第一章緒論
1-1 前言
西元 2009 年 8 月 8 日至 8 月 10 日，在台灣發生了令人震驚的莫拉克風災，
尤其是以高雄縣小林村的滅村事件，更是造成數百條人命的死亡，其他還有屏東 林邊、佳冬鄉的淹水事件，水深甚至淹至兩樓高。會造成這麼大的原因，不外乎 就是莫拉克颱風為台灣帶來驚人的雨量，在三天內為高雄縣山區帶來了超過 2500 毫米的雨量，就是因為這樣的過量雨水，導致小林村上的山坡，發生了令人意想 不到的災難。像這樣的極端氣候，因全球暖化的緣故，有可能發生的頻率會越來 越高，2010 年的巴基斯坦遭到季風的侵襲，經歷了八十年來最大的一次洪災，造 成一千六百人死亡的慘劇，約一百五十萬人無家可歸。2011 年八月泰國首都曼谷 遭到無情的大水吞噬，政府單位束手無策，造成的損失無以估計，重建之路更是 遙遙無期。
人類自十八世紀工業革命以來，大量使用化石燃料，將過去長期以來，植物 所固定下來的碳，又再度釋放到大氣當中，而人類對於這種緩慢的變化，似乎沒 有很大的警覺性。當這些極端的氣候輪流呈現在世人眼前的時候，人們終於漸漸 的感受到大自然反撲的力量其實比想像中還要大。
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但是環境要保護，經濟也要同時保持發展，在這兩者之間需要達到一個微妙 的平衡。如果只顧慮環保，經濟將受到嚴重限制，甚至衰退。如果只顧慮經濟，
不顧環境遭受破壞，那當環境已經達到無法回復的境地時，即使有再多的經濟基 礎也喚不回美麗的地球。
聯合國氣候變化綱要公約（UNFCCC）於西元 1997 年 12 月，針對全球暖化的 議題在日本京都簽訂了『京都議定書』，其目標在追求將大氣中的溫室氣體含量
穩定在一個適當的水平，進而防止劇烈的氣候改變對人類造成傷害【1】。這表 示人類已經對於全球暖化的議題已經開始重視，並且開始著手進行減少溫室氣體 的排放。
除了造成全球暖化之外，大量燃燒化石燃料也會釋放部分的硫氧化物（SOx）、 氮氧化物(NOx)甚至固體顆粒的煤灰，這些物質對空氣造成嚴重污染，形成的酸 雨除了造成金屬物品、與大理石建築產生腐蝕外，還造成土壤的酸化，致使農作 物產量減少，對經濟層面也造成不少衝擊。
即使是化石燃料會對全球暖化以及環境帶來不好的影響，目前世界上的仍需
要仰賴石化燃料的便利性，也因此價格仍然不斷的在攀升（如圖 1.1）【2】，可 是石油屬於非再生能源，一旦使用殆盡，就不會再回復，也因此國際油價居高不 下。因此科學家們致力於發展可替代能源，例如：太陽能，風力能，水力能，生
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質能等等，以期減少使用化石燃料，降低二氧化碳對全球暖化的影響。生質能中 的生質柴油因為性質與石化柴油近似(如表 1.1)，具有可攜帶性，方便使用，不需 改變任何設施即可大規模使用，而且造成的污染甚至比石化柴油來的低，因此具 有相當大的開發潛力。【3】
圖 1. 1 國際油品價格日比較趨勢圖(美金/桶)【2】
表 1.1 生質柴油與石化柴油標準之比較【3】
比較項目 石化柴油 生質柴油
Standard ASTMF975 ASTMD6751
Composition
HC
（C10~C21）
FAME
（C12~C22）
Kinematic viscosity（mm2/s）,40°C 1.9~4.1 1.9~6.0 Specific gravity （g/mL） 0.85 0.88
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比較項目 石化柴油 生質柴油
Flash point（°C） 60-80 100-170 Cloud point（°C） -15to5 -3to12 Pour point（°C） -35to-15 -15to16
Water （vol%） 0.05 0.05
Carbon （wt%） 87 77
Hydrogen （wt%） 13 12
Oxygen （wt%） 0 11
Sulfur （wt%） 0.05 0.05
Cetane number 40-55 48-60
