TW201307613A - 金屬鋅製作方法及其裝置 - Google Patents

Abstract

一種金屬鋅製作方法，係包含：一電解步驟，係將液態水進行增溫增壓，使得該液態水到達臨界態，而生成臨界水，以將該臨界水電解生成超臨界態氫及氧；及一還原步驟，係將該超臨界態氫與固態氧化鋅進行反應，以將該氧化鋅還原生成金屬鋅。

Description

金屬鋅製作方法及其裝置

本發明係關於一種生質能源的金屬鋅製作方法，特別是一種提升製作效率且節省製程耗能的金屬鋅製作方法。

金屬鋅，係能與其他有色金屬混合為合金，以作為電鍍、壓鑄或機械製造等物料來源，更可以作為太陽能電池之電極，例如鋅銅電池、鋅空氣燃料電池。惟，金屬鋅係容易與空氣中的氧產生反應，而於該金屬鋅表面生成氧化鋅層，甚至應用於該鋅空氣燃料電池內的鋅電極，係容易於電池完全放電後產生氧化鋅的沉澱，該緻密之氧化鋅雖能對該鋅金屬形成保護，但相對造成該金屬鋅於上述應用上的不便。

目前，係以固態碳來將氧化鋅還原為金屬鋅，然而，固態碳與氧化鋅的還原反應需於高達1200K之溫度下，故以固態碳作為還原劑還原氧化鋅的吸熱量明顯較高，而相對需提供較高的能量方能產生作用，以至於進行還原反應之熱耗能明顯增加。甚至，以該固態碳作為還原劑，相較於其他液態及氣態之還原劑，該固態碳與該氧化新之接觸及混合均勻度較低，容易造成有該固態碳未完全反應之缺點。如此，傳統氧化鋅還原形成金屬鋅的過程，往往需耗費額外的時間及成本，故始終無法達到符合經濟效益需求之目的。

隨著生質能轉換技術的不斷提升，生質能的轉換利用已普遍施行於化學工業的各式製程。其中，廢水中所挾帶的氫分子及氧分子更可以廣泛回收加以利用，以期望透過氫分子與該氧化鋅層的反應，將該氧化鋅層還原成金屬鋅，達到降低去除該氧化鋅層所需耗費的能源，且同時達到環境廢水減量回收再利用之功效。

傳統電解水之方式係於常溫常壓狀態進行，然而，液態水分子中的氫分子與氧分子間鍵結強度，係不容許氫分子與氧分子產生分離，必須自外界通入強電流，使得該液態水分子到達電解能階時，方能使該液態水分子經由電解產岀氣態氫分子及氣態氧分子。如此，不僅需消耗大量電能，更須透過長時間電解作用才能釋出足量的氣態氫分子，以致於氣態氫分子的產量明顯受限於電解水分子的反應時間，進而導致氣態氫分子生產效率低落，相對影響後續還原氧化鋅，以生成金屬鋅的效率及產量。

再且，於電解液態水生成氣態氫分子及氣態氧分子的過程，往往僅將該氣態氫分子用以還原氧化鋅生成金屬鋅，而氣態氧分子則無法有效加以利用，著實浪費且不符合能源再利用之目標。

有鑑於此，確實有必要發展一種提升金屬鋅生產效率之金屬鋅製作方法及其裝置，以秉持能源回收再利用之標準，解決如上所述之各種問題。

本發明之主要目的乃改善上述缺點，以提供一種金屬鋅製作方法，其係能夠以較低耗能自臨界態液態水電解產出氣態氫分子，以有效提升液態水之電解效率者。

本發明之次一目的係提供一種金屬鋅製作方法，係能夠提高氣態氫分子的產量，以有效提升金屬鋅生產效率者。

本發明之再一目的係提供一種金屬鋅製備裝置，係能夠降低金屬鋅製作過程所需耗費的能源，以有效達到節省能源者。

本發明之又一目的係提供一種金屬鋅製備裝置，係能夠將臨界態液態水電解產出的氣態氧分子回收儲存，以符合能源再利用者。

為達到前述發明目的，本發明之金屬鋅製作方法，係包含：一電解步驟，係將液態水進行增溫增壓，使得該液態水到達臨界態，而生成臨界水，以將該臨界水電解生成超臨界態氫及氧；及一還原步驟，係將該超臨界態氫與固態氧化鋅進行反應，以將該氧化鋅還原生成金屬鋅。

