Knowledge Base – 生物程序及再生能源實驗室

堆肥

堆肥

德國農村地區的一個社區級堆肥廠

堆肥是被分解回收有機物質作為肥料土壤調理劑英語Soil conditioner。堆肥是有機農業的關鍵成分。

在最簡單的層面上,堆肥過程需要將一批被稱為綠色廢物英語Green waste(葉子,食物廢物)的濕的有機物質物料在等待數周或數月後分解成腐殖質。現代的,有條不紊的堆肥是一個多步驟,密切監測的過程,具有測量水,空氣和碳氮富含材料的輸入。分解過程通過切碎植物物質,加水並通過定期轉動混合物確保適當的通氣來輔助。蠕蟲真菌進一步分解材料。需要氧氣工作的細菌(好氧細菌)和真菌通過控制化學過程,將輸入轉化為熱,二氧化碳NH+
4
)是植物使用的的形式。當植物不使用銨,可用的被細菌進一步通過硝化作用轉化為硝酸鹽NO
3
)。

堆肥富含營養。它廣泛用於花園,園林綠化,園藝農業。堆肥本身在許多方面對土地有利,包括作為土壤調理劑英語Soil conditioner,肥料,添加重要腐殖質腐植酸,以及作為土壤的天然殺蟲劑。在生態系統中,堆肥可用於侵蝕控制,土地和溪流復墾,濕地建設以及堆填區(見堆肥用途)。用於堆肥的有機成分可以替代地用於通過厭氧消化產生沼氣

基礎[編輯]

智利聖克魯斯的家居堆肥桶

碳,氮,氧,水[編輯]

堆肥堆中的材料
廢棄食物的堆肥

堆肥生物需要四個同樣重要的成分才能有效地工作:

  • - 能量; 碳的微生物氧化產生熱量,如果包括在建議的水平[1]
    • 高碳材料往往是棕色和乾燥的。
  • - 生長和繁殖更多的生物體以氧化碳。
    • 高氮材料往往是綠色的(或多彩的,如水果和蔬菜)和濕的。
  • - 用於氧化碳,分解過程。
  • - 正確地維持活動而不引起厭氧條件。

這些材料的某些比例將提供有益的細菌,其營養物質以加熱堆的速度工作。在這個過程中,許多水將被蒸發(「蒸汽」)釋放,氧氣將迅速耗盡,解釋了積極管理堆的需要。堆越熱,需要添加空氣和水的次數越多; 空氣/水的平衡對於維持高溫(135°-160°F / 50° - 70°C)至關重要,直到材料分解為止。同時,太多的空氣或水也會減慢工藝,碳太多(或太少的氮)也是如此。熱容器堆肥英語Hot container composting的重點是保留熱量以提高分解速度,並更快地生產堆肥。

最有效的堆肥發生在最佳的碳:氮比例為10:1至20:1[2]。C/N比例為〜30以下時,對於快速堆肥是有利的。理論分析通過現場測試證實,30以上的底物是氮缺乏的,而低於15,可能將一部分氮氣以的形式排出[3]

幾乎所有的植物和動物材料都具有碳和氮,但是數量的變化很大,因為具有上述特徵(干/濕,褐/綠)[4]。取決於不同的物種,新鮮草切片的平均比例約為15:1,和乾燥的秋葉的平均比例約為50:1。 按體積混合相等的數量近似理想的C:N範圍。在任何時候,很少有個別情況將提供理想的材料組合。數量的觀察和不同材料的考慮[5]作為堆是隨著時間的推移而被建成的,可以為個別情況快速實現可行的技術。

微生物[編輯]

通過適當的水,氧,碳和氮的混合,微生物能夠分解有機物質以產生堆肥[6][7]。堆肥過程依賴微生物將有機物分解成堆肥。 活性堆肥中存在許多類型的微生物,其中最常見的是[8]

此外,蚯蚓不僅攝取部分堆肥材料,而且在通過堆肥時不斷重新創造曝氣和排水隧道。

缺乏健康的微生物群落是堆肥過程在堆填場緩慢的主要原因,環境因素如缺乏氧氣,營養物或水是造成生物群落枯竭的原因[8]

堆肥階段[編輯]

在理想條件下,堆肥有三個階段[8]

  • 初始的嗜溫階段,其中分解在中等溫度下通過嗜溫微生物進行。
  • 隨著溫度升高,開始第二個嗜熱階段,其中分解是由各種嗜熱細菌在高溫下進行的。
  • 隨著高能量化合物供應的減少,溫度開始下降,而成熟期嗜溫微生物再次占主導地位。

可堆肥的材料[編輯]

有機固體廢物(綠色廢物)[編輯]

嗜熱微生物產生的熱量蒸發的大型堆肥堆。

由於垃圾填埋場空間的增加,全世界對堆肥循環利用的興趣都在增加,因為堆肥是將可分解有機材料轉化為有用的穩定產品的過程[9]。堆肥是土壤磷消耗恢復土壤活力的唯一途徑之一[10]

