臺灣化學教育

開創新局的永續化學：
利用生物質作成生物炭來反轉氣候變遷

羅芬臺

中央研究院化學研究所
中央研究院天文及天文物理研究所
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n  溫室氣體減量的解決之道

近年來，氣候變遷的議題已被廣泛的討論，氣候變遷是指全球平均氣溫會不斷的升高或降低。2016年十一月美國太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）就認為2016年將會成為最近136年紀錄中最熱的一年。其他機構，包括英國氣象辦公室（Met Office）、美國國家海洋暨大氣總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）、日本氣象廳（Meteorological Agency）及聯合國世界氣象組織（World Meteorological Organization, WMO），也都表示2016年是破紀錄最熱的一年，同時將是連續第3年的新高。而且WMO的報告指出，2016年全球氣溫比工業化之前高出了1.2度。2015年聯合國氣候變遷大會（COP21）有近200個國家簽署了《巴黎協定》，它是具有法律約束力的全球溫室氣體減量新協議，雖然氣候變遷與大氣中二氧化碳濃度的關聯性已被爭論了一百多年，但《巴黎協定》成功地凝聚了全球的減碳共識，要求各國定期檢討「國家自主決定預期貢獻」（Intended Nationally Determined Contribution, INDC），確保二氧化碳減排進度要使全球平均氣溫不高於工業時代的2°C。臺灣2015年6月15日也通過了《溫室氣體減量及管理法》並宣布INDC的減碳承諾，將臺灣帶往溫室氣體減量的新里程。

到目前為止，科學家對如何將大氣中的二氧化碳濃度降低有許多建議與想法。其中利用生物質（biomass）來進行生物能源與碳捕獲和儲存（Bio-energy with carbon capture and storage, BECCS）和將生物質做成生物炭（biochar）是兩種減少大氣中二氧化碳常提到的技術。生物質通常是指不用於食物或飼料的植物或植物基材料，並且特別是指木質纖維素的生物質（lignocellulosic biomass）。植物也是有壽命的，如果不處理死掉的植物，它腐爛後會放出更多的溫室氣體，例如：甲烷和氧化亞氮，而甲烷和氧化亞氮的全球變暖潛能值（Global warming potential, GWP）分別是二氧化碳的72倍和275倍。因此，在生物質腐爛前就將生物質處理掉，應該是比較適當的做法。

生物能源與碳捕獲和儲存主要是將生物質燃燒或與煤炭一起燃燒產生能源或用於發電，再將產生的二氧化碳收集並灌注到地層深處，這種藉由植物生長吸收二氧化碳，再燃燒植物產生能源，所產生的二氧化碳再埋到地層深處是一種負排放或負碳的方式。據政府間氣候變化專業委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）評估報告指出，生物能源與碳捕獲和儲存是一個實現降低大氣中二氧化碳濃度的一個關鍵技術。英國皇家學會（The Royal Society）也已經估計這個技術將能減少50-150 ppm的二氧化碳濃度。不過，也有人擔心碳捕獲和儲存（carbon capture and storage, CCS）會不會發生二氧化碳外洩的意外？

生物炭的製備是藉由活的生物質在生長時吸收二氧化碳，再經由生物質在缺氧狀態下的熱解而得到。熱解所產生的氣體和生物油可當能源，而固態的生物炭埋於地下，除了可以吸收多餘的水分，在乾旱時排出，而且還可以當作土壤的增強劑和吸附有毒重金屬的除汙劑，是具負碳性質的產物。2010年的Nature Communication [1] 以及2015年的Nature [2] 都發表過生物炭可降低二氧化碳的排放以減緩氣候變遷，並可提高農產量及控制污染的報告。

n  利用熔鹽進行植物熱解

在筆者的實驗室中，利用生物質來生產生物煤（biocoal）的過程，大約1/2轉化為生物煤，1/10轉化為可用於燃燒發電的合成氣，還有2/5是有價值的生物油。澳大利亞著名的探險家和自然學家Tim Flannery認為生物炭可使我們能夠同時解決四個重大危機：氣候變遷危機、能源危機、食品危機以及水資源危機。問題是，傳統以熱氣來生產生物炭的方法都因不太符合經濟效益而無法永續經營下去，例如植物在缺氧狀態下的熱解會不會因為溫度太高和熱解時間過長而成本過高以致於民間與政府都無意投資？據紐約時報2015年七月的一份專欄指出，目前全世界年產生物炭的總量只有一千公噸，說明了傳統以熱氣方式來生產生物炭的確有經濟效益上的問題。針對這些問題，筆者和中研院徐遐生院士覺得傳統熱解以氣體來傳熱是不太符合經濟的效益，應該要用液體來傳熱才會符合經濟效益和能夠產業化。因為液體的體積熱容量（volumetric heat capacity）是氣體體積熱容量的2000倍，所以扣掉一些損失，液體的傳熱速度會是氣體的好幾百倍，好比在作三溫暖時，房間的熱氣可達90°C，還可以忍受一陣子，但是如果溫泉的熱水是50°C，可能半分鐘都不能忍受。液體的傳熱速度快，熱解時間會變短，溫度也不需要太高，只要能達到將生物質內分子的部分鍵結破壞掉的溫度即可。因為考慮到一般熱傳油在300°C以上就會分解，而且有易燃性，所以我們選用在300°C以上還很穩定且無可燃性的醋酸熔鹽來作熱傳的媒介。我們發現植物在熔鹽裡300°C十分鐘，就可以達到市面上號稱是1000°C熱解得到生物炭的水平。生物煤的優點有：(1)生物煤是碳中和的燃料，(2)減少重量及運輸費用，(3)熱的密度增加，增加燃燒效率，(4)仍然存留一些纖維結構，容易搬運，(5)生物煤很穩定可以長時間保存不會腐爛，(6)如果不處理腐爛的生物質，它會放出更多的溫室氣體，(7)可進行未來的碳交易。生物質如銀合歡在熔鹽裡300°C十分鐘所做出來的生物煤它的氫碳莫耳數比約在1.2左右，並不符合國際生物炭協會所訂氫碳莫耳數比要小於0.7才可掩埋的標準。因為含氫量太高，會緩慢釋放出一些有機物造成土壤的傷害。我們發現改變熔鹽的種類並將植物在熔鹽裡熱解450°C一分鐘，就可以輕易得到氫碳莫耳數比小於0.7的生物炭。

