新能源时代即将来临

1、減碳大作戰-降低機車廢氣排放對環境的衝擊摘 要新能源時代即將來臨，日本京都條約呼籲世界各國進行減碳活動，減少對環境的衝擊。在替代能源尚未廣泛使用前，化石燃料的使用仍然是不可避免的，利用化學反應來減少機車排放的氣體是絕對可行的方法。利用自製的機車排放廢氣淨化器具有以下的特色：一、環境減碳與減少污染物質是未來生活的重點，在無污染的替代能源尚未普遍化前，石油利用仍是能源使用的主流，利用化學反應將二氧化碳及污染物質轉換成無害或可利用物質，是可行的構想。二、原本被拋棄的貝殼，加熱後可用來吸附溶於水呈酸性的氣體。至於加熱貝殼的熱廢氣及二氧化碳則可通入溫泉藻培養槽中當作營養源。三、廢氣淨化器所使用強熱過的貝

2、殼及海綿吸附的溫泉藻，由實驗結果可以證實所設計的構想是可行的。但是溫泉藻的更換及培養仍是要持續改善的地方。關鍵詞：廢氣淨化器、化學反應、減碳作用一、研究動機現今環境中溫室效應一天比一天嚴重，使地球上面臨危機，而機車所排放的廢氣也是造成溫室效應的原因之一。為了改善溫室氣體對地球的影響，我們決定要從降低機車廢氣排放量開始做起，並利用自然與生活科技第一冊與第四冊課本中所學到的知識來解決問題。二、研究目的（一） 機車所排出廢氣的溫度、酸鹼值及二氧化碳的變化情形（二） 機車所排出廢氣淨化裝置的設計（三） 強熱後貝殼對排出廢氣的溫度、酸鹼值及二氧化碳的影響（四） 泡水海綿對排出廢氣的溫度、酸鹼值及二氧化碳

3、量的影響（五） 所設計的裝置對機車排出廢氣的溫度、酸鹼值及二氧化碳量的影響三、研究器材透明壓克力板、壓克力接合劑、壓克力管、螺絲、塑膠軟管、廢棄貝殼、海綿、探針型金屬溫度計、廣用試紙、二氧化碳測定儀、光陽125機車、溫泉藻(Thermosynechococcus sp.)四、研究步驟（一） 機車所排出廢氣的溫度、酸鹼值及二氧化碳量測定1. 先將光陽125機車立定好並確定不會傾倒後才啟動引擎。2. 啟動引擎讓機車處於惰轉狀態，每隔3分鐘利用探針型溫度計、潮濕廣用試紙及二氧化碳濃度測定儀，測量並記錄所排出氣體之溫度、酸鹼值及二氧化碳量(照片13)。照片1：利用探針型溫度計測溫度照片2：潮濕廣用試紙

4、測酸鹼性照片3：二氧化碳濃度測定（二）實驗裝置的設計1. 至機車行請教資深技工有關排氣裝置。2. 請教專業老師並製作成成品，主要區分成五個部分：廢氣導入口、牡蠣殼去酸板、耐高溫的溫泉藻海綿、上下層連接管、排氣孔(照片46)。20.524122.51011單位：cm24照片4：乘裝容器尺寸圖3. 操作方法(照片58)(1) 先將貝殼去酸板排放在盒中蓋上蓋子，將廢氣導入口與排氣管緊密接合。(2) 貝殼去酸板盒子的氣體出口以連接管連接溫泉藻類板的盒子上。(3) 放入吸附溫泉藻的海綿。(4) 裝設完畢就可使用。不用時也可以拆卸放入行李箱，或是置於較熱處照光即可。照片5：容器設備及螺絲照片6：組裝完成照

5、片7：填充牡蠣殼板照片8：裝置完成（三）填裝強熱過的貝殼對排出廢氣的影響(照片911)1. 先將空的裝置接上排氣管，作為對照組。2. 待機車惰轉6分鐘後同步驟（一）之2。3. 依次填裝10克、30克、50克、70克、100克強熱過的貝殼(照 片9)。4. 同步驟（一）之2。照片9：填裝強熱過的貝殼時溫度測量照片10：填裝強熱過的貝殼時酸鹼性測量照片11：填裝強熱過的貝殼時二氧化碳濃度測量（四）填裝海綿後對排出廢氣的影響(照片1214)1. 將貝殼倒出後，在第二層裝入乾燥海綿測試作為對照組。2. 將海綿浸泡清水後靜置3分鐘直到不滴水為止，再放入裝置的第二層測試。3. 再將海綿浸泡於溫泉澡培養液中