聯合堆肥是將固體廢物與脫水生物固體相結合的技術,儘管控制城市固體廢物的惰性和塑料污染的困難使得該方法吸引力較小。

工業堆肥系統越來越多地被安裝作為垃圾管理替代垃圾填埋場,以及其他先進的廢物處理系統。將混合廢物流與厭氧消化或容器上堆肥相結合的機械分選稱為機械生物處理,由於控制堆填區允許有機質含量的規定,越來越多地在已開發國家使用。

動物糞便和墊料[編輯]

在許多農場,基本的堆肥成分是農場產生動物糞便和動物墊料。秸稈和鋸屑是普通的動物墊料。還使用非傳統墊料,包括報紙和切碎的紙板。在畜牧場的糞便堆肥數量通常由清潔時間表,土地可用性和天氣條件決定。每種類型的糞便都有自己的物理,化學和生物特性。

牛和馬糞便,當與墊料混合時,具有良好的堆肥質量。非常潮濕,通常不與墊料混合的豬糞必須與秸稈或類似原料混合。家禽糞便也必須與碳質材料混合 - 低氮優選,如鋸屑或稻草[11]

人類廢物和污水污泥[編輯]

人類廢物(排泄物)也可以作為輸入添加到堆肥過程中,因為人類廢物是富含氮的有機物質。可以在堆肥廁所直接堆肥,或混合水後,在污水處理廠進行處理。

用途[編輯]

堆肥可被用作一種土壤添加劑,或被用作其他基質如椰殼纖維和泥炭的添加劑,作為耕性改良劑,提供腐殖質和營養物質。它提供了豐富的生長介質或多孔的吸收材料,能保持水分和可溶性礦物質,提供讓植物可以蓬勃發展的支持和營養物,儘管其很少單獨使用,主要與土壤沙子,砂礫,樹皮屑混合,蛭石珍珠岩粘土顆粒以產生壤土。堆肥可以直接土壤或生長介質,以提高有機質的含量和土壤的總體肥力。準備用作添加劑的堆肥是深褐色或甚至黑色,具有泥土氣味[12]

一般來說,由於乾燥速度和可能抑制萌發的植物毒素的存在[13][14][15],不建議直接播種到堆肥中,並且可能由不完全分解的木質素引起的氮的結合[5]。非常常見的是20-30%的堆肥混合物被用於在子葉階段或以後的移栽幼苗。

例子[編輯]

埃德蒙頓堆肥設施

世界各地許多城市都使用大型堆肥系統。

  • 世界上最大的城市固體廢物共同堆肥(MSW)是加拿大艾伯塔省埃德蒙頓埃德蒙頓堆肥設施英語Edmonton Composting Facility,每年將22萬噸住宅固體廢物和22,500干噸生物固體轉化為80,000噸堆肥。該設施面積為38,690 m²(416500平方英尺),相當於4½加拿大式足球場,其運營結構是北美最大的不鏽鋼建築,規模為14個NHL溜冰場。
  • 2006年,卡達授予吉寶企業子公司旗下的吉寶Seghers新加坡公司275,000噸/年無氧消化和堆肥廠的合同,該公司是瑞士Kompogas (德語)許可的。該工廠擁有15個獨立的厭氧消化池,將在2011年初全面投產後成為世界最大的堆肥設施,並成為卡達國內固體廢物管理中心的一部分,這是中東最大的綜合廢物管理綜合體。
  • 倫敦的邱園(Royal Botanic Gardens, Kew)是歐洲最大的非商業堆肥堆之一。

歷史[編輯]

堆肥籃

堆肥作為公認的做法至少可以追溯到早期的羅馬帝國,早在老加圖公元前160年的《農業文化英語De Agri Cultura》一書中被提及[16]。傳統上,堆肥涉及堆放有機材料,直到下一個種植季節為止,此時材料已經腐爛到足以在土壤中使用。這種方法的優點是從需要很少的工作時間或努力,並且在溫帶氣候中自然適應農業實踐。缺點(從現代的觀點來看)是,這個空間是一整年被使用的,一些營養物質可能因暴雨而被浸出,致病的生物和昆蟲可能沒有得到充分的控制。

堆肥從1920年代開始被有些現代化,在歐洲作為有機農業的工具[17]。城市有機材料轉化為堆肥的第一個工業基地是在1921年在奧地利威爾斯成立的[18]。早期頻繁引用農業中堆肥的引用方式是德語世界的魯道夫·斯坦納(Rudolf Steiner),他是一種被稱為生物動力農法的耕種方法的創始人。

