PCB产业节能减碳绝佳方法水与电的节约与再利用.docx
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PCB产业节能减碳绝佳方法水与电的节约与再利用
PCB產業節能減碳絕佳方法—水與電的節約與再利用
1.本文主旨
由於近年地球氣候的變化越來越極端,乾旱、暴雨、異常氣溫的出現,讓人類意識到地球環境正在快速惡化;全球環保意識的抬頭,電子產品正進行一場綠色環保大革命。
而印刷電路板是所有電子產品不可或缺的主要部分,其提供電子零組件在安裝與互連時的主要支撐載體,廣泛地應用於資訊、通訊、家電、航空、太空、交通、工業儀器及自動化設備等領域,整個的發展與電子產品有著密不可分的關係。
無鹵、無鉛、無銻,乃至無鹵無磷等環保需求,已成為未來印刷電路板材料及製程改善的必然趨勢。
如何有效的在既有的印刷電路板製程中,做到減廢及資源回收處理利用,已是一個最重要的課題。
而談到環保議題,當然必須就現在全球已開發及開發中國家政府及人民正積極投入〝節能減碳〞運動的重要性有一概括的了解。
二.溫室效應與節能減碳
2.1.溫室效應的定義
圖1是培育植物的溫室,當太陽光射進透明的溫室屋頂,光線從室內反射的紅外線無法穿出室外,形成輻射熱而讓溫室維持溫度。
圖1.溫室作用示意圖,資料來源http:
//hsu.as.ntu.edu.tw/cyber_course_II/
大氣層就如溫室的透明屋頂罩,假設大氣層不存在,地球接收到的太陽短波輻射註1等於放射出去的長波輻射,地球的平均溫度會低到約為-18℃。
但是實際上地球平均地面溫度是15℃,這是因為大氣層中的溫室氣體註2會吸收長波輻射,所以並非所有地表放射的長波輻射都進入太空。
大氣及雲層會吸收地表放出的長波輻射,再將一部份能量向下輻射為下層大氣或地表所吸收。
低層大氣吸收較多輻射,所以大氣溫度隨高度遞減。
此種作用稱為「大氣效應」(Atmosphericeffect)。
根據環保署的定義,溫室效應(Greenhouseeffect)是:
從太陽輻射出來的光線原本波長較小,越過大氣層時可以穿透具有與玻璃一樣效應的二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、臭氧、氟氯碳化物等氣體而抵達地球表面;然而,抵達地球表面的陽光經地表反射後波長較長,部分會被二氧化碳等溫室氣體吸收。
當溫室氣體在大氣中的濃度越來越高,其吸收紅外線輻射熱量多於釋放到外太空的量,破壞了大氣層的熱平衡,以致地球的溫度逐年升高,這就是所謂的溫室效應。
也因此1997年通過的京都議定書管制了6種主要的溫室氣體:
CO2,CH4,N2O,HFCs,PFCs,SF6
圖2京都議定書管制的6種溫室氣體
2.2溫室氣體的產生與GWP
各種温室氣體因化學性質有異而有不同的吸熱特性。
二氧化碳不是最強的吸熱氣體,但量最多,約佔温室效應的75%。
甲烷的吸熱能力比二氧化碳高20倍,約佔温室效應20%。
氮氧化物的吸熱能力比二氧化碳高120倍,而且它的影響力非常持久。
至於氟氯碳化合物雖是大氣中的微量氣體,但其吸熱能力是二氧化碳的好幾千倍。
為了方便比較,國際間以全球暖化潛勢(GlobalWarmingPotential,GWP)代表該氣體相對於二氧化碳而言(即設CO2的GWP﹦1),其暖化強度是多少。
GWP越高,即意味著該氣體對環境所造成的危害越高。
表1.是京都議定書所規範的溫室氣體之GWP值。
表1.6種溫室氣體GWP值
氣體種類
CO2
CH4
N2O
HFCs
PFCs
SF6
GWP值
1
25
298
124~14800
7390~12200
22800
資料來源:
2007年IPCC第四次評估報告(IPCCFourthAssessmentReport:
ClimateChange2007)
表2則是簡述這6種氣體主要是人類的哪些經濟活動所造成。
表2.
