氯氣(Cl2),是化學工業不可或缺的基礎原料,超過50%的工業化學品與聚合物生產時都需要用到它。工業上以氯鹼電解(chloralkali electrolysis)製造氯氣,而這個製程相當耗能,光在歐洲就約占總用電量的0.8%。氯氣經低溫冷凝等步驟純化後,剩下的尾氣(tail gas)仍是混有高達40 mol%氯氣的空氣,另含微量氫氣與二氧化碳。然而,要再冷凝回收尾氣中的氯氣,就得把溫度降到極低,這既耗能又不划算,因此尾氣裡的氯氣幾乎無法再利用。這使氯氣產量有2-3%就此損失,而製造這些氯氣所耗的電,相當於歐洲用電量的0.016-0.024%。目前的標準做法,是用氫氧化鈉(NaOH)把尾氣中的氯氣中和掉,但這會換來價值較低的次氯酸鈉(NaOCl)與氯化鈉。早在1956年,科學家就曾用四氯化碳(CCl4)吸收並回收氯氣,但四氯化碳會破壞臭氧層,後來遭到禁用;用水洗滌尾氣雖能部分回收氯氣,卻會連帶吸收二氧化碳;改用薄膜分離,則始終找不到耐用性、滲透性與選擇性都足夠的材料。近年雖有科學家改用聚乙烯亞胺製成的冷凍凝膠(cryogel)來選擇性吸附氯氣,但這種材料無法從市面上取得,穩定性有限,吸附與釋放速度也很慢。因此,如何用穩定又容易取得的材料,從尾氣中選擇性地回收氯氣並加以利用,成為亟待解決的難題。
近日,德國柏林自由大學的研究團隊,用市售離子交換樹脂,成功從模擬尾氣中選擇性地捕捉氯氣。他們使用的聚苯乙烯樹脂帶有氯離子,每公克最多可儲存0.36公克氯氣,對氮氣、氧氣、氫氣和二氧化碳則觀察不到吸附。拉曼光譜顯示,樹脂上的氯離子會抓住氯分子,並結合成三氯陰離子([Cl3]−)。這種結合是可逆的,在減壓下加熱到80°C一小時,就能放出71%的氯氣。不過加熱與抽真空仍要耗能,於是研究團隊讓吸附的氯氣直接與乙烯反應,生成聚氯乙烯的原料1,2-二氯乙烷,而樹脂也同時再生。在實驗中,第一次循環因部分產物被樹脂吸住,產率只有56%,之後兩次都超過95%。他們也讓吸附的氯氣與一氧化碳反應,製造聚氨酯與聚碳酸酯的原料光氣(COCl2),在調整樹脂吸附的氯氣量並升溫到80°C後,三次循環的平均產率接近100%。研究人員估計,一座年產30萬噸氯氣的工廠若採用這套系統,每年可省下31,000 MWh電力。