相關條目[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ Composting for the Homeowner - University of Illinois Extension. Web.extension.illinois.edu. [2013-07-18]. 
  2. ^ Radovich, T; Hue, N; Pant, A. Chapter 1: Compost Quality. (編) Radovich, T; Arancon, N. Tea Time in the Tropics - a handbook for compost tea production and use (PDF). College of Tropical Agriculture and Human Resources, University of Hawaii. 2011: 8–16. 
  3. ^ Haug, Roger. The Practical Handbook of Compost Engineering. CRC Press,. [2015-10-26]. 
  4. ^ Klickitat County WA, USA Compost Mix Calculator 網際網路檔案館存檔,存檔日期2011-11-17.
  5. ^ 5.0 5.1 The Effect of Lignin on Biodegradability - Cornell Composting. cornell.edu. 
  6. ^ Chapter 1, The Decomposition Process. aggie-horticulture.tamu.edu. [2016-07-11]. 
  7. ^ How to Make Compost at Home. asthegardenturns.com. [2016-07-11]. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Composting - Compost Microorganisms. Cornell University. [2010-10-06]. 
  9. ^ A Brief History of Solid Waste Management 網際網路檔案館存檔,存檔日期2007-12-27.
  10. ^ Preventing Contaminants in Home Compost Piles. [2012-06-16]. 
  11. ^ Dougherty, Mark. (1999). Field Guide to On-Farm Composting. Ithaca, New York: Natural Resource, Agriculture, and Engineering Service.
  12. ^ Healthy Soils, Healthy Landscapes
  13. ^ Morel, P.; Guillemain, G. Assessment of the possible phytotoxicity of a substrate using an easy and representative biotest. Acta Horticulture. 2004, 644: 417–423. 
  14. ^ Itävaara et al. Compost maturity - problems associated with testing. in Proceedings of Composting. Innsbruck Austria 18-21.10.2000
  15. ^ Aslam DN, 等. Development of models for predicting carbon mineralization and associated phytotoxicity in compost-amended soil.. Bioresour Technol: 8735–41. PMID 18585031. doi:10.1016/j.biortech.2008.04.074. 
  16. ^ Cato, Marcus. 37.2; 39.1. De Agri Cultura. 160BC. 
  17. ^ History of Composting. illinois.edu. [2016-07-11]. 
  18. ^ Welser Anzeiger vom 05. Januar 1921, 67. Jahrgang, Nr. 2, S. 4

生物氣體

生物氣體

堆肥製造生物氣體的方式
「生物氣體」的各地常用別名
臺灣 生物氣體、沼氣、
生物沼氣、生質氣體[1][2]
港澳 生物氣體、沼氣[3]

生物氣體英語:Biogas,亦稱生化氣體生質氣體),泛指包括糞肥污水都市固體廢物及其他生物可降解有機物質,在缺氧環境下,經發酵或者無氧消化過程所產生的氣體,這些氣體主要包含甲烷二氧化碳,視環境而定又被稱為沼氣生物沼氣掩埋沼氣英語Landfill gas[4]

無氧消化[編輯]

無氧消化」是處理可降解廢物的方法之一,由於這個方法產生出的沼氣可作為有用燃料,同時又可以將導致疾病的病原體消滅,又因為燃燒甲烷比燃燒更清潔,二氧化碳排放量低,因此這個方法頗為流行。甲烷本身也是溫室氣體之一,且它的全球變暖潛能也比二氧化碳高,因此生物氣體的收集在廢物管理中,扮演了重要角色。如果把這些氣體放回大氣中,這些氣體中的碳成份會被植物吸收進行光合作用,且不會比燃燒化石燃料釋出更多碳元素。

在近幾年,不少已開發國家均有擴展採用經收集污水及垃圾堆填區,及經機械生物處理英語Mechanical biological treatment的家居廢物所得的的生物氣體作燃料,同時又因為能源價格高企、再生能源補貼及歐盟管制堆填區的使用,更進一步推動生物氣體的應用。

掩埋沼氣[編輯]

掩埋場的廢物深埋在地底,在地底的缺氧環境下,這些有機廢物會給降解,產生掩埋沼氣英語Landfill gas,並會慢慢釋出。如不妥善處理,這些氣體會構成的危險包括:

主要成份[編輯]

Typical composition of biogas
成份 化學式 %
甲烷 CH4 50–75
二氧化碳 CO2 25–50
N2 0–10
H2 0–1
硫化氫 H2S 0–3
O2 0–0.5
來源: www.kolumbus.fi, 2007[5]

沼氣的組成根據底物組成以及厭氧反應器內的條件(溫度,pH和底物濃度)而變化。

生物氣體與天然氣[編輯]

生物氣體只要經過淨化,其特性便能與天然氣無異,氣體供應商需去除生物氣體中的水份、硫化氫及微粒等雜質,為求使氣體更能完全燃燒,供應商會減少氣體中的二氧化碳含量。未經上述淨化程序處理的氣體有時會與天然氣混合燃燒。當生物氣體淨化至能作管道運輸的質素後,這些氣體便稱之為可再生天然氣英語Renewable natural gas

