其共同義務。「量測」為依時間推移蒐集數據並建立基礎資料庫之程序;「報告」為依規定之格式及標準將評估結果正式報告予「聯合國氣候變化綱要公約」之程序;「查證」為查核、驗證報告之程序。



Least Developed Countries(LDC)
最低度開發國家


為因應永續發展面臨嚴重結構性障礙之低收入國家,其容易受到經濟與環境衝擊影響,且人力資產水平較低,由「聯合國發展政策委員會」(CDP)、「UN大會」(UNGA)、「社經理事會」(ECOSOC) 每三年定義、認定相關國家資格。


最新環境法令政策資訊
「環保署政策宣導」

環保專責人員在職訓練~經費有限,請及早報名!!~


環境保護專責及技術人員訓練管理辦法於109年7月1日修正後,依法設置之各類環保專責人員應於設置(登記)之次年起算2年內應完成在職訓練。經設置(登記)為環保專責人員者,請至環訓所網站(https://record.moenv.gov.tw/eptiweb/Voucher/wFrmRecent.aspx「近期開班資訊」點選「在職訓練」,並選取所需類別報名。


為減輕專責人員負擔,現行參訓費用由環保署各類基金支應,專責人員無需另支付訓練費用,本年度若經費用罄,則由參訓學員自行負擔。


其他詳情亦可洽下列在職訓練機構:

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東海大學

0975-015840

國立雲林科技大學

(05)536-2023

成大研究發展基金會

(06)208-0355

國立中山大學

(07)525-0139


●法定何時要上在職訓練?

依「環境保護專責及技術人員訓練管理辦法」第23條:「經設置或登記為環境保護專責及技術人員者,每2年應完成在職訓練至少6小時,其中政策法規類課程不得少於3小時。

中央主管機關得視需要,調訓環境保護專責及技術人員,其無正當理由者,不得拒絕。

環境保護專責及技術人員因故未能參加前項調訓者,應於報到日前,以書面敘明原因,向中央主管機關申請延訓。」。


第23-1條:「前條第1項所定每2年期間,於本辦法中華民國109年7月1日修正施行後,就環境保護專責及技術人員執行業務事實發生年度之次年1月1日起算;修正施行前已設置為環境保護專責及技術人員者,自110年1月1日起算。逐年以年度計算之連續2年,其設置期間未滿1年者,仍以1年計。但逐年以年度計算時,設置年度未連續者,不在此限。」。


●舉例說明:

(一)甲自109年9月15日設置或登記為環境保護專責及技術人員,於111年3月15日離職,甲之設置期間,跨越110年、111年二年度,甲應於111年12月31日前完成在職訓練至少6小時。

(二)乙於110年9月15日設置或登記為為環境保護專責及技術人員,於同年12月15日離職,復於111年1月15日設置或登記,於112年12月15日離職,乙之設置期間,跨越111年、112年二年度,乙應於112年12月31日前完成在職訓練至少6小時。

(三)丙自105年9月15日設置為環境保護專責及技術人員,且設置情形持續,丙應自110年1月1日起之2年期間內,即應於111年12月31日前完成在職訓練至少6小時。

「環保署政策消息」


環保技術新知
N2O直接催化分解技術

工業技術研究院 綠能與環境研究所 潘冠綸 KLPan@itri.org.tw

前言

全球暖化(global warming)為各國所關注之重要議題,一氧化二氮(nitrous oxide, N2O),又稱笑氣,不僅會破壞平流層的臭氧(ozone, O3),亦為重要的溫室氣體,N2O的全球暖化潛勢(global warming potential, GWP100)及大氣存活時間分別為310及150年[1]。N2O排放除了源自於已二酸、硝酸及化石燃料燃燒等製程外,高科技產業薄膜製程亦使用大量N2O,相關統計指出全球每年人為之N2O排放量可達7百萬噸[2],對溫室效應(greenhouse effect)貢獻顯著。各國已積極推動溫室氣體減量之策略,預計未來將對N2O排放訂定嚴格的管制標準。