其中，於該電解步驟中，該高溫高壓液態水所到達之臨界值係指壓力為221大氣壓，溫度為672K，且該超臨界態氫及氧的壓力值為230大氣壓，溫度值為700K。

為了以較低能耗達到本發明的較佳效果，更可以選擇於該電解步驟前另包含一前置步驟，該前置步驟係將液態水轉變為壓力值為20大氣壓，且溫度值為330K之高溫高壓狀態。

為實施上述金屬鋅製作方法，本發明之金屬鋅製備裝置，係包含：至少一調控組件，係包含一加壓件及一升溫件；一電解單元，係以一管路連接該調控組件，用以供臨界態氣體產出；及一還原單元，係以一進氣管路連通該電解單元。

其中，該金屬鋅製備裝置另包含一蓄水槽，該蓄水槽與電解單元之間係間隔設有二調控組件，各該調控組件係包含一加壓件及一升溫件。且，該電解單元還可以由一排氣管路連通一儲存槽，且於該電解單元與儲存槽之間更可以連接有數排熱器，藉此提升節能之效果。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明為了以較低能耗達到較佳效果，係選擇以多段式增溫增壓方式作為較佳實施例，並詳述於下。

請參照第1圖所示，其係為本發明一較佳實施例，該金屬鋅製作方法係包含一前置步驟S1、一電解步驟S2及一還原步驟S3。

該前置步驟S1係將水轉變為高溫高壓狀態。更詳言之，係於常溫下，對該液態水進行加壓，當該液態水之壓力值高於1大氣壓後，遂使該液態水轉變為高壓態；接著，對高壓態之液態水進行加熱，使高壓態之液態水逐步加熱至高溫後，該液態水係轉變為高溫高壓態(如化學式一所示)。

其中，如前所述之「常溫」約指298 K者，係屬熟悉該項技藝者所能理解，於下述內容係以「常溫」作為基準，溫度高於該常溫者，本發明於下所述稱為「高溫」；如前所述之「常壓」約指1大氣壓(atm)者，係屬熟悉該項技藝者所能理解；於下述內容係以「常壓」作為基準，溫度高於該常壓者，本發明於下所述稱為「高壓」。

舉例而言，本實施例係由一泵浦將該1大氣壓298K之液態水壓縮為20大氣壓330K之液態水，再予以進行逐步加熱，以生成400K之液態水。

該電解步驟S2係將該高溫高壓液態水進行增溫增壓，使得該高溫高壓液態水到達臨界態，而生成臨界水，以將該臨界水電解生成超臨界態氫及氧。

更詳言之，於該電解步驟S2係將高溫高壓液態水再次以先加壓後升溫之方式，提高該高溫高壓液態水的壓力及溫度值，使得該高溫高壓液態水到達臨界態後，即刻轉變為臨界水。此時，該臨界水分子中的氫鍵鍵結強度明顯低於一般常溫常壓下之水分子，甚至於低電流的電解作用下，即能快速達到該臨界水分子的電解能階，以便輕易分離該臨界水分子中的氫分子及氧分子，進而生成超臨界態氫及氧(如化學式二所示)。

舉例而言，本實施例係以逐步先加壓後升溫之方式，將20大氣壓400K之液態水壓縮至221大氣壓後，再逐步升溫至672K，以此轉變為臨界水；接著，通入電流進行電解反應，以到達該臨界水的電解能階後，即可自該臨界水分離岀氣態氫及氣態氧，且該氣態氫及氣態氧係維持於壓力為230大氣壓，及溫度為700K之超臨界狀態。其中，該氣態氫係用以作為後續合成金屬鋅的另一原料，而該液態氧係能加以回收儲存，以作為其他工業製程所需之用。

該還原步驟S3係將該超臨界態氫與固態氧化鋅進行反應，以將該氧化鋅還原生成金屬鋅。更詳言之，本實施例係以230大氣壓700K之超臨界氣態氫與額外添加之固態氧化鋅進行反應，以於充分還原作用下，將該固態氧化鋅還原生成金屬鋅(如化學式三所示)。

H_2(g,T4,P4)+ZnO_(s,T1) →Zn_(s,T5)+H₂O_(g,T5,P5)；T5=730K,P5=77 atm　[化學式三]

