生質柴油廢水處理：碳捕捉與高價值化學品回收

生質柴油雖然比傳統石油柴油燃燒更為環保，但在製造過程中仍會產生二氧化碳（CO₂）和有害廢水，需要額外的處理步驟才能實現永續發展。密西根大學研究團隊進行的一項診斷性研究，旨在改善一種既能捕捉CO₂又能處理生質柴油廢水的技術，並同時生產高價值的副產品，如燃料和綠色化學品。

在生質柴油的生產過程中，脂肪（如植物油、動物脂肪或回收的餐廳油脂）會透過一種稱為「酯交換反應」的技術轉化為燃料。在催化劑的幫助下，酒精（通常是甲醇）會分解脂肪分子，產生甘油和長鏈脂肪酸酯。脂肪酸酯的分子結構與石油柴油相似，成為生質柴油，而甘油則作為副產品進入廢水中。若未經處理，甘油會消耗水中的氧氣，導致魚類和其他生物窒息，汙染自然水資源。

早期的處理方式主要是過濾或分解甘油和其他汙染物，但近年來的研究方向轉向從廢水中回收有價值的材料，以幫助抵消生質柴油的生產成本。隨著生質柴油產量的增加，研究人員認為這是一個開發廢物流潛力的絕佳機會。

密西根大學土木與環境工程助理教授Joshua Jack表示：「透過開發更穩定的電催化劑，我們可以開始利用可再生能源更有效地從廢物資源中回收價值。」這項研究已發表在《環境科學與技術》期刊上。

目前正在開發的一種技術稱為「電化學CO₂還原」（eCO₂R），它利用電力將生質柴油廢氣中的CO₂轉化為高價值產品。然而，這一過程通常依賴高純度水和昂貴的貴金屬催化劑來驅動所需的氧氣演化反應（OER）。

研究人員轉向一種更便宜、更節能的替代方案，稱為「電化學甘油氧化還原反應」（GOR）。這項技術利用甘油極低的氧化還原電位（即其強烈的電子交換意願），將能量需求降低23%至53%，具體取決於所使用的催化劑。

催化劑的型別也決定了GOR能生產哪些化學品。近年來，鎳因其低成本、易於製造以及能生產高價值副產品（如用於食品生產和儲存的甲酸鹽，每公升價值146美元）而受到關注。

密西根大學博士後研究員Kyungho Kim表示：「將GOR與CO₂電解結合，從空氣中捕捉CO₂，將永續廢水管理、CO₂利用和綠色化學合成整合到一個單一流程中。」

儘管近期研究致力於最大化GOR的催化活性，但對催化劑長期穩定性的關注較少。為改善這一過程，研究團隊專注於鎳催化劑在24小時操作中的穩定性。

研究團隊首先開發了一種含有甘油、甲醇、肥皂和水的合成生質柴油廢水。實驗中，他們將電位施加到流動池中的廢水模擬物上，該裝置包含一個鎳正極（陽極）和一個鉑負極（陰極）。

結果顯示，鎳催化劑在24小時內效能下降了99.7%，主要是因為顆粒堵塞了鎳電極。在實際應用中，必須實施定期清潔和維護計劃，才能確保這種節能鎳催化劑的長期使用。

Jack總結道：「這項研究使用的分析框架為評估催化劑穩定性提供了新的方向，實驗結果可用於改進催化劑設計，並應用於多種環境處理過程中。」這項研究是開發能在廢水中高效運作的更強健電催化劑的第一步。