N2O之控制技術包含,高溫分解(high temperature decomposition)、選擇性觸媒還原法(selective catalytic reduction, SCR)、吸附(adsorption)、及直接催化分解(direct catalytic decomposition)。高溫分解技術廣泛應用於各種空氣污染物之去除,但能耗高,恐衍生更多的CO2排放,不利於溫室氣體之減量,而SCR則需於系統額外注入還原劑(reducing agent),較不具應用彈性。吸附技術於空污處理上,僅對污染物進行相的轉移(由氣相吸附至固相),並未能真正達污染物破壞/轉化。直接催化分解原理相似於高溫分解技術,但透過觸媒之催化作用可將操作溫度降低,改善能耗問題。綜整比較上述技術,直接催化分解技術之操作門檻相對簡單,且具經濟效益及應用彈性佳等優點,故有潛力應用於實場進行N2O之去除,本文將透過直接催化分解技術,並搭配適當觸媒,進一步探討去除N2O之性能及應用之可行性。

觸媒選用及製備方法

直接催化分解技術可選用之觸媒,分別有貴金屬[3]、過渡金屬[4]及沸石[5]等。以貴金屬系觸媒而言,對N2O去除之性能雖佳,但成本昂貴,而沸石系觸媒之缺點為水熱穩定性差,有易失活問題。鈣鈦礦觸媒(perovskite based catalyst)屬一複合型之過渡金屬氧化物,具催化性能佳、熱穩定高及成本低廉等優點,目前已廣泛應用於氣體重組產氫、空污減排、固態氧化物燃料電池(SOFCs)等。鈣鈦礦觸媒結構及活性配位可利用不同且適當之氧化物元素進行改質/取代,使結構中形成晶格缺陷(lattice defect),進一步使氧離子具有高遷移性,以提升觸媒吸附、氧化還原能力及催化性能。本文將以2種perovskite based觸媒,分別為single type及double type進行N2O去除測試。相較於single type perovskite觸媒,double type更具有獨特的物化學特性[6-7],因此預估有較高的氧遷移特性及催化性能。

於本文欲測試之perovskite based觸媒係利用檸檬酸溶膠凝膠法進行製備,以適量比之金屬硝酸鹽類與檸檬酸作為觸媒前驅物,並加入適量的乙二醇,進行聚合反應並抑制金屬離子分離,於80℃下水浴攪拌,直至觸媒前驅物之水溶液形成泥狀,後放入100℃烘箱乾燥,最後置入高溫爐,於1,000℃條件下鍛燒 6小時,即可得觸媒樣品,測試樣品分別標示single及double進行區分。觸媒樣品之物性分析,分別有X光粉末繞射分析儀 (X ray powder diffraction, XRD)、掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscopy, SEM)、及比表面積分析(specific surface area analysis, BET)。藉此解析可能之相關機制。

實驗系統及條件

直接催化分解實驗系統可概分為3部分,分別為(1) N2O混氣/進氣、(2) 催化系統及(3)尾氣分析,系統示意如圖 1所示。首先於進氣部分,供氣源為氣體鋼瓶,利用流量控制器(mass flow controller, MFC)調控,並與氮氣(N2)混合為欲測試之N2O濃度及進氣量,而催化系統則由石英反應管及升溫爐組成,測試前,取適量觸媒樣品置於石英反應管,並調控升溫爐之功率至欲測試溫度,活性測試前,需利用氫氣(2% H2 /N2)進行前處理,以確保觸媒活性準確性。而N2O之反應前、後濃度利用Fourier transform infrared spectrophotometer (FTIR, Nicolet 6700, USA Thermo Scientific, USA)進行解析。測試條件分別為N2O濃度 :300 ppm;balance gas:N2;操作溫度:100~600℃;空間流速:10,000 h-1。測試除了探討單純氣氛條件,亦評估氧氣(O2)及水氣(H2O(g)),O2同樣利用MFC導入系統,以進行測試;而H2O(g)則利用蠕動pump注入系統。實驗測試及規模為lab scale,所有data皆經三次重覆性及再現性測試,以求數據之可靠度。