人為溫室氣體
人為活動
CO2
燃燒石化燃料(例如石油、煤、天然氣)、土地利用變更、工業製程
CH4
畜牧業(家畜腸道發酵作用)、農耕、厭氧污水處理
N2O
化學工業製程(基本化學原料:
硫酸、硝酸、碳化鈣)、燃燒石化燃料
HFCs
冷凍冷藏設備的冷媒、半導體製程
PFCs
半導體製程
SF6
半導體製程、重工業、電力業、鋁鎂合金、平面顯示產業
資料來源:
IPCC4thAssessmentReport
從表中可知幾乎所有人為的活動,都會產生這些溫室氣體,而所謂的節能減碳顧環保並不是只針對二氧化碳,只不過是它佔總量最大,而以它為代表的一個說法。
未來甚至針對碳的排放額度延伸出一些商業行為,這是另一個值得探討的人類行為。
2.3水和電---企業最容易忽略的節省成本項目,也是節能減碳最好的切入點
水和能源,是人類所有的活動中必然會去耗用的。
水在處理成可使用的水質過程(如硬水軟化、海水淡化、自來水、純水、礦泉水….等等)會產生很多的二氧化碳(本文中以此代表之);所有的活動必須有能源(如電、石油等)才可以完成,而地球的能源有限;開採或產生這些能源的過程會有大量的二氧化碳排放,而耗用這些能源後產生更大量的二氧化碳。
表3是筆者整理的一些能源耗用相等於CO2排放量的對照表。
表3
溫室氣體產生源
單位
溫室氣體排放係數(含CO2、CH4及N2O排放)
數值
單位
用電
度
0.637
KgCO2/度
車用柴油
公升
2.78
KgCO2/L
車用汽油
公升
2.34
KgCO2/L
天然瓦斯
M3
2.09
KgCO2/M3
桶狀瓦斯
M3
3.19
KgCO2/M3
自來水
度
0.207
KgCO2/度
使用1度電產生0.637KgCO2
使用1度自來水產生0.207KgCO2
電的排放係數為台電公司96年度係數
水的排放係數為自來水公司95年度係數
水和電的耗用在PCB產業一直是很龐大的,隨著地球資源的逐漸耗竭,從環保的考量,或從降低成本來考慮,水的減廢及再生使用,電的節能或減損,是企業長期且持續要改善的議題。
本文此次介紹兩種在水和電的再生節能上有創新的技術,也是筆者在使用端深入了解實際使用成效後,認為值得一書以供讀者參考比較。
三.廢水回收再用的革命性技術---觸媒(催化劑)轉化分離
觸媒(如奈米光觸媒)在殺菌除臭(不管在空氣或飲用水)上的功效是早已被應用且大量商品化,而用在水汙染的處理,也有一些的理論說法與少部分的實務應用,但真正的商品化使用,卻幾乎沒有。
本文介紹的DCI系統註3耗用3年多的時間,開發出使用於廢水處理再生回用的觸媒應用技術,成功的導入於不同的產業與廢水種類,除降低企業的廢水處理成本、減少二次汙染,並將水資源的耗用降到最低。
值得一提的是除了小部分的觸媒原料自德國進口外,大部分的觸媒成分,以及整體的規劃製造施工,都是國人自行研發設計,並且在低濃度的廢水回用的需求上,已經將其產品標準化。
高濃度廢液則視內容物種類,做一前置處理,再進入此設備及可。
3.1觸媒應用的理論基礎
我們知道所謂「觸媒」也稱為催化劑,對於一位念過化學的人而言,這個名詞應該不陌生。
望字生義:
它是一「媒」體,因為接「觸」,參與化學反應中,並可以促進(催化)該反應的進行。
若以化學觀點而言,觸媒是一物質,於反應過程中,可加速反應速率,但本身並無明顯的耗損。
此反應為一循環方式,反應物先在觸媒上的活性中心作用,形成活化複合物,經由反應後,生成物再由活性中心脫附,而觸媒又恢復成原來狀況。
;一般的觸媒系統可分為均相(homogeneous)、非均相(heterogeneous)及混成相(hybrid)三大類。
均相觸媒系統是指反應物和觸媒均在同一相中進行反應,其優點包括1).易於偵測反應的過程與探討反應機制;2).分散性較佳,使得物質與觸媒的碰撞機會提高,增加催化率;3).反應條件較為溫和;4).容易藉配位基修飾,以利於提升反應選擇性。