High Frequency Reciprocating Rig （μm） 685 314 Ball-on-cylinder lubricity evaluator scuff （g） 3600 >7000
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1-2 研究動機
目前生質柴油的生產，大多是使用三酸甘油酯與醇類並且藉由催化劑進行轉 酯化反應，生成脂肪酸甲酯（ Fatty acid methyl esters, FAME 即生質柴油）與甘油 混合物(如圖 1.2)，經過純化精製的過程中便能製作出生質柴油。製作出來的生 質柴油因為能有效降低石化柴油的使用量，對環境的負擔比較輕鬆。
圖 1.2 轉酯化反應
從三酸甘油酯與甲醇的轉酯化反應中可以看出油醇莫耳比應該以 1：3 為比 例進行反應，而轉酯化反應為可逆反應【4, 5】，但是為了使生質柴油的轉酯比 例提高，依照勒沙特列原理來看，應該要提高甲醇的使用量，但是如果過多的甲
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醇會造成後處理的難度提高，所以找出適當的油醇莫耳比例能夠提高生產的效 率。
而生產生質柴油所用到的催化劑，從其型態可以分成勻相催化（Homogeneous catalyst）與非勻相（固相）催化（Heterogeneous or solid catalyst）【6】。
前者在未反應前即將催化劑溶入甲醇中，形成液態甲醇溶液，再與三酸甘油酯進 行轉酯化反應，雖然反應速度快，但其反應後催化劑難以回收，且在純化生質柴 油的過程中的水洗步驟，會產生大量廢水（洗去多餘鹼），對環境的影響相當大，
並非適當的催化劑。而後者反應時間相對於前者較長（與接觸面積有關），但是 可以反覆使用，且易於分離，是目前比較能被接受的方法，所以已經有許多固態 催化劑已經被開發，例如氧化鈣【7-9】、碳酸鋰【10, 11】、氧化鎂、氧化鋅等 或者是在剛性較強的固態基質上負載其他的酸或鹼性物質【12, 13】。利用固體 相催化，因為進行催化的部位在固體表面，所以固體的表面積將會影響催化的效 率。
製作固態催化劑的方式包含了煅燒、不溶性的金屬鹽類之形成、乾燥法、洗 滌以及表面活化等等的方式，但是不論是哪一種方式，如果要開發到工業等級，
都會消耗掉相當大量的能量，而且大部分都難以大量生產，也就無法降低生質柴 油開發的成本。所以要開發固態催化劑，所要考量的因素應該要包含以下幾項：
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1. 能產生較高的轉酯率。
2. 成本低廉。
3. 容易取得。
4. 對環境衝擊性較低。
5. 能大量生產。
基於以上的因素考量，本研究將探討符合這些特性的電石渣（主要成分為氫 氧化鈣）與碳酸鈉這兩種鹼性固體對轉酯反應的催化性。
另外進行轉酯化反應的時候必須要加熱，加速反應的進行，但是傳統的加熱 方式是用加熱板或加熱包，從反應器的外部傳熱進反應物中，再利用熱對流或者 攪拌的方式來達到熱量的傳遞，所以在加熱時間上就會比較緩慢。而微波加熱法 則是利用微波能夠瞬間加熱極性物質的特性，將能量直接傳送到反應物上，所以 能夠將加熱時間縮短，也可以減少逸散的能量損耗【14, 15】，降低開發的成本，
所以本研究也會針對加熱方式進行探討。
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1-3 研究目的
本研究將利用大豆油與甲醇進行轉酯化反應，並用氣相層析/火焰離子偵測 器來分析反應的轉酯率，並探討底下變因對於轉酯率的影響：
1. 催化劑種類（包含處理方式）。
2. 催化劑用量。
3. 油醇莫耳比。
4. 反應溫度。
5. 加熱方式。【16】
6. 催化劑性質
進行大豆油的研究完成後，找出最佳的條件（符合節省能源，簡易處理），
再將大豆油換成其他的油品（包含回鍋油），探討是否也能夠進行生質柴油的生 產，期待能夠在未來達到工業生產的等級，逐漸取代石化柴油的使用，為我們唯 一的地球盡一份心力。
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