圖1、直接催化分解對N2O去除之實驗系統示意

觸媒物性分析

圖2為觸媒之XRD圖譜,文獻指出perovskite晶相分別位於23°, 28.5°, 33°, 41°, 47°, 56°, 59° 及 69°[8],本文製備觸媒呈現之峰值符合文獻所述,顯示single type及double type皆為perovskite晶相。圖3為觸媒之SEM圖,由觸媒表觀特性結果顯示,single type及double type皆有團聚現象,透過BET比表面積解析,發現兩種觸媒之比表面積值分別僅為5.2 m2/g (single type)及5.9 m2/g (double type),與SEM結果對照,結果相符合,而造成觸媒表觀團聚現象及較小比表面積之原因,可能為製備觸媒過程之高溫鍛燒所至。

圖2、Perovskite-based觸媒之XRD圖

圖3、Perovskite-based觸媒之SEM圖

觸媒對N2O去除測試

圖4為perovskite based觸媒於直接催化分解系統對N2O去除之結果,顯示perovskite based觸媒於100至200℃條件下,對N2O去除幾近為零。進一步將操作溫度提升至300℃,single type perovskite觸媒對N2O去除效率可提升至18%,而double type perovskite觸媒則可達82%。若以100%之N2O去除效率而言,single type 及double type觸媒需分別操作至500℃及400℃。綜整而言,兩種perovskite based觸媒之比表面積值雖小(僅介於5及6 m2/g),但對N2O去除仍具高活性,顯示perovskite based觸媒表觀之團聚現象及比表面積值並未對N2O之去除反應有顯著之影響。進一步比較兩觸媒之活性,double type顯著優於single type,N2O直接催化分解機制如圖5及式(1)至(3)所示,觸媒表面會吸附N2O中的氧,進一步分解N2O,隨後使N2脫附,當另一N2O分子亦吸附於觸媒表面時,此時兩吸附的表面單原子氧將結合為O2並脫附,達N2O去除之目的[9]。而觸媒對N2O去除之活性高低,關鍵在於觸媒氧空缺之多寡(即觸媒表面之活性位置),如前所述,double type perovskite觸媒因具獨特的結構及物化特性,故有較佳的氧遷移性,進一步誘發更多觸媒表面氧空缺,利於N2O去除反應。

N2O + * → N2 + O*(1)
2O* ↔ O2 + 2*(2)
N2 O + O* → N2 + O2 + *(3)
*:觸媒表面氧空缺

圖4、Perovskite based觸媒對N2O去除之性能

圖5、N2O直接催化分解機制示意


O2及H2O(g)對觸媒去除N2O之影響

O2及水氣(H2O(g))常存在各產業/製程之廢氣中。而在N2O直接催化分解反應中,O2及H2O(g)會於觸媒表面與N2O產生競爭吸附,進而影響N2O去除效率[10-11]。由上節結果顯示,double type perovskite觸媒活性較single type佳,故擇其用於O2及H2O(g)影響評估,測試條件分別為N2O濃度:300 ppm;balance gas:N2;操作溫度:100~600℃;空間流速:10,000 h-1;O2:5% (when used);H2O(g):10% (when used)。圖6為double type perovskite觸媒在含(無)氧條件對N2O去除效率,顯示在含氧條件,N2O之去除效在300℃下率僅22%,觸媒催化性能顯著受O2影響,但隨溫度上升,O2導致之負面影響逐漸改善,至500℃時,N2O去除效率可達100%。由機制方面探討之,在富氧環境中,N2O去除機制會由催化直接分解反應轉由氧化去除反應,反應如式(4)及(5)及圖7所示,即O2會於觸媒表面形成活性氧,N2O可與其反應為N2及O2,以達去除效果,此反應機制一般溫度越高越為顯著。

另外,圖8為double type perovskite觸媒在含(無)水氣條件對N2O去除效率,結果指出無(含)水氣條件及300℃下,N2O去除效率分別為82%及76%,溫度於≥400℃,N2O去除效率皆可達100%,顯示水氣存在對觸媒去除N2O無顯著負面影響。由上述評估測試結果顯示,double type perovskite 觸媒對於水氣及O2具有良好容忍抗性。