在一般的有機溶劑中進行有機金屬觸媒催化反應時,均相系統往往較非均相系統的反應性佳,但均相系統中觸媒與產物的分離過程較繁複,且觸媒重複使用的便利性亦較非均相系統為低,因此使得均相觸媒的應用性大為降低。
針對這種缺失,混成相催化系統將均相分子式觸媒藉由長鏈錨錠(bridgeanchor)分子承載於非均相載體上,其中金屬觸媒與反應物處在同一相內進行反應,一旦反應結束後,金屬觸媒因與非均相載體相連結,再藉由簡單的過濾方式達到與產物分離的目的。
所以要開發觸媒將之導入廢水處理,以下是必要的原則:
-良好的選擇性,以對症下藥,產生所要的反應
-加速反應,使反應快速到達平衡常數所容許的最大轉化率
-有很大的表面積,來容納大量的汙染分子同時進行反應
-反應後觸媒幾乎不消耗而恢復原狀,並繼續催化後續的反應
3.2DCI系統應用介紹
傳統廢水處理方式有多種,圖3是傳統以RO逆滲透技術處理的示意。
圖3.傳統廢水處理及回用流程
傳統處理方法另有如離子交換樹脂生物降解等等多種方式,但其水回用比例都偏低。
表4簡列各式廢水處理方式的比較:
表4
DCI系統
傳統廢水處理
離子交換樹脂
生物降解處理
RO膜處理
加藥
無
有
有
有
有
污泥
少量
有
有
有
有
再生水回收率
90%
無
30%-50%
50%
40~60%
金屬回收
可
不可
不可
不可
可
耗材
低
高
高
高
高
自來水減量
90%
0
0
0
0
廢水處理減量
90%
0
50%
50%
50%
佔地空間
小
大
大
大
小
利用MSS觸媒鎂光石,和MBS鎂光石濾心,做DCI系統的前置過濾將雜質濾除。
再以觸媒轉換介質,將各組成不同又互溶於水的物質分離去除,如藻類、介面活性劑、有機物、無機物、重金屬等和乾淨的水分離,這是此系統的主要特色。
以過濾和觸媒的機制來處理各式的廢水,圖4是其流程示意圖,明顯簡化了處理流程,其效果也較好,在現在一片節能減碳口號中,算是一個頗為出色的產品。
以下就舉兩個現例來檢視其效果。
圖4DCI系統流程示意
3.2.1水洗廢水處理
就現有某PCB廠在水洗水回用的實例,經過規劃後以3套系統來處理其不同製程的水洗水(見圖5),表5則是處理前後水質數據比較。
此系統裝設後為板廠節省90%自來水耗用,降低後段廢水處理費用,更大量減少汙泥的產生。
圖5DCI系統現場照片
表5.某PCB廠3種水洗汙水使月DCI系統處理前後水質數據
測試項目
PH
SSS(us/cm)
處理前
處理後
處理前
處理後
硝酸水洗水
2.63
6.9
2000
100
PTH微蝕預中和中和水洗水
2.09
3.24
8100
320
鍍銅水洗水
2.09
3.04
8000
380
3.2.2高濃度TDS與COD廢液處理
PCB產業用水量與廢水排放量在所有產業中是名列前茅的,尤其很多的高濃度廢液---重金屬與有機廢溶液---如overflow的高銅濃度蝕刻液、廢電鍍液、顯像去膜(墨)廢液等,是有處理上的難度。
也不只PCB的製造,很多其他產業也有高濃度廢液,都以極高的成本來處理,往往還伴隨二次汙染。
針對高濃度TDS及COD廢液,此公司在研發出,以前置處理加入觸媒A劑及觸媒B劑,將高TDS值及高COD值降低後,進入DCI標準系統處理,順利的淨化水質,此水符合排放標準,亦可回用,而汙泥的量僅及原來的十分之一。
表6是部分產業利用此前置處理+標準系統所處理的前後水質數據,圖6~7是鎳廢液與染整廠廢液的處理前後圖。
表6
產業別
原廢液數據值
DCI系統處理後數據值
PH
TDS(mg/l)
COD(mg/l)
PH
TDS(mg/l)
COD(mg/l)
半導體--晶圓研磨
7
60
380
7.5
150
20
半導體--晶圓切割
4.5
10
1324
5.5
130
20
光電--觸控面板
12.1
25450
5730
7.3
145
95
染整廠