可再生天然氣的應用[編輯]

這些經淨化的氣體在應用上也與天然氣無異,包括發電、爐具等,而經壓縮的氣體也能成為壓縮天然氣的代替品,可用在汽車的內燃機燃料電池上。

應用實例[編輯]

瑞典一輛使用生物氣體燃料的巴士
德國一個附設生物氣體廠的農場

英國第一部以人類排泄物廚餘處理後而成的生物燃料公車英語Bio bus於2014年11月20日首次上路,具低碳排放英語Low-carbon emission效益。五個英國成人的年排泄物與廚餘可製造約一個油箱的生物甲烷,足以供公車行駛約186英里的距離。[6][7][8]

參閱[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ biogas - 沼氣 - 國家教育研究院雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網
  2. ^ biogas - 生物氣體 - 國家教育研究院雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網
  3. ^ 渠務署 - 可再生能源
  4. ^ 遠見雜誌 - 前進的動力:未來能源產業1.Biogas 在汙水、牛糞裡挖鑿「石油」
  5. ^ Basic Information on Biogas 網際網路檔案館存檔,存檔日期6 January 2010., www.kolumbus.fi. Retrieved 2.11.07.
  6. ^ UK's first 'poo bus' goes into service between Bristol and Bath. 布里斯托: BBC News. 2014-11-20 [2016-01-05] (英語). 
  7. ^ 黃貞貞. 便便變油料 英首部公車上路. 國際新聞 (中央社). 2014-11-21 [2016-01-05]. (原始內容存檔於2014-11-21) (中文(繁體)‎). 
  8. ^ 黃貞貞(中央社). 果然是「黃金」!英國便便油料公車上路. 即時新聞 - 國際 (倫敦: 聯合新聞網). 2014-11-21 [2016-01-05]. (原始內容存檔於2014-11-21) (中文(繁體)‎). 

外部連結[編輯]

生物燃料

生物燃料

甘蔗可以用來生產酒精(即乙醇)。
世界上最肥沃的耕地
生物燃料公車
巴西酒精汽油加油站

生物燃料英語:Biofuel)、生質燃料生態燃料,泛指由生物質組成或萃取而成的固體、液體或氣體。生物質可以用三種不同的轉化方法轉化為易於利用、含有能量的物質,包含:熱轉化,化學轉化,和生物化學轉化。此生物質轉換可能會產生固體液體氣體的形式,而這種新的生物質可用作生物燃料。所謂的生物質係指有機活體或者有機活體新陳代謝的產物,例如牛糞。不同於石油煤炭核能等傳統燃料,這種新興燃料是可再生燃料。因為油價上漲和能源安全的需要,生物燃料越來越受歡迎。然而,根據歐洲環境署,生物燃料並不一定能減緩全球暖化[1]

生物燃料其中一種定義是「至少80%的體積是由十年內生產的有機活體物質提煉出的燃料。」

生物柴油是由植物油和動物脂肪製成。純的生物柴油可以被作為車輛燃料,但它通常是作為柴油的添加劑,以降低柴油車輛排放的微粒,一氧化碳類。生物柴油是油或脂肪經由酯交換反應生成的,在歐洲是最常見的生物燃料。

2010年,全球生物燃料產量達到1050億公升(280億美制加侖),較2009年增長17%。[2]生物燃料提供世界上道路交通燃料的2.7%,其中主要是乙醇生物柴油。全球燃料乙醇的生產在2010年達到了860億公升(230億美製加侖),其中美國巴西為世界上產量最多的生產者,佔全球產量的90%。世界上最大的生物柴油生產者是歐盟,佔2010年生物柴油總生產的53%。[2]國際能源署有一個目標,到2050年用生物燃料滿足超過全球需求運輸燃料的四分之一,以減少對石油和煤炭的依賴。[3]

來源[編輯]

專門培植為生物燃料原料的作物,有主要在美國出產的玉米黃豆;主要在歐洲亞麻籽油菜籽巴西甘蔗東南亞椰子油工業農業林業、一般家庭製造出可生物分解的產物都可以作為原料,例如:稻草、麥梗、稻糠、木薯木材糞便、廢水和廚餘等。這些原料經由無氧消化轉換為生化氣體。製成燃料的生物質,其原料常常是一些未被充分使用的廢棄物,像稻秣與動物廢棄物。至於木材與草的品質並不直接影響能量產生的多寡。

現在有許多科學家開始研究使用藻類藍菌做為另一種生物燃料的原料,應用的層面包括生質柴油甲醇乙醇甲烷,甚至氫燃料。以大麻做為原料的研究也在增加,但大麻的研究還得面對法律方面的問題(為了避免毒品問題而對大麻種植的限制)。巨皇草收成快體積大,燃燒時與煤炭的能量比為5:3所以5噸可以取代3噸煤炭,另外該草不必像生物柴油一樣經過提煉過程為液態才能使用,簡單加工後可以直接燃燒,適用經濟較貧困的地區或低成本產業,所以巨皇草已經被列為尖端抗暖化措施在進行研究。

