從地球暖化到生質能源

第一章：介紹

1.1 從地球暖化到生質能源

自十八世紀工業革命以來，人們學會了怎麼從自然中獲取能源並作為動力的 來源。不過到了二十世紀來才發現，使用這些能源—如石油等等，獲取其中能源 的同時，也會排放出二氧化碳—也就是人們現在所熟知的溫室氣體。二氧化碳會 吸收太陽輻射到地球的紅外光，使地球保持一定溫度。不過因為排放了過多的二 氧化碳，會使地球的平均溫度漸漸升高。氣候變化政府間專家委員會(IPCC, 2001) 指出，全球平均表面溫度持續升高，氣候變遷跡象日趨顯著，若無法遏止，將嚴 重影響人類生存環境。美國太空總署也表示，北極和南極的冰層漸漸變小，消失 後海平面上升，地球恐怕面臨大災難。尤其是島嶼型國家的我們，如果海平面上 升恐怕會面臨國土被海水淹沒的危險，所以我們應該對於如何減少二氧化碳的排 放量有更多的對策才行。

從行政院環境保護署的資料顯示(圖 1.1)，大部分的二氧化碳來源是由於工 業所燃燒的石油為主，交通運輸方面，是因為燃燒汽油而產生的二氧化碳。燃燒 石油除了會排放對生物體來說不好的物質(一氧化氮等等)之外，也會對地球的環 境造成破壞。近年來，由於石油漸漸減少、利用石油所造成的氣候變遷的問題漸 漸被世人所重視以及世界對能源的需求越來越大，尋找替代能源是必要的。

圖 1.1 我國所排放的二氧化碳之來源

2 的成分之一氮會形成一氧化二氮(N₂O)排出，此氣體的全球增溫趨勢(GWP,global

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warming potential)為二氧化碳的 296 倍，是非常驚人的；最後一點就是所產出來 的生質酒精的能量密度不高(生質酒精:23 (MJ/L), 汽油:35 (MJ/L))。綜合以上這 幾點，第一代生質能源並不適合發展，目前取而代之的就是第二代生質能源。

第二代生質能源，使用的原料為廢棄的木材、稻桿稻殼……等等，構成這些 東西的主要成分為木質纖維素(lignocellulose)，木質纖維素的成分如圖 1.2 所示

1，木質纖維素主要是由纖維素(cellulose)、半纖維素(hemicellulose)以及木質素 (lignin)所組成。纖維素佔木質纖維素的含量約為 40~50%，是木質纖維素中佔大 部分的成分，由單體葡萄醣脫水形成 1,4-β 醣苷鍵(1,4-β-glycosidic bond)所聚合而 成的聚合物，可以藉由酸催化水解或是酵素分解纖維素來產生葡萄醣。纖維素是 一個非常巨大的結構，每一層的葡萄醣脫水聚合成鏈狀聚合物後，層和層之間還 會形成氫鍵，使其結構非常穩定且巨大。由於其單體非常單純，常常被拿來做有 關生質能源方面研究之起始物。

半纖維素，是由兩種或兩種以上的五碳醣及六碳醣脫水形成的聚合物，單體 主要為木醣(xylose)、阿拉伯醣(arabinose)、甘露醣(mannose)以及半乳醣(galactose) 等等，脫水形成鏈狀聚合物之後，層跟層之間也會形成氫鍵使半纖維素變成一個 巨大的分子，且非常穩定。由於其單體非常複雜，不常被拿來做為生質能的研究。

有 研 究 利 用 半 纖 維 素 水 解 成 單 體 並 拿 來 發 酵 成 生 質 酒 精 或 是 製 造 糠 醛 (furfural)^2,3。

木質素佔木質纖維素中含量最少，約為 15~25%，是由苯基丙烷的衍生物所 聚合而成，這些衍生物主要是酚類，經由分子間互相脫水聚合而成。物性和化性 都非常穩定，也很難水解，就算用極端條件(高溫高壓)把它分解完之後也是含有 很多種分子，純化很困難，要拿來做生質能相關的研究也是非常稀少⁴。

綜合以上介紹可以知道，如果要拿木質纖維素做生質能源的研究，會先選擇 纖維素做起始物，除了它的含量佔大部分之外，主要也是因為它水解後的單體很

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單純，就是葡萄醣，不像半纖維素或是木質素水解之後單體非常的複雜，除了反 應很難單一化之外，產物也會趨向於複雜。

圖 1.2 木質纖維素的成分以及組成

第三代生質能源是利用藻類當作起始物，由於藻類很多油脂，可以利用這些 油脂做轉酯化(transesterfication)，形成脂肪酸酯類，也就是生質柴油，目前這項 技術很新，還在發展中，且由於各種藻類的來源關係，會造成油脂的含量有很大 的差異。

以纖維素為起始物，經由水解後得到葡萄醣，接著異構化成果醣之後，就可 以脫水形成呋喃(furan)衍生物，如 5-羥甲基糠醛(5-hydroxyMethylfurfural,

5-HMF)。5-羥甲基糠醛，是從木質纖維素得到的其中一種衍生物，被美國能源 總署(DOE)評為是最有價值的化合物。原因是它是生物質量和有潛力的化合物中 間的橋樑，只要生成 5-羥甲基糠醛，可以經由很簡單的步驟變成一些非常有經濟

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價值的化合物。如圖 1.3 所示 ⁵，只要經過簡單的氧化步驟就可以生成 2,5-呋喃 二甲酸，它常常被用在工業上來做聚酯類的聚合物；經過加氫和氫解作用則可以 形成 2,5-二甲基呋喃，它是目前最適合用來做生質燃料的化合物，它是液體、能 量密度高達 31.5(MJ/kg)，比生質酒精高出約 40%，約為現在汽油的 80%，基於 這些因素，目前有很多研究都在投入如何從木質纖維素量產 2,5-二甲基呋喃 ⁶； 行水合反應的話會產生乙酰丙酸(levulinic acid)，可以做成顯影劑，或是加甲醇之 後可以形成酯類做高分子；加氫反應可以得到 2,5-呋喃二甲醇，應用在製造泡棉 或是聚脂類。

圖 1.3 5-羥甲基糠醛之衍生物

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5-羥甲基糠醛是由纖維素水解成葡萄醣，葡萄醣異構化成果醣之後脫水而得，

過程中需要很多勻相和非勻相的催化劑 ^7-10。過程如圖 1.4 所示，首先，纖維素 先藉由離子液體的作用打斷氫鍵，讓層跟層分離，形成鏈狀聚合物¹¹；纖維素寡 聚物藉由酸催化或是酵素水解，打斷 1,4-β 醣苷鍵形成葡萄醣 ^12,13；葡萄醣藉由 酵素或是鹼催化異構化成果醣^14,15；最後藉由果醣脫水成 5-羥甲基糠醛¹⁶。也有 研究團隊直接合成多官能基的催化劑使纖維素直接轉換成 5-羥甲基糠醛，這個反 應是個多步驟多路徑的催化反應。

圖 1.4 纖維素轉換至 5-羥甲基糠醛的過程