從工廠、汽機車排放的廢氣，到廟宇燒金紙，都會產生氮氧化物（NOx）。這些排放到空氣中的NOx與水結合，形成酸雨或霧霾，嚴重威脅民眾健康。工研院研發「高效低溫無氨脫硝技術」，協助企業以更低的成本、更少的碳排，脫去氮氧化物，守護清新呼吸，同時友善環境，獲工研菁英傑出研究獎金牌。
空氣中無處不在的氮（N2）與氧（O2），比率約為8：2。當工業製程涉及任何燃燒或高溫電弧，只要爐內核心溫度超過600℃，這兩種原本安定的氣體便會劇烈結合，衍生出一級空氣汙染物－NOx。近百年來，全球產業界對抗氮氧汙染物的解方，是利用觸媒搭配還原劑，如氨氣或尿素的選擇性觸媒還原（Selective Catalytic Reduction；SCR）技術，將NOx還原為氮氣與水。
「傳統SCR存在許多缺陷，」工研院材料與化工研究所資深研究員吳國卿指出，首先是高耗能問題，傳統的SCR脫硝技術必須在300℃的高溫下才能有效運作，但臺灣一般產業鍋爐，煮完熱水後排出的廢氣溫度，往往已降溫到100℃左右。為了符合環保排放，工廠必須額外耗費大量的天然氣或燃料，將廢氣加熱到200至300℃，才能跟觸媒反應。
傳統脫硝技術 存在成本、碳排隱憂
「中小型企業蒸汽鍋爐若要使用傳統SCR，每年光是重新加熱廢氣，必須多花費上數十萬元的能源成本，對中小企業來說，加熱費用更是一筆沉重支出，」吳國卿表示，「更不用說，加溫過程還會排放大量二氧化碳，這與全球投入淨零排放的趨勢背道而馳。」
更嚴重的問題在於二次汙染。吳國卿進一步解釋，為了去除NOx，傳統SCR技術須在尾氣中添加還原劑，也就是加入氨氣或尿素來產生氨。如此一來會產生強烈的刺鼻臭味，且若氨氣未能完全反應就逸散到空氣中，將引發嚴重的環保災難。因此，臺灣法規明訂，若採SCR方案，企業必須增聘取得合格證照的化學物質專業應變人員，「對成本斤斤計較的中小企業來說，並不實際。」
氨逃逸與PM 2.5相關 促無氨脫硝加速研發
「既然加氨會帶來這麼多副作用，那能不能不要加？」吳國卿是超過30年經驗的先進觸媒專家，團隊主要從事「製程觸媒」研發，這類技術能直接幫科技大廠提高良率，一向很受產業與政府計畫的歡迎。「但接觸工廠久了，我們發現製程後段那1%到3%的尾氣，更讓產業頭痛，團隊評估後覺得應該可以克服，於是決定投入。」
但是在當時，處理尾氣的環保類觸媒並非主流。吳國卿與團隊在2018年投入時，尚無經費的支持，主要靠著實驗室一兩個人力，憑著解決問題的熱忱，利用下班時間，將進度一點一滴的往前推進。直到2021年，工研院材化所組長李壽南在國際頂尖期刊中找到一篇法國論文，讓他喜出望外。
「這篇論文明確指出脫硝（DeNox）過程中的氨逃逸，會形成細懸浮微粒（PM 2.5）的前驅物。解決一個汙染，卻創造另一個汙染，這就是SCR技術的最大痛點，」李壽南宛如挖到寶。恰好當時國內PM 2.5議題發酵，他準備了一份扎實的簡報，一路過關斬將，最後在時任經濟部次長曾文生也點頭之下，爭取到科專經費支持，團隊全力加速研發。
三大特色：低溫、零添加、NOx超低濃度
「高效低溫無氨脫硝技術」擁有三大超越傳統SCR的優勢：第一，寬廣的低溫操作範圍。該觸媒不需要高溫環境，其操作溫度為180°C以下，甚至在室溫下也可運作，工廠利用鍋爐原本產生的廢氣餘溫，就能達到最佳的處理效率。之後，工廠完全不需要額外燃燒瓦斯來加熱廢氣，實現真正的節能減碳。
第二，完全零添加物。有別於傳統技術需要加氨、加尿素，或者使用臭氧、漂白水去清洗廢氣，這套新技術完全不用加任何東西。只要廢氣經過該觸媒，就能將NOx處理掉，不會產生臭味及PM 2.5。
第三，可達超低NOx濃度排放。採用此技術不僅可輕鬆達到低排放標準，甚至能將濃度降至小於5 ppm，在特定設計下還能達到1 ppm的超低排放水準，並維持NOx去除效率達80%以上。