在一些工業化的國家,例如德國,因為一般燃料的課稅比食物的高,所以由每單位食物產生能量的價錢較用一般燃料便宜。

演進[編輯]

早在發現火以來,人類就開始將生物燃料作取暖和煮飯用。當電被發現後,生物燃料原本將被大量用能源生產。然而石化燃料煤炭石油天然氣被大量發現與其應用技術的發展,使得生物燃料在能源、交通運輸等方面的功能被世人所忽略。

液態生物燃料的應用始於早期的汽車工業。內燃機的發明者,德國的尼古拉斯·奧托(Nikolaus Otto),計畫用乙醇做為這項發明的燃料。柴油引擎的發明者,德國的魯道夫·狄塞爾(Rudolph Diesel),打算拿花生油做為它的燃料。由亨利·福特發明的福特T型車,完全使用乙醇為燃料。但是,在賓州與德州的油田被發現後,石油變得很便宜也極易取得,於是汽車便開始改用汽油柴油

難題[編輯]

為了種地而燒荒拓墾,可能排放許多的二氧化碳,需要數十年甚至數個世紀的生物燃料才能補償。為了製造及運輸生物燃料也會產生污染、二氧化碳排放及使用水資源、化學肥料。在地生產使用生物燃料可以減少這些問題,但是就算在地生產,有些生物燃料在環保上可能還是不值得,例如有研究顯示、一些已經量產的生質酒精其實是高污染燃料。在經濟上也可能不值得,例如玉米酒精比化石燃料製造出更多的碳及污染排放。

為了生產生物燃料,許多土地被改為農地,尤其是開發新的農地也會破壞生態。由於生物燃料的需求增加,在有些第三世界國家的農民,可能把原本用來生產糧食作物的土地,拿來種植能源作物,減少糧食作物的生產。生物燃料的大量使用也造成糧食價格上漲,並威脅貧窮人口的生存。


未來發展[編輯]

未來藻類(例如海藻)來生產生質柴油會是發展方向之一,藻類生質燃料生產效率高,不需使用耕地也能減輕生質能源可能對農產品價格的影響。不過,技術上還需一些突破,藻類生質燃料成本較高,部份藻類是基因改造品種,預防這類藻類混入生態系統也是個課題。[4][5][6]

痲瘋樹(又名桐油樹)可用於生產生物燃料,這些作物可生長在不適於糧食作物生長的荒地、幾乎不需施肥,其種子亦不可食用,對糧食生產影響更小。但就算能源作物本身不可食、也可以在不食之地種植,但是還是有減少糧食生產的可能。採用廢棄食用油來生產生質柴油不會佔用食物來源,被認為是目前真正值得推廣的生物燃料,但是廢油中含有許多無用物質,會增加生產問題。纖維素乙醇是採用人體無法消化的部位,因此比較不會降低糧食生產,也可以減少新農地的需求,但是由於植物的細胞壁(纖維素主要存在的位置)構造相當複雜,且含有許多不同物質,因此以現在的技術來說,生產成本較高;此外,農業廢棄物同時也是一種良好而且重要的有機肥料,因此纖維素乙醇的大量使用也是有環保上的疑慮。

纖維酒精也有不需額外耕地也不會跟現有糧食競爭的優點。核能研究所為配合台灣能源政策,2006年起積極發展第二代生質燃料英語Second-generation biofuels之一-纖維酒精之生產技術,以全球及亞洲地區產量最為豐富的農業廢棄物稻稈為研究起點,2007年建立國內第一座實驗型纖維酒精程序研發設施,2009年建置日處理1噸纖維原料之噸級測試廠,並設有電力、蒸汽及水處理等完整公用設施。此測試廠除作為國內、外開發纖維酒精製程、生物酵素與發酵菌株之平台外,其所發展之纖維酒精量產技術亦可為國內商轉廠設計、能源效益及生產成本評估之基礎。未來測試廠將由纖維酒精發展為生物精煉技術平台,成為台灣研究生質精煉之重鎮,並朝向石化產業高值化之發展邁進。(資料來源:核能研究所100年度-新能源與再生能源科技研究成果年報)。[7]

美軍已經決定大量採用藻類生質燃料取代部份航空煤油

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

引用[編輯]

來源[編輯]

期刊

外部連結[編輯]

生質柴油

生質柴油

生質柴油Biodiesel),是用未加工過的或者使用過的植物油以及動物脂肪通過不同的化學反應製備出來的一種被認為是環保生質燃料。這種生物燃料可以像柴油一樣使用。[1][2]

製程[編輯]

