SAP 雙電漿活化水系統之產氮能量效率研究
摘要
本研究評估一套雙電漿大氣壓放電系統於電導度（EC）500 µS/cm 條件下生成電漿活化水（Plasma-Activated Water, PAW）之氮固定能量效率。以逆滲透水（RO water，初始 EC < 100 µS/cm）為原水，經電漿放電處理 40.16 分鐘，使其 EC 提升至 500 µS/cm。系統輸入電功率為 1.1 kW（未包含壓縮空氣耗能），單批總能量消耗為 0.736 kWh。
電漿激發完成當下，硝酸根濃度達 884 mg/L，其對應之氮固定能量效率為 0.91 kWh/mol-N。經長時間靜置 1500 小時後，硝酸根濃度穩定於 323 mg/L，其有效能量效率為 2.49 kWh/mol-N。穩定值可視為系統實際可利用之氮固定工程效率。
- 前言
電漿活化水（PAW）為近年發展之常溫常壓氮固定技術，可在環境條件下透過電漿活化空氣中的氮氣與水反應生成含氮物種。相較於傳統 Haber-Bosch 製程需高溫高壓條件，電漿系統具備分散式生產與低基礎建設門檻之潛力。
本研究針對 SAP 雙電漿活化水系統在電導度控制條件下之產氮速率與能量效率進行定量分析。
- 材料與方法
2.1 電漿系統操作條件
本研究使用雙 SAP 電漿激發系統處理逆滲透水，操作條件如下：
原水：逆滲透水（RO water）
初始電導度：< 100 ?S/cm
目標電導度：500 ?S/cm
電漿激發時間：40.16 分鐘（0.669 小時）
輸入電功率：1.1 kW（不含壓縮空氣耗能）
EC 500 條件下產能：84.5 L/h
2.2 能量消耗計算
Energy=Power × Time
=1.1 kW × 0.669 h =0.736 kWh
2.3 產能計算
包含進水與排水時間：
產能= 84.5 L/h @EC500
單批產水量為：=56.5L
2.4硝酸根分析
於 EC 300、500 與 800 µS/cm 條件下量測硝酸根濃度，並追蹤即時濃度與長期穩定性（最長至 1500 小時）。
3. 結果
3.1即時硝酸根濃度( EC 500 µS/cm) :
NO₃⁻ = 884 mg/L
單批硝酸根總質量：
884 mg/L × 56.5 L = 49.9 g NO₃⁻
換算為硝酸鹽氮（NO₃⁻-N）質量：
氮之莫耳數：
能量效率：
3.2 長期穩定狀態（1500 小時）
NO₃⁻ = 323 mg/L
單批硝酸根總質量：
換算為氮質量：
氮之莫耳數：
能量效率：
4. 討論
|
Condition |
mol N |
Energy (kWh) |
kWh/mol-N |
|
即時 (884 ppm) |
0.806 |
0.736 |
0.91 |
|
穩定 (323 ppm) |
0.295 |
0.736 |
2.49 |
即時數值代表電漿放電瞬間之最高氮固定產率；而長期穩定數值則反映活性物種再平衡後實際可保留之氮含量。
與傳統氨合成（約 8–12 kWh/kg NH₃）相比，該電漿系統於常溫常壓下展現具競爭力之分散式氮固定潛力。
5. 結論
SAP 雙電漿系統於 EC 500 µS/cm 條件下達成：
- 最高氮固定效率：91 kWh/mol-N
- 長期穩定工程效率：49 kWh/mol-N
- 模組化產能：5 L/h
穩定效率應視為農業或工業實際應用之工程設計基準值。
本模組可無限擴充機組，以符合大型農業、工業等使用。