6、，靜置至不會滴水，然後放入裝置的第二層測試。4. 待惰轉6分鐘後，其餘步驟同步驟（一）之2。照片12：填裝海綿時溫度測量照片13：填裝海綿時酸鹼性測量照片14：填裝海綿時二氧化碳濃度測量（五）完整裝置對排出廢氣的影響(照片1517)將強熱過的貝殼及浸泡過的溫泉澡的海綿置入裝置，待惰轉6分鐘後，再依步驟（一）之2測量記錄結果。照片15：接上淨化器的溫度測量照片16：接上淨化器的酸鹼性測量照片17：接上淨化器的二氧化碳濃度測量照片18：溫泉藻五、研究結果（一）機車所排出的廢棄測量結果如圖1，引擎啟動後的3分鐘所排出氣體溫度，酸鹼度及二氧化碳量會有所變化，6分鐘以後就趨於穩定。（二） 根據訪問5位資

7、深機車技工的結果，顯示機車所產生的廢氣，只要是來自氣缸中汽油燃燒所產生，如果發生以下問題就會產生排氣上檢驗不合格。1. 點火系統不良。2. 氣門及排氣閥調整不良會造成混和氣過度稀薄。3. 空氣濾清器阻塞不順。4. 排氣量不順暢均會造成所排出的廢氣轉換，讓所產生不合格氣體量增加，而且機車出廠前還會加增觸媒轉換氣，讓燃燒不完全的氣體充分氧化。（三）由環保署96年公告的機車排氣檢驗標準中，檢驗的項目包含一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、二氧化碳（CO）及粒狀污染物的排放量，97年出廠的機車要加驗氮氧化合物。（四）依據所構想的淨化器設計的裝置（如照片19.20）共可分為五個部分：廢氣導入口、牡蠣殼

8、去酸板、耐高溫的溫泉藻海綿、上下層連接管、排氣孔。1.廢氣導入口：以可以耐高溫之壓克力管製作成接頭，直接套在汽機車的排氣管出口。2.牡蠣殼去酸板：將煅燒過的牡蠣殼接合成板狀，並且留下一些空隙，以便氣體能夠流動。導入的廢氣中所蘊藏的水氣和酸性氣體與煅燒過的鹼性牡蠣殼會進行酸鹼中和，產生硫酸鈣(石膏)，降低排放氣體的酸性。3.耐高溫的溫泉藻海綿：將藻類板裡的海綿切成四塊，避免氣體堵塞，再以海綿吸取耐高溫的溫泉藻，裝於透明耐熱塑膠盒中。當通過去酸板的二氧化碳氣體可以充當溫泉藻進行光合作用的原料，不僅可以降低二氧化碳的含量更可排出氧氣。4.上下層連接管：由於溫泉藻海綿必須照光才能進行光合作用，所以必須

9、放於上層，加上海綿須吸水分提供藻類存活，上下層間就必須有連接管來控制氣體流動及防止上層的水逆流堵塞排氣的順暢性。5.排氣孔：讓光合作用產生的氧氣和來不及作用的剩餘廢氣，可以經由排氣孔排除。上蓋導氣入口緩衝區 上下層導氣管 廢氣導入口去酸牡蠣殼板導氣入口緩衝區 吸附溫泉藻的海綿照片20：作品構造標示照片3：氣體流動路線圖（五）淨化器底層填充強熱過的貝殼後，由圖2中發現排出氣體的溫度下降有隨貝殼質量增加的趨勢，超過50g貝殼溫度下降情形就較為緩和，酸鹼度的變化與貝殼的填裝量並沒有明顯的規律性，但是潮溼的廣用試紙測試偏綠色，有逐漸中和的跡象。二氧化碳的含量也是隨這貝殼塡加量而減少，但是貝殼量在70g

10、與100g時氣體出口處氣體流量變小。（六）由圖3中可以發現只有海綿時溫度下降情形均較泡過水及含有溫泉澡時來的少，酸鹼度變化不明顯，二氧化碳量則是泡過溫泉澡泡過水乾燥的海綿，甚至比只填加貝殼時來的好。（七）機車廢氣淨化器填加50克強熱過的貝殼與泡過溫泉澡的海綿在測試結果（如圖4）降溫效果較分項測試的效果更好，酸鹼度更接近中性，而且二氧化碳減少比率也有明顯優於單項測試。六、討論（一）機車引擎的動力主要來自氣缸中油料瞬間爆炸所產生的力量，而汽油燃燒過程中會產生一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物未完全燃燒的碳氫化合物及粒狀污染物。日本京都條約中明列工業國家需進行“減碳計劃”，減少對環境污染及氣候