生質柴油製程

生產生質柴油分別為酯交換反應氫化裂解、不使用催化劑的超臨界方法、e-柴油、高溫分解、微乳狀液等方法。生質柴油最普遍的製備方法是酯交換反應。由植物油和脂肪中佔主要成分的甘油三酯(一般是甲醇)在催化劑存在下反應,生成脂肪酸酯英語fatty acid ester。脂肪酸酯的物理和化學性質與柴油非常相近甚至更好。

酯交換反應是將植物油和甲醇乙醇混合,生成脂肪酸酯,即生質柴油。催化劑可以是,也可以是,但是由於鹼催化的轉化率更高(>98%),若要提高為98%轉化率必需二級反應以上,通常一級反應酯化率在98%以下,而且常壓反應,沒有中間步驟,對設備的要求也低,因此一般是採用鹼催化反應。

回鍋油、廢棄食用油轉化
  • 利用微波加熱,加入3~4%的甲醇做為催化劑,以固態氧化鍶為觸媒,將5公升廢食用油轉化成3公升生質柴油以及2公升甘油,耗電量僅0.3度,約1.2新台幣。至於氧化鍶觸媒為固態性質,可以重複使用,沒有二次污染問題。[3][4][5][6]

歷史[編輯]

1853年,兩個化學家E達菲(E. Duffy)和J.派屈克(J. Patrick),第一次試驗成功將植物油酯交換製造肥皂。[7]

西元1876年德國工程師魯道夫·狄塞爾(Rudolf Diesel)發明了柴油引擎,最初使用花生油當燃料,但花生油成本太貴,難以與汽油競爭,後來便使用石化柴油做為燃料。用油脂來做為現今柴油引擎的燃料會遇到一個問題,油脂的黏度太高難以噴成細霧狀使用,1990年後開始使用轉脂化技術將高黏度的油脂轉化為低黏度的單鏈脂肪酸甲酯,做為柴油引擎的原料使用,因此各國皆開始利用為加工過的油脂或者是廢棄的油脂經煉成生質柴油。[8][9][10]當時,為紀念該次活動,宣布8月10日為「國際生質柴油日」。[11][12]

原料[編輯]

生產生質柴油的原料往往根據各地區可以得到的原料種類不同而不同。實際產油效率和技術不同。下面列出了一些國家和地區所採用的主要原料:

從原理上說,未經加工的植物油只能在柴油發動機裡短期直接使用。這是由於植物油含有飽和度不同的物質而會使柴油發動機上的潤滑油發生聚合。而且植物油和柴油分子結構不同,這也可能造成霧化不良、燃燒不完全、噴嘴英語Nozzle堵塞等問題。

產油效率[編輯]

原料每畝產油效率(收率)引向原料以後的工業化和市場化的可行性,因為產量必須能夠供應給整個國家或全世界。以下是現有技術所能夠出產的原料效率:

使用[編輯]

生質柴油一般不是直接作為燃料使用;而是與普通柴油混合使用。一個公認的經驗值是調和20%生質柴油(B20,參見B100。但是這個比例在使用有毒性成分的生質柴油時,可能會有爭議,例如非食品級的蓖麻油可能含有蓖麻毒素,如果燃燒不完全,可能導致安全性隱憂。因此在台灣採用98:2的低混合比[21]

生質柴油另一個環保優勢,是其可降低引擎廢氣排放。生質柴油幾乎「沒有含硫化物」,排放的廢氣自然也沒有硫化物。研究顯示如果用20%生質柴油的比例混合的話,柴油引擎NOx排放會增加2%,但微粒排放會降低15%,碳氫化合物排放會降低30%,一氧化碳的排放會降低20%,硫氧化合物的排放量會降低20%

如果生質柴油的來源是「回鍋油[22],可以減少餐廳換油成本,減少油炸用油的健康風險。以臺灣為例,大統長基公司2013年問題油品約140萬瓶油品,後續分別有2680公噸作為生質柴油(B2合成燃料、39公噸作為馬路標線用料及機械潤滑油[23]

一般認為,生質柴油的優點在於可以減少「一氧化碳等廢物」的排放量,而且運輸也比普通柴油安全。此外,研究發現,生質柴油的潤滑性能很高。有趣的是,調和5%以內可以提高潤滑性能,但是如果高於5%,潤滑性能卻不再增強。

生質柴油在製作時必須將酸價給控制在0.50mgKOH/g以下,酸價過高會有腐蝕性。


問題[編輯]

燃料、食物生產互斥[編輯]

雖然生質柴油的開發作為一種替代能源被業界看好,但是卻鮮有生產商業化的例子。這主要來自植物油的成本。植物油的採購、運輸、儲存以及提取佔了生質柴油生產的大部分成本。但是也有觀點認為,由於生產生質柴油,需要大量的植物油原料,因此勢必需要興建種植園,因而可以帶動相關的農業生產。

黏滯係數[編輯]