如上述，本發明之金屬鋅製作方法，係能透過液態水分子間距離較氣態水分子間距離緊密之特性，輕易予以加壓升溫；並且，經由再次加壓升溫之過程，使液態水快速轉變為臨界水，以降低水分子中的氫鍵鍵結強度，而輕易於電解作用下達到氫分子及氧分子的解離能階，快速自該臨界水中分離岀超臨界之氣態氫及氣態氧，藉此提升氣態氫的生成效率，以由該超臨界氣態氫還原額外添加之固態氧化鋅而生成金屬鋅。如此，本發明之金屬鋅製作方法，係能利用臨界態達到提升液態水電解生成氣態氫之效率，且同時於短時間內增加該氣態氫的產出量，而能透過大量液態氫與該固態氧化鋅反應，以相對達到提升金屬鋅生成效率及產量之功效。

惟，本發明僅需透過液態水快速達到臨界態，便能以較低耗能自該臨界水電解產出超臨界態氫及氧，而達成本發明較佳功效。因此，係能選擇省略上述之前置步驟S1，而直接於該電解步驟S2中，將該液態水增溫增壓至臨界態，再以此重複如上所述各個步驟，達到如上所述之較佳功效。熟悉該技藝者係能理解上述實施例之用意，故實際應用時，係不受限於此實施例。

請參照第2圖所示，其係為一用以製備金屬鋅之裝置，該金屬鋅製備裝置係為本發明的一較佳實施例，以作為進一步詳述本發明金屬鋅製作方法之用。

該金屬鋅製備裝置係包含一調控組件1、一電解單元2及一還原單元3。該調控組件1、電解單元2及還原單元3間係分別以不同之管路連通，以構成該金屬鋅製備裝置之連續通路，詳述如下。

該調控組件1係包含有一加壓件P及一升溫件H，該加壓件P較佳係選擇為一泵浦，該泵浦僅用以提高液態水之壓力，且該升溫件H係用以提高液態水之溫度。

該電解單元2係以一管路T1連接該調控組件1，用以供臨界態氣體產出。藉此，透過該加壓件P及升溫件H，使得於該管路T1內流通之液態水，能迅速到達臨界態，而轉變為臨界水，以利於該臨界水於該電解單元2電解產出超臨界氫及氧。於本實施例中，該電解單元2係以另一電流供應器21供給適當之電流，以達到該臨界水的電解能階後，藉此由該電解單元2解離出該臨界水中的氫分子及氧分子，以便將該超臨界態氫及氧各別排出。

該還原單元3係以一進氣管路T21連通該電解單元3。該進氣管路T21係用以供自該電解單元2產出之超臨界態氫流通，以匯入於該還原單元3，於本實施例中，該還原單元3係另添加有固態氧化鋅，以於該還原單元3進行該超臨界態氫與固態氧化鋅之還原反應，藉此將該固態氧化鋅還原生成金屬鋅，該固態金屬鋅係能作為工業製程之物料來源。

此外，該電解單元2還可以以一排氣管路T22連通一儲存槽4，藉此透過該排氣管路T22輸送自該電解單元2產出之超臨界態氧，使得該超臨界態氧能儲存於該儲存槽4，以供其他工業製程所需之用。且，於該電解單元2與儲存槽4之間更可以連接有數排熱器(未繪示)，以藉由該排熱器達到節能之功效。

為了因應本發明較佳實施例之多段式增溫增壓方式，且同時達到廢水回收再利用之目的。請參照第3圖所示，本實施例另設有一蓄水槽5，該蓄水槽5係用以供液態水儲存且流入後續管路，且該蓄水槽5較佳係選擇為冷卻水塔，藉此將挾帶廢熱的液態水經由該冷卻水塔熱交換後，重新回收液態水再利用，以節省後續加壓加溫時所需耗費的能量。