Catalyst + 0.5O2 → Catalyst-[O](4)
Catalyst-[O] + N2O → N2 + O2(5)

圖6、Double type perovskite觸媒在含(無)氧條件對N2O去除

圖7、富氧環境下perovskite based觸媒去除N2O機制示意

圖8、Double type perovskite觸媒在含(無)水條件對N2O去除


結論與建議

本文透過直接催化分解系統評估perovskitenbased觸媒,包含single type及double type觸媒,對N2O去除之性能及未來應用之可行性。首先於單純氣氛條件下進行測試(僅N2O及N2),結果顯示double type perovskite觸媒於400℃條件下,對N2O去除效率即可達100%,而single type perovskite觸媒則需於操作於500℃,表較之,前者具更佳N2O去除活性,原因在於double perovskite觸媒具較佳氧遷移性及表面氧空缺,故利於N2O去除反應。進一步評估O2及H2O(g)條件下對double perovskite觸媒去除N2O之影響,結果指出O2之負面影響僅於300~400℃,當溫度達500℃時,N2O去除效率仍可達100%;而在有水氣條件下,溫度於≥ 400℃,N2O去除效率亦可達100%,顯示double perovskite觸媒對O2及H2O(g)具有良好容忍利及抗性。綜整double perovskite觸媒於N2O去除表現,直接催化分解技術確實可取代傳統高溫分解技術,且有潛力應用於實場。但有鑑於實場氣氛條件較lab scale更為複雜,而本文對參數探討有限,建議仍需考量及模擬各實場及製程之參數,進一步測試/驗證,使實場應用性評估更具參考性。

參考文獻

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  10. Hussain M. et al., Development of modified KIT-6 and SBA-15-spherical supported Rh catalysts for N2O abatement: From powder to monolith supported catalysts, Chem. Eng. J., 238:198-323, 2014.
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證照訓練試題解析

空污訓練
問題1:一塑膠製品製造程序本季原料使用量10,000公斤,製程採密閉收集連接至熱焚化爐,試問本季VOC排放量為何(塑膠製品製造程序揮發性有機物之排放係數值為2.368公斤/公噸原料使用量)?

解答:

  1. 考量全數燃燒之情況下,集氣效率以100%認定,揮發性有機物去除效率以防制設備熱焚化之控制效率90%予以認定。
  2. 故製程VOC排放=(10×2.368)×(1-90/100)=2.368 kg

廢水訓練
問題2:關於混凝單元之操作,何者有誤?(1)快混促使混凝劑與廢水於短時間內充分混合,破壞膠體粒子之穩定性(2)慢混即為膠凝,利用速度坡降使顆粒相互碰撞而生成較大且緻密之膠羽(3)通常快混階段需在數分鐘(約5分鐘)內完成(4)混合的效果可以外加在水中的動力來決定,因此慢混需要1~2小時

解答:

  1. 混凝單元之操作包含2步驟,即快混與慢混,快混目的在促使混凝劑與廢水於短時間內充分混合,破壞膠體粒子之穩定性;慢混即為膠凝,其利用速度坡降 (Velocity gradient),使顆粒相互碰撞而生成較大且緻密之膠羽。通常快混階段需在數分鐘 (約5分鐘)內完成,慢混則需要20~30分鐘。混合的效果或程度可以外加在水中的動力來決定,快混與慢混之時間範圍分別為3~10分鐘與20~40分鐘。
  2. 故本題正解為(4)

廢棄物訓練
問題3:施用於農地之堆肥,除高速堆肥外,發酵過程中,發酵堆中心溫度應維持在何溫度區間?(1)華氏45度至70度(2)攝氏45度至70度(3)華氏75度至85度(4)攝氏75度至85度

解答:

  1. 堆肥處理之溫度:好氧堆肥第1天溫度可達50℃,2~3天後升至60℃,最高溫度達73~75℃可滅病原菌及蟲卵。整個堆肥發酵過程之溫度應維持在45~70℃。
  2. 故本題正解為(2)。
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