生質柴油也存在一些技術限制,不適應很多地區。由於它比普通柴油粘度高,因此在低溫下會降低可用性。如同雞湯、紅燒肉放到冰箱冷藏,油脂會凝結成白色黏稠狀,學術上的名詞就叫做「雲化」(cloud),凝結的溫度則叫做「雲點」(cloud point)。石油基柴油的雲點大約在攝氏零下15度,而100%生質柴油B100在攝氏零度時便會開始雲化,低溫時很容易堵塞汽車油路。在冬天使用生質柴油必須加入添加劑或者其他的保溫措施。而在濕熱環境下,長期儲存生質柴油還需要考慮到抑制微生物細菌的滋生。

能量值[編輯]

生質柴油另一個劣勢,是B100的蘊含能量比石油基的柴油燃料低11%,最大馬力輸出大約會減少5-7%。但這個差距並不大,如果是使用5%生質柴油更幾乎沒有差別。反而是生質柴油的黏性大於石油基柴油,對燃噴射料系統和引擎元件能提供較好的潤滑性,延長引擎系統壽命。許多車主指定使用B2柴油(2%生質柴油,98%石油基柴油),目的就是在幫助潤滑引擎。而前面提到美國小學生乘坐的這些大豆動力車,則是使用B5到B30的柴油。

開發成本[編輯]

為協助生質柴油的開發,在不少國家(如加拿大南韓等)都會投入生物科技工業園的發展,透過把相關物料的生產和開發的過程放在一起,以減低生質柴油的開發成本。

低溫膠化[編輯]

當生質柴油因環境溫度降低到某一程度以下時,油品中一些分子聚集並形成晶體。一旦晶體變得大於可見光波長的四分之一,油品出現混濁狀態的結晶溫度,通稱為「濁點」(cloud point,或稱「雲點」)[24]。例如,由牛油棕櫚油生產的生質柴油分別在16 °C(61 °F)和13 °C(55 °F)時凝結膠化[25]

油路堵塞及沈積物增生[編輯]

在台灣推廣生質柴油後,由於有車主反應使用B2生質柴油常有油路堵塞及引擎容易熄火的問題,加油站業者亦有油槽沈積物增生、加油機濾器阻塞之案例。

雖然還無法證實與生質柴油的製造或儲運過程還是與氣候或車主保養、加油站業者之管理有關,但2014年5月5日,經濟部仍決定公告修正「石油煉製業與輸入業銷售國內車用柴油摻配酯類之比率實施期程範圍及方式」,將強制添加生質柴油2%以上之命令,改為車用柴油得摻配酯類。從2014年5月起逐步停供B2生質柴油,以後待問題解決後再重新供應生質柴油。[26][27][28]

2014年10月,零售加油站及遊覽車業同聲反對恢復銷售及使用生質柴油,遊覽車公會全聯會則強調,使用近一年時間已發生過500多件行駛中熄火的傷害事件。[29][30][31][32]

道德及環保爭議性[編輯]

生質柴油的大量使用會讓許多原本生產食品的農地改種植經濟作物,很可能造成糧價上漲,威脅貧窮人口:而開墾新的農地則會破壞生態,而一些研究顯示,開墾新農地所製造的二氧化碳可以提供這塊農地上的作物吸收數十年,換句話說就是在環保上不值得。

可能避免負面效應的方法是採用痲瘋樹提供油脂(痲瘋樹生產的油脂有毒、不可食用),痲瘋樹不但產油效率佳,而且可以在貧瘠缺水的環境生存,換句話說就是可以利用無法種植作物的土地。但有些人認為就算是採用具有類似痲瘋樹特性的植物生產生質柴油,還是有降低糧食生產的可能性,因為有些第三世界國家的農民會在經濟利益的驅使下,將原本用來種植作物的土地給拿來改種痲瘋樹。另一種可行方案是種植辣木

利用廢棄物(例如廢油)生產生質柴油幾乎無環保及道德上的缺點;還可以減少商人使用回鍋油地溝油的誘因。但是回收廢油及廢油內部不純物仍然是問題。

未來發展[編輯]

未來可能利用藻類(如海藻)生產生質柴油,以增加生質能源效率,和減輕生質能源可能對農產品價格的影響。但除了技術上還需突破外,由於生產的藻類很可能是基因改造品種,因此預防這些藻類混入生態系統也是個課題。[33][34][35][36]