我們處理的生物質包括一般的植物、水果皮、以及用過的竹筷和牙籤等。最常用的植物是銀合歡，它是全世界百大入侵性植物之一，由於生長快速、萌芽力強、抗旱，幾無病蟲害，每年每公頃產生的種子可達三億粒之多，澎湖、屏東和臺東有很多的銀合歡可以拿來使用。根據統計，外來種銀合歡在日據時代由日本引進澎湖，60年代由臺灣企業引進恆春半島，至今已分布廣達逾5000公頃，堪稱臺灣最強的外來入侵物種。它有固氮（nitrogen fixation）的能力，而且它的根部會放出含羞草素，對其它植物是一種毒素，因此銀合歡有群聚的特性，會破壞生物的多樣性，妨礙臺灣原生樹種的生長。據估算，如果每天處理360公噸的銀合歡，處理完臺灣現有的銀合歡要花八年的時間

利用醋酸熔鹽來作植物熱解的優點就是無毒、熔點低、水溶性高、無可燃性。由於在熱解時熔鹽包覆在生物質的周圍，可以隔絕空氣，因此熱解時沒有生物煤爆燃的顧慮，安全性高，而且熱解時不會產生黑煙和焦油。我們可以用炭渣氧化爐來處理炭渣和焦油。唯一的缺點就是需要回收醋酸鹽，好在醋酸鹽的水溶性高，例如在20°C時，100毫升的水可以溶解253克的醋酸鉀。包覆在生物質外表和孔洞內的醋酸鹽經過浸泡，可以很容易將清洗水的鹽度降到0.1%重量比以下。由於傳統熱解在單位時間裡所產生的氣體和生物油較少，因此大多是當能源來燒掉。而利用熔鹽來進行熱解，單位時間裡所產生的氣體和生物油較多，生物油可以凝結後做進一步的分離與純化，可以得到高值化的有機物或做進一步的應用。在能量消耗方面，植物吸收免費的太陽能和二氧化碳轉換為植物中分子的化學能。我們需要加熱熔鹽以便植物在熔鹽中能進行熱解得到生物煤和合成油及合成氣。合成氣可燃燒以保持熔鹽所需的溫度或用於發電給機器使用。生物油如醋酸，甲醇，和丙酮，可以是能源或是經過分離和純化後提供高價值的化學品。生物煤仍保留了大量的化學能可轉化為熱能或電能。因此，我們估計在我們熱解的過程裡熱能的進出比率約為1/5至1/10。目前我們團隊在科技部和中研院的支助下，已經在國立清華大學建置了一座中試工廠（見圖一），希望將來可以用工廠實驗的數據，建造一台真正可以產業化的機器。

圖一：利用醋酸熔鹽進行植物熱解的中試工廠

n  臺灣生產生物炭領先全世界

批評使用生物質來作可再生能源的理由是它可能侵占了農業用地。然而，由一項聯合國工業發展組織（United Nations Industrial Development Organization）援引2007年國際能源署（International Energy Agency, IEA）的研究結果顯示，在不影響糧食生產的原則上，世界各地區在2050年可提供殘留及荒廢農地上可再生的生物能源有610百萬兆焦耳量（exajoules, EJ, 1 x 10¹⁸ J）。2012年全球能源消耗量有560 EJ, 它可導致每年二氧化碳濃度上升2.2 ppm。因此，如果將前述610 EJ中的500 EJ 都變成負碳（生物炭），則每年可以除去2 ppm的二氧化碳。在2050年時, 二氧化碳濃度在世界各國政府努力下應可維持在450 ppm左右，則在2100年時，二氧化碳濃度應可降到350 ppm，這正是科學界希望能將大氣二氧化碳濃度控制在一定程度的共識值。

因此，想要降低大氣中二氧化碳的濃度以減緩或反轉氣候變遷而達到永續的人類生活環境，可以從我們已有相當多生產生物炭的經驗來著手。在快速生產生物炭的領域，臺灣已經有技術領先全世界，而且目前我們已經取得臺灣、美國、加拿大、俄國、中國大陸、法國、德國、及印度在連續式和批次式熔鹽熱解生物質的專利。當然，我們面對商業化的課題還會有許多困難與挑戰，例如：料源的掌控、機械的自動化、人力的調配、成本的控制、友善的環境、生物炭價格的調查等，仍然有待我們持續的去研究與克服。

n  參考文獻

1.        Woolf, D. et al. Sustainable biochar to mitigate global climate change. Nat. Commun. 1:56 doi: 10.1038 / ncomms1053 (2010).

2.        Cernansky, R., State-of-the-Art Soil, Nature, Vol 517, 258-260 (2015).