6.2
1200
850
6.9
500
60
PCB--去膜顯影
12.7
10740
1982
7
3200
85
傳統皮革廠
6.9
3230
6520
7.5
800
100
圖6.老化化學鎳回收,鎳原為綠色水質,處理後無鎳金屬殘留。
圖7.染整廠廢水,原廢水為棕色染劑25g/L色料,經處理後,出水為乾淨透明。
PCB製程中的顯像和去膜高濃度廢液的處理一直以來困擾很多,是強鹼及高COD(約10,000ppm以上)廢液。
現有的處理方式大半是先過濾,然後批式加酸中和成樹脂狀的膜渣析出再化學混凝過濾之。
或者因製程中很多酸洗液,基本上pH值偏酸,因此很多工廠就直接排掉,再進入終端廢水處理池中處理。
採用此系統前置作業觸媒AB劑,再進入DCI系統,就可解決傳統加藥又大量耗水的處理方式,其COD值可降到100ppm以下。
圖8.去膜廢液處理
就一個廢水回用系統而言,它的幾個特色:
不加藥、無污泥、不逆洗、高水回收率,以及回收時間短的優點,相信在國際環保界會占有一席之地。
四.改善電力品質、使用效能與用電成本---特殊高效率變壓器及微電腦智慧控制
目前政府有很多的獎勵措施鼓勵企業改善用電或購製節能設備,如高效能家電產品、省電照明系統、改善功率因素、改善諧波等,在貸款利息或抵稅上都有優渥的辦法。
節電長期以來都有多種方法被介紹及使用,請見表7。
其中許多是非法偷電的方式,最近新聞報導了相當多的案例。
本節中介紹一個從降壓穩壓在一個適當的電壓下及節省電力使用,並改善電力品質進而可保戶甚至延長用電設備壽命---如照明---的一套專利系統:
KMS註4,目前全球有超過6萬套正在使用中。
NO
方式
說明
1
降壓式節電器
依電腦指令隨時調整、適當電壓保持高效率。
2
改善電容器功率
可提高功率因數抵減無效電力,避免受到罰款,但談不上根本的節電。
3
IC迴路電壓自動控制
省電器本身的自動控制超過負擔,僅達成5%~6%的省電,實際效果很小,而IC迴路本身容易發生故障,造成無法普及的原因。
4
傳統變壓器電壓下降
因為單純讓電壓下降的裝置,造成變壓器很大的負荷,以致於引起高熱,由於沒有考慮平衡,所以當電壓下降太多的情況發生時,就無法處理。
5
變換動力用電子利用方式
是運用”較貴”的動力轉換成”較便宜”用電系統,違反”電力供給規定”,被發現時要徵收大額的罰款(又稱盜電器)
6
應用內部物理交換
用週波數的變換來計算節電,但必須在每個照明器具都要裝上才有效果,其中噪音的問題是一大影響。
7
插電型省電器
該省電器未經計算且輕載時無自動切離裝置,所以會有過熱起火之安全顧慮。
8
違法私接地線法
將電源之地線私接他處以降低電流量,屬技術性之竊電行為。
9
違法改變電錶法
將電錶之電流轉速調慢,減緩電錶度數之計量以降低電費,屬破壞電錶之竊電行為。
4.1為何在較低電壓下電力的耗用較低
在不影響正常工作下,降低電壓同時會誘導電流下降,使電力耗用也呈正比減少(V×I=W),達到節能效果。
其計算理論,舉例說明如下:
某項設備電力需求,220V,3300W,則:
電流Ι=P/V=3300(W)=15(A)
電阻R=V/I=220/15=14.66Ω
依歐姆定律V=IR----I=V/R帶入
電力P=V*Ι=(I*R)*I=I2R=(V/R)2*R=V2/R
∴電力P=I2R=V2/R
電費金額=電力使用量(KWH)*電費單價
因為電阻不變,所以電流隨電壓的變動而變
電壓242V時,P1=(242)2(V)/14.66(Ω)=3995W,I1=3995/242=16.5A
當降到220V時,P2=(220)2(V)/14.66(Ω)=3300W,I2=3300/220=15A
∴電力節省1-P2/P1=1-V2*I2/V1*I1=1-3300W/3995W=21.1%
4.2特殊高效率變壓器
由於使用特殊矽鋼材質及特殊纏繞技術,有如下的特點:
1)可以提升功率因數改善用電效率,可將無效電流及反撲電流再利用
2)特殊設計,主變壓器超低自損率(0.3%以下),動態工作溫度在40℃以下
3)運作效率高達99.7%,超低自損率,能有效抑制諧波產生,不耗電,不發燙
圖9特殊高效率變壓器
4.3微電腦控制偵測系統MCDS(Micro-ControlDetectSystem)
此微電腦系統進行動態三相進相電力及負載用電監測,因此:
1)能提供負載端用電RST三相平衡,降低因配線不良導致單相負載過大,因而提高功率因數及用電品質
2)四段式自動控制電壓抑制調整,並搭載安全保護機制,因應電力異常波動
3)微電腦隨時積算監測功能,動態監測入力端及負載端電力,並能在20~50msec內瞬間作動調整
4)MCDS微電腦監測控制系統搭載安全保護機制,當入力電壓過低或用電異常時以bypass來電直送方式供電。
圖10微電腦控制偵測系統
4.4評估此套設備需注意事項
沒有評估企業的用電電壓之下,貿然調降很容易有反效果。
就不同的用電設備,以下的原則必須注意:
電壓變動對各類電器之影響,其節能原理及效益為:
1).電壓對日光燈之影響:
日光燈不同白熾燈,通常電壓變動率在10%內,可滿意運轉,輸出之光度約與電壓成正比。
電壓變動↓1%,日光燈之照度變動↓1%。
日光燈管壽命相對可延長。
2).電壓對電動機之影響:
電源電壓過高時,電流增大,電動機會發熱,過分的高電壓會危及電動機的絕緣,使其有被擊穿的危險。
電壓降低時,轉矩降低,也會使負載電流增加,使溫度昇高。
電動機之轉矩與電壓的平方成正比,當三相電壓不對稱時,即一相電壓偏高或偏低會導致某相電流過大,電動機發熱時間長會損壞繞組。
因此電壓過高過低或三相電壓不對稱都會使電流增加,電動機發熱而壽命降低。
所以按照國家標準電動機電源電壓在額定值±5%內變化,電動機輸出功率保持額定值。
電動機電源電壓不允許超過額定值的±10%,三相電源電壓之間的差值不應大於額定值的±5%。
3).KMS的MCDS自動偵測電壓變化,四段式自動控制電壓,在瞬間電壓高於所設定的值時會抑制調整,低於最低設定值時BYPASS(取三相中最低者)。
它是一種可以準確地供給負載端電流的裝置,在很多實例中證明可以延長機電設備及用具的使用壽命,同時為系統負載端之用電設備達到節約電能的作用。
4).KMS適用於電壓穩定而且偏高的用電負荷,若圖有入立電壓偏低,則切換直送,以免電壓太低反損害設備。
另可選擇AVR自動調壓型則進一步適用於電壓波幅比較大的用電負荷。
若有電壓偏低,則自動調升電壓,以避免過低的電壓造成用電量反增,且危害設備。
就台灣已裝置的部分做一統計,純照明設備的節電率可超過15%以上,有些甚至達20%以上。
若加進動力設備則在12~15%之間,不過仍要視電壓狀況。
所以就降壓穩壓的設備而言,其節能效益算是中上的水準。
環保節能的概念習慣與產品非常多元,未來有機會將再介紹其他的更多的節能方向供讀者參考。
註1
太陽表面溫度6000K,地球表面溫度300K,兩個星球的輻射波譜,重疊部份幾乎可以忽略,故一般稱太陽輻射為短波輻射,地球輻射(或人體、植物…)為長波輻射。
註2
會吸收地球長波輻射的氣體稱為溫室氣體,二氧化碳是最主要的温室氣體。
它來自化石油、煤、天然氣的燃燒。
甲烷(CH4)主要是與農牧業有關的温室氣體。
水稻田中有機物的分解會釋放甲烷;牛消化道中細菌分解植物纖維,以及其他動物的糞便,這些過程會排放出甲烷;白蟻吃木材的消化過程同樣也會產生甲烷。
氮氧化物(N2O)則主要是從飛機、汽車等消耗汽油後排出;而用於冷媒的氟氯碳化合物(CFCS)也是一種温室氣體。
註3
DCI系統是錠祈國際的產品,在台灣及大陸有專利。
註4
KSM是日本川原電機專利產品
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