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盼解農廢難題 菱角殼巧變超級電容
2020-12-02
【記者林昕璿綜合報導】台南市官田區為國內菱角最大產地,然因廢棄菱角殼不易腐化且營養價值低,難以做為肥料使用,造成當地廢棄物處理難題。有鑑於此,國立成功大學化學系團隊將菱角殼製成菱殼炭,並封裝成超級電容,用於驅動電動腳踏車,獲得「第2屆大專校院綠色化學創意競賽」研究組金牌獎。 國立成功大學化學系團隊於「第2屆大專校院綠色化學創意競賽」,以菱殼炭封裝成電容,運用於電動腳踏車的技術,獲得研究組金牌獎。 圖/行政院環境保護署提供「農民以往多透過曬乾焚燒方式處理菱角殼,然而露天焚燒除了造成大量灰煙空汙,也影響當地居民產生呼吸道問題。」團隊學生陳傳仁談到。為解決此問題,團隊指導教授林弘萍五年前開始與當地區長合作,藉由開發炭化系統,將菱角殼炭化製成菱殼炭,用於土壤保濕與固肥。而此次團隊則進一步利用菱殼炭環保與高表面積的特性,將其製成超級電容,希望取代目前市面所使用的活性碳材。國立清華大學化學工程學系教授胡啟章補充,團隊碳化菱殼炭的方法,只需加熱到反應溫度,不必再另外添加燃料較為環保。 農民多透過曬乾焚燒方式處理菱角殼,過程會造成空汙問題,影響當地居民健康。 圖/陳傳仁提供在超級電容中,電解液中的陰陽離子會藉由外線路電子的吸引,吸附於碳材電極,進而使電子儲存於碳材表面。因此,電極的表面積大小是影響電容儲電量的關鍵。林弘萍解釋,菱殼炭高表面積的特質,可以儲存大量電荷,同時,還有孔洞大且密集的優點,因此具高通透性,使得離子能快速通過電極進行充放電。陳傳仁解釋,菱殼炭每公克具有1500平方公尺表面積,相當於足球場的大小,相比同體積傳統電容,儲電量高出許多。 以菱殼炭所製的超級電容,除了取得方式環保,相較傳統電容亦具有較高的儲電量。 圖/陳傳仁提供菱殼炭屬生物炭,用於製造超級電容電極需大量使用碳酸鈣,並在高溫900度下混合進行活化反應,以在其表面製造奈米級的孔洞。陳傳仁說:「在化學式中碳酸鈣與碳的反應用量是1:1的比例,但因固態與固態反應容易接觸不均勻,通常會以四倍碳酸鈣進行過量反應。」製程因而產生大量多餘鈣離子。為了更符合環保綠色概念,團隊將新的菱殼炭加入廢液中,讓菱殼炭吸附鈣離子,並增添小蘇打調節至鹼性的反應環境,使鈣離子沉澱,以再次與碳進行反應。 團隊於製作過程增加「廢液回收法」,使過量鈣離子能再次與新碳材反應,減少化學原料浪費。 圖/陳傳仁提供另一方面,考量製程進入量產後,可能衍生工安危險的疑慮,團隊改良原先以粉塵進行的試驗。陳傳仁補充說:「因為我們使用的是奈米級材料,飄散在空氣中不易察覺,長期吸入會對操作人員健康產生一定危害。」同時也因碳材顆粒細小,容易引起粉塵爆炸。團隊改將未經曝曬的菱殼炭絞碎,使其與液態碳酸鈣混合,在類似水下狀態進行反應,避免粉塵問題。超級電容電池雖然於充放電過程不涉及化學反應,安全性高且充電時間短,可承受大電流的快速充放,但儲電量遠低於一般電池,續航力並不高。而由於驅動電動腳踏車需要高電壓與能量,現階段超級電容提供的單次電能,僅能維持2公里路程。因此陳傳仁表示,提升儲電量為未來首要解決的問題。 團隊將超級電容組裝於電動腳踏車,目前單次電量僅能行駛2公里的路程,因此提升儲電量為未來首要解決的問題。 圖/陳傳仁提供