吳國卿解釋，目前半導體與光電廠用來處理廢氣的現址式尾氣處理設備（Local Scrubber）或揮發性有機化合物（VOC）燃燒處理爐所排放的NOx濃度雖不高，約為15 ppm，但其設備數量多，單一廠區可達數千台，總排放量相當可觀。「一旦總量超過當初承諾排放量，就需要自主減量，但已如此低濃度的減量超出SCR技術的極限，但我們的方法可以。」
專利觸媒達奇效 低溫達成高轉化
這項技術所以能達高效，核心在於團隊獨家研發並已申請專利的「三元混合氧化物」關鍵觸媒。
吳國卿說明，氮氧化物如一氧化氮（NO）的化學鍵能量極高，在大自然中，需要波長極短、能量極高的UVC紫外線給予強大能量打擊，才能將其鍵結打斷，還原成無害的氮氣與氧氣。研發團隊的目標，就是在常溫下模擬這種高能量打擊，最終合成出安定的「三元混合氧化物」。
此一關鍵觸媒能穩定住高氧化性，藉此降低反應溫度，還可將NO的化學鍵打斷，讓有害的氮氧化物回歸到自然界原本就存在的氮與氧。「大部分的脫硝觸媒，做到低溫就做不到高轉化，做到高轉化就沒辦法低溫，目前國際上還沒有可在200°C以下，展現80%以上轉化率的脫硝法。」
工廠實測 抓出觸媒「三大殺手」
儘管在實驗室中取得初步成功，但將技術推向真實場域時，團隊卻面臨各種挑戰。
「坦白說，SCR脫硝技術行之有年，誰會相信一個沒有環保局認證，甚至不用加氨的全新本土技術？」吳國卿沒有放棄，為了加快量產腳步，他與團隊從新北土城到屏東枋寮，親自走訪各地工廠實地測試，逐一抽絲剝繭，歸納出導致觸媒失效的「三大殺手」。
吳國卿表示，觸媒的大敵首先是粉塵，工廠廢氣通常含有大量煙塵，會將觸媒的表面完全覆蓋、堵死，導致觸媒失去作用；再來是冷凝水，因為燃燒過程會產生大量水氣，若沒有適當導出，觸媒泡在水裡無法作用；最後是有機氟的毒化，某些工廠的廢氣中含有有機氟化物，這種化學物質會讓原本黑色的觸媒，在短短1週內變白，並完全失效。
「這些都是被廠商反應設備無效後，團隊回來一次次拆解反應器，再推論出現場可能的使用情境，」吳國卿舉例，有一次帶10公斤的觸媒去工廠實測，回來的時候竟然變成13公斤，才發現煙塵全跑進觸媒裡；「還有一次我們發現觸媒變白，大家集思廣益了好一陣子，才判斷裡面應該是氟化物作祟。」
為了克服複雜工業環境挑戰，團隊進一步開發專屬保護裝置。「現在，團隊在安裝設備前，會評估現場條件，透過前端洗滌塔或過濾設備，將粉塵拿掉、冷凝水排除，並將氟等有害物質阻擋在外，確保觸媒能在最適合的環境中穩定發揮功效。」就這樣南來北往跑了兩年，終於在2025年，以此技術協助一家傳產燃煤鍋爐，取得桃園市核發的「固定污染源設置操作及燃料使用許可證管理辦法」，同時觸媒塔設計專利也順利取證，完成技術落地重要里程碑。
成本效益佳 較傳統設備更顯優勢
環保設備要能讓中小企業買單，成本效益常是決定導入與否的關鍵。相較於傳統的SCR加氨設備，工研院低溫觸媒技術具備明顯經濟優勢。
吳國卿分析，傳統SCR設備不僅需投入氨氣的成本，還有加熱的燃料費，更會因此產生額外的二氧化碳排放，衍生碳費議題。工研院的「高效能低溫無氨脫硝技術」可直接利用廢氣餘溫運作，實現零燃料加熱、不產生碳排。
在每小時處理2.29 kg一氧化氮、觸媒3年使用壽命的情境來估算，一套SCR設備的觸媒、燃料、氨氣成本合計約220至235萬元，工研院新技術則約120萬元，僅傳統設備的一半，「還沒有計入SCR氨氣操作須聘僱危害物質專業應變人員的人力成本。」
根據環境部統計，全臺鍋爐共1萬多座，2030年若有1%採用此技術，未來3年需要400噸以上觸媒，產值上看2億元，衍生產值估計達10億元，預計可吸引2-3家國內中小環保廠商投入。
「高效能低溫無氨脫硝技術」不僅解決本土中小企業達成永續與合規的挑戰，隨著2025年的量產計畫實現，以及技術陸續開放技轉給環保公司，這項綠色科技也能協助半導體大廠達成總量管制的嚴苛目標，真正實現工業發展與環境永續的雙贏。
（本文是由工業技術與資訊授權轉載）
