113 地方特考四等 化學工程 工業化學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查淨零碳排技術中「碳捕捉、利用與封存」（CCUS）的基本定義及實施方法。三者可依二氧化碳的處理流程區分：

• 捕捉（Capture）：從排放源或空氣中分離、濃縮二氧化碳。
• 利用（Utilization）：將捕捉到的二氧化碳作為原料或工作流體，製成產品或提供製程用途。
• 封存（Storage）：將二氧化碳長期隔離於大氣之外，並監測其是否穩定留存。

解題方法

依「先分離、再處置」的流程作答，並為捕捉、利用及封存各舉一種方法與實例。須注意：捕捉只是把二氧化碳從混合氣體中分離，利用是把它投入用途；若要稱為封存，重點則是長期、可靠地隔絕於大氣之外。

一、二氧化碳捕捉

二氧化碳捕捉是從發電廠、鋼鐵廠、水泥廠等排放氣體中分離二氧化碳，或直接從環境空氣中移除二氧化碳，再將其壓縮、輸送至後續利用或封存環節。

常見方法包括：

1. 燃燒後捕捉：在燃料燃燒後，從含二氧化碳的煙道氣中分離二氧化碳。例如以胺液吸收煙道氣中的二氧化碳，再加熱使其脫附，回收較高濃度的二氧化碳。
2. 燃燒前捕捉：先將燃料氣化或重組，形成以氫氣與一氧化碳為主的合成氣，再透過水煤氣轉化反應生成二氧化碳與氫氣，分離二氧化碳後使用氫氣。
3. 直接空氣捕捉（Direct Air Capture, DAC）：以吸收劑或吸附劑從環境空氣中捕捉低濃度二氧化碳，再透過熱能或其他再生程序回收。

捕捉技術的選擇與氣體中二氧化碳的濃度、壓力、雜質及能源需求有關。

二、二氧化碳利用

二氧化碳利用是將捕捉到的二氧化碳作為原料或製程介質，轉化為產品或用於特定作業。利用方式可分為直接利用與轉化利用。

核心觀念

本題考查高分子產品如何從原料端降低碳足跡。碳足跡是產品生命週期中直接與間接溫室氣體排放的總量；原料取得與製造是其中的重要來源。PET 的單體原料主要為對苯二甲酸（terephthalic acid, TPA）與乙二醇（ethylene glycol, EG），傳統上多由石油化工原料製得，因此可從原料的來源與碳含量著手減碳。

解題方法

先辨認 PET 的原料，再依原料來源區分減碳途徑：

1. 使用回收原料：將廢 PET 瓶或聚酯纖維回收，經機械回收再製成 PET，或經解聚、純化後再聚合。這可減少對原生石化原料的需求，也降低廢棄物處理負擔。機械回收流程通常較直接；化學回收則可將廢料轉為單體或其他聚合原料，再製得品質較接近原生材料的 PET。
2. 改用生質原料：以生質來源製備 EG，例如由生質糖類發酵製得乙醇，再轉化為乙烯與 EG；也可發展生質來源的 TPA。以生質原料取代部分化石原料，可降低原料端的化石碳投入。

核心觀念

本題考兩部分：一是以「幾個 9」表示化學品純度的慣例；二是接觸法製硫酸的反應、單元操作，以及製成電子級產品時的污染控制。

接觸法的核心反應為二氧化硫催化氧化成三氧化硫，再由硫酸吸收三氧化硫。製造電子級硫酸時，除了完成反應，也必須在原料淨化、設備材質、吸收用液、過濾及包裝等環節避免引入微量雜質。

解題方法

(一) 5N 純度

「N」代表純度中 9 的個數，5N 即五個 9：

$$5\mathrm{N}=99.999\%$$

因此雜質比例上限為：

$$100\%-99.999\%=0.001\%=10\ \mathrm{ppm}$$

也就是每百萬份物質中，雜質合計至多約 10 份。

(二) 接觸法製造程序與關鍵因子

1. 製備含二氧化硫氣體

可燃燒硫磺，或焙燒黃鐵礦等含硫原料，製得二氧化硫。以硫磺燃燒為例：

$$\mathrm{S+O_2\rightarrow SO_2}$$

焙燒黃鐵礦的主要反應為：

$$\mathrm{4FeS_2+11O_2\rightarrow 2Fe_2O_3+8SO_2}$$

2. 淨化及乾燥爐氣

爐氣可能含粉塵、砷、硒等雜質及水蒸氣。先除塵、洗滌淨化、冷卻，再乾燥氣體，以減少催化劑中毒、設備腐蝕及產品污染。電子級製程需特別注意原料與洗滌、乾燥單元本身不能帶入金屬離子或顆粒。

3. 催化氧化

淨化後的二氧化硫與氧氣在觸媒存在下反應，工業上常用五氧化二釩觸媒：

$$\mathrm{2SO_2+O_2\rightleftharpoons 2SO_3} \qquad \Delta H<0$$

此反應可逆且放熱，故須控制反應溫度與氣體組成，並採多床觸媒及床間冷卻等方式提高轉化率。含砷等雜質可能使觸媒失活，因此爐氣淨化是關鍵。

4. 吸收三氧化硫

將三氧化硫以濃硫酸吸收，通常使用約 98% 硫酸作吸收液，避免直接用水吸收造成大量酸霧。反應可表示為：

核心觀念

本題考「輕油蒸汽裂解」在石油化學產業鏈中的定位，以及裂解所得基本石化原料的用途。輕油裂解是將石腦油等烴類原料與水蒸氣混合，在高溫、短停留時間下熱裂解，將較大的烴分子轉化為較小的烯烴與其他副產品。此製程屬於石油化學工業的上游原料製造環節。

解題方法

先沿產業鏈說明原料來源、裂解製程及下游用途，再從輕油裂解的主要產品中列舉三種，逐一連結其代表性用途。產品可選乙烯、丙烯及丁二烯，這三者都是重要的石化基本原料。

（一）輕油裂解在石油化學工業中的上下游角色

輕油（石腦油）主要來自原油煉製，是煉油工業提供給石化工業的原料。輕油進入裂解廠後，經蒸汽裂解及後續分離純化，產出乙烯、丙烯、丁二烯等基本石化原料，以及裂解汽油、氫氣、甲烷等副產品。

因此，輕油裂解位於石油化學產業鏈的中上游原料轉化環節：上游承接煉油廠供應的輕油，下游則將烯烴與其他裂解產品供應給石化中間原料及材料製造業。下游業者再將這些原料製成塑膠、合成纖維、合成橡膠、溶劑及其他化學品，供應各種製造業與民生用途。

（二）三種輕油裂解產品及其用途