甚至，本實施例係選擇於該電解單元2與蓄水槽5之間間隔設置有二調控組件1、1’，各該調控組件1、1’係包含一加壓件P、P’及一升溫件H、H’。於本實施例中，該升溫件H1係位於該二加壓件P、P’之間，並透過該管路T1相互連接，且於該加壓件P’與該電解單元2之間係連接有該升溫件H’。該加壓件P係用以壓縮自該蓄水槽5流經該管路T1之液態水，以便使該液態水先行轉變為高壓狀態，且該升溫件H係用以加熱該高壓液態水，使其轉變為高溫高壓狀態；再且，該加壓件P’係用以再次壓縮該高溫高壓之液態水，使該液態水快速到達臨界壓力值，且該第二升溫件H’係用以再次加熱該液態水到達臨界溫度值，以便使該液態水轉變為臨界水而流入該電解單元2，藉此利用該電流供應器21供給適當之電流，達到該臨界水的電解能階後，由該電解單元2解離出該臨界水中的氫分子及氧分子，以便將該超臨界態氫及氧各別排出，而於該還原單元3進行後續之還原反應。其中，該電解單元2的細部結構設計及電解原理，係屬熟悉該項技藝者所能理解，故於此不再詳加贅述。

於此，本發明金屬鋅製備裝置，係能以簡易的設備連通設計，操作本發明金屬鋅製作之方法，以達到如上所述提升液態水電解生成氣態氫之效率，且同時於短時間內增加該氣態氫的產出量，而能透過氣態氫大量與該額外添加之固態氧化鋅反應，以相對達到提升金屬鋅生成效率及產量之功效。甚至，本發明金屬鋅製備裝置更可以降低製程能源的耗損，且將不需反應之液態氧加以回收儲存，進一步達成節省能源及能源再利用之功效。

本發明之金屬鋅製作方法，係能夠以較低耗能自臨界態液態水電解產出氣態氫分子，以達到有效提升液態水電解效率之功效。

本發明金屬鋅製作方法，係能夠提高氣態氫分子的產量，以達到有效提升金屬鋅生產效率之功效。

本發明之金屬鋅製備裝置，係能夠降低金屬鋅製作過程所需耗費的能源，以達到有效節省能源之功效。

本發明之金屬鋅製備裝置，係能夠將臨界態液態水電解產出的氣態氧分子回收儲存，以達到能源再利用之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[本發明]

S1．．．前置步驟

S2．．．電解步驟

S3．．．還原步驟

1．．．調控組件

2．．．電解單元

21．．．電流供應器

3．．．還原單元

4．．．儲存槽

5．．．蓄水槽

T1．．．管路

T21．．．進氣管路

T22．．．排氣管路

P、P’．．．加壓件

H、H’．．．升溫件

第1圖：本發明金屬鋅製作方法之流程示意圖。

第2圖：本發明金屬鋅製備裝置之裝置示意圖。

第3圖：本發明金屬鋅製備裝置之又一裝置示意圖

S1．．．前置步驟

S2．．．電解步驟

S3．．．還原步驟

Claims (9)

1. 一種金屬鋅製作方法，係包含：一電解步驟，係將液態水進行增溫增壓，使得該液態水到達臨界態，而生成臨界水，以將該臨界水電解生成超臨界態氫及氧；及一還原步驟，係將該超臨界態氫與固態氧化鋅進行反應，以將該氧化鋅還原生成金屬鋅。
2. 依申請專利範圍第1項所述之金屬鋅製作方法，於該電解步驟中，該液態水所到達之臨界值係指壓力值為221大氣壓，溫度值為672K。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之金屬鋅製作方法，於該電解步驟中，該超臨界態氫及氧的壓力值為230大氣壓，溫度值為700K。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之金屬鋅製作方法，於該電解步驟前另包含一前置步驟，該前置步驟係將液態水轉變為壓力值為20大氣壓，且溫度值為330K之高溫高壓狀態。
5. 一種金屬鋅製備裝置，係包含：至少一調控組件，係包含一加壓件及一升溫件；一電解單元，係以一管路連接該調控組件，用以供臨界態氣體產出；及一還原單元，係以一進氣管路連通該電解單元。
6. 依申請專利範圍第5項所述之金屬鋅製備裝置，另包含一蓄水槽，該蓄水槽與電解單元之間係間隔設有二調控組件，各該調控組件係包含一加壓件及一升溫件。
7. 依申請專利範圍第5或6項所述之金屬鋅製備裝置，其中該電解單元另以一排氣管路連通一儲存槽。
8. 依申請專利範圍第7項所述之金屬鋅製備裝置，於該電解單元與該儲存槽之間另連接有數排熱器。
9. 依申請專利範圍第5或6項所述之金屬鋅製備裝置，其中該電解單元另連接有另一電流供應器，該電流供應器係用以供給電流於該電解單元。