11、變化的衝擊。目前機車上所使用的觸媒轉換器僅能讓油料充分燃燒利用，對於二氧化碳、二氧化硫並無法回收，而且廢氣並未進行降溫處理。（二）機車在惰轉狀態的前6分鐘，加油線僅能進行緩慢加油，引擎及器械運轉尚未達到熱機狀態，造成排出氣體的溫度上升快速，酸鹼度pH 67間跳動，二氧化碳的產生量也起伏不定，6分鐘之後則趨於穩定狀態。（三） 為了達成所排出廢氣減碳及降溫的功效，淨化器的設計則是採用物理方法降溫及過濾粒狀污染物，利用化學反應回收部份二氧化碳及二氧化硫等氣體。（四） 貝殼的組成根據課本所記載其主要成分為碳酸鈣，但是清洗後使用仍會產生惡臭的腥味，所以才決定使用強熱過的貝殼，而且貝殼強熱過程中會產生氧化

12、鈣及二氧化碳（反應式1），而氧化鈣溶於水會形成鹼性的氫氧化鈣（反應式2），可與溶於水中的二氧化碳所形成的碳酸（反應式3）及二氧化硫所形成的亞硫酸進行酸鹼中和（反應式4）所形成的碳酸鈣及亞硫酸鈣（反應式5.6），則可以充當土壤，並與煅燒貝殼所產生的二氧化碳和熱氣作為藻類培養介質。碳酸鈣(強熱) 氧化鈣二氧化碳.（1）氧化鈣二氧化碳 氫氧化鈣 . (2) 二氧化碳水 碳酸 .（3）二氧化硫水 亞硫酸.（4）氫氧化鈣碳酸 碳酸鈣水.（5）氫氧化鈣亞硫酸 亞硫酸鈣水.（6）碳酸鈣酸 二氧化碳水鈣離子.(7) 二氧化碳水 氧氣葡萄糖 .(8) (五)氣體緩衝室是機車所排廢氣通過貝殼層時，會造成氣體流動速

13、率減緩，而且有新的氣體產生(反應式7)，為了避免逆衝回排氣管，阻塞氣缸排氣的順暢性所設計。(六)海綿本身具有孔隙，吸水時會在孔隙間形成水膜，具有吸收氣體熱量及過濾效果，而且提供溫泉藻吸附並進行光合作用的環境。(七)溫泉藻是由彰化師範大學生物系所取回需培養在高溫環境（4060）的藍綠藻(Thermosynechococcus sp.)，可以利用加熱貝殼所產生的熱廢氣及二氧化碳導入水中作為溫泉藻的培養基。而溫泉藻本身可以利用光合作用(反應式8)來達到減碳及降溫效果，但是要普遍化利用尚是待改進的問題。（八）由圖2中機車廢氣通過貝殼層時，pH值比未裝填貝殼時接近中性，符合了所預期的構想。但是，溫度和二

14、氧化碳的降低並非完全如構想，因為查詢資料發現反應式2.3.4.5.6.7均為放熱反應，而且反應式5所形成的碳酸鈣，遇到酸時會再分解成二氧化碳（反應式7）。至於下降的溫度是則是因所排放氣體的流速變慢而與貝殼及空氣相混合，達到降溫效果。而二氧化碳量的減少，也可以推測貝殼層吸附的功能大於分解的影響，淨化器底部殘留一小部分白色的泥狀物，將其刮取一小部分，放入稀鹽酸中產生少量的氣泡，可以證明這些泥狀物含有部份的碳酸鹽，至於未反應的部份推測是亞硫酸鈣。（九）圖3中單獨只有泡水海綿在降溫效果和二氧化碳減少的量有明顯下降，但是pH值並沒有太大差異，而且二氧化碳只是暫時溶解沒有轉成其他物質，所以最後還是會釋放出來。（十）圖4中貝殼與泡水海綿對於廢氣的改善具有加成的反應，降低溫度減少二氧化碳及提升pH值均有明顯的效果，若是依設計使用溫泉澡則減碳效果更加顯著。七、結論（一）環境減碳與減少污染物質是未來生活的重點，在無污染的替代能源尚未普遍化前，石油利用仍是能源使用的主流，利用化學反應將二氧化碳及污染物質轉換成無害或可利用物質，是可行的構想。（二）原本被拋棄的貝殼，加熱後可用來吸附溶於水呈酸性的氣體。至於加熱貝殼的熱廢氣及二氧化碳則可通入溫泉藻培養槽中當作營養源。（三）淨化器所使用