參看[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Hydrocarbon Processing, Feb., 2005
  2. ^ 汽車購買指南雜誌,2005年七月號,史丹福專欄。
  3. ^ 3.0 3.1 廢油變生質柴油 成大提新技術 頁面存檔備份,存於網際網路檔案館,2013年10月31日,中央通訊社,記者楊思瑞,台南,[1]
  4. ^ 4.0 4.1 廢食用油轉化生質柴油技術 成大團隊研發有成,2014年09月05日,陳惠珍,[2]
  5. ^ 5.0 5.1 廢食用油 可轉化生質柴油,2014年09月06日,洪榮志╱台南,[3]yahoo
  6. ^ 6.0 6.1 成大研發廢食用油轉化生質柴油 網際網路檔案館存檔,存檔日期2014-10-04.,2014年09月05日,聯合報,記者鄭維真,[4]
  7. ^ HISTORY OF BIODIESELS. 
  8. ^ Patrick Duffy: XXV. On the constitution of stearine. In: Quarterly Journal of the Chemical Society of London. 5, 1853, p. 303, doi:10.1039/QJ8530500303
  9. ^ Rob. Henriques: Über partielle Verseifung von Ölen und Fetten II. In: Zeitschrift für Angewandte Chemie. 11, 1898, p. 697–702, doi:10.1002/ange.18980113003.
  10. ^ [5],2014-10-18
  11. ^ http://www.daysoftheyear.com/days/biodiesel-day/
  12. ^ International Biodiesel Day 網際網路檔案館存檔,存檔日期2013-03-10.
  13. ^ DOE quoted by Washington Post in "A Promising Oil Alternative: Algae Energy"
  14. ^ Thomas F. Riesing, Ph.D. Algae for Liquid Fuel Production. Oakhaven Permaculture Center. Spring 2006 [2006-12-18]. [永久失效連結] Note: originally published in issue #59 of Permaculture Activist
  15. ^ Herer, Jack, "The Emperor Wears No Clothes", Ah Ha Publishing, 1985.
  16. ^ Klass, Donald, "Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals",page 341. Academic Press, 1998.
  17. ^ Kitani, Osamu, "Volume V: Energy and Biomass Engineering, CIGR Handbook of Agricultural Engineering", Amer Society of Agricultural, 1999.
  18. ^ 18.0 18.1 18.2 18.3 18.4 Biofuels: some numbers. [2008-08-07]. (原始內容存檔於2008-08-29). 
  19. ^ [www.ces.purdue.edu/extmedia/ID/ID-337.pdf Purdue report ID-337]
  20. ^ Biodiesel Yields Even Higher Energy Balance
  21. ^ 經濟部公告修正「石油煉製業與輸入業銷售國內車用柴油摻配酯類之比率實施期程範圍及方式」
  22. ^ 發展生質能源作物之展望[永久失效連結] - 農業生技產業資訊網 - 行政院,[6]
  23. ^ 大統問題油 變身千噸生質柴油,CNA,2014-09-22,ltn
  24. ^ 袁明豪; 陳奕宏. 蔡美瑛, 編. 生質柴油的冰與火之歌. 科技大觀園. 中華民國科技部. 2017-01-12 [2017-06-22]. 
  25. ^ Sanford, S.D., et al., "Feedstock and Biodiesel Characteristics Report," Renewable Energy Group, Inc., www.regfuel.com (2009).
  26. ^ [7],2014-10-12
  27. ^ 存檔副本. [2014-10-29]. (原始內容存檔於2014-10-29). ,2014-10-12
  28. ^ http://web3.moeaboe.gov.tw/ECW/populace/Law/Content.aspx?menu_id=1078
  29. ^ [8],2014-10-21
  30. ^ [9],2014-10-22
  31. ^ 存檔副本. [2014-10-29]. (原始內容存檔於2014-10-29). ,2014-10-22
  32. ^ [10],2014-10-22
  33. ^ 豐田研發海藻作優質生物燃料, 亞洲時報
  34. ^ 復旦大學:海藻滸苔可望提煉出生物油,中國經濟網
  35. ^ 首架純生物燃料飛機歐洲試飛 完全採用海藻生物燃料[永久失效連結], 大公報
  36. ^ [11],2014-10-12,[12][13]

外部連結[編輯]

甲烷

甲烷

甲烷
IUPAC名
  • Methane[1](substitutive)
  • Tetrahydridocarbon[1] (additive)
別名
  • 碳烷(英語:Carbane
  • 碳化氫
識別
CAS號 74-82-8  ✓
PubChem 297
ChemSpider 291
SMILES
Beilstein 1718732
Gmelin 59
3DMet B01450
UN編號 1971
EINECS 200-812-7
ChEBI 16183
RTECS PA1490000
KEGG C01438
MeSH Methane
性質
化學式 CH4
莫耳質量 16.04 g·mol−1
外觀 無色氣體
氣味 無味
密度 0.697 g/L (gas, 27 °C, 1.8 atm)
0.716 g/L (gas, 0 °C, 1 atm)
0.42262 g cm−3
(liquid, -186 °C)[2]
熔點 -182 °C(90.7 K)
沸點 -161 °C(111.66 K)
溶解性 22.7 mg L−1
溶解性 溶於乙醇, 乙醚, , 甲苯, 甲醇, 丙酮
log P 1.09
kH 14 nmol Pa−1 kg−1
結構
分子構型 正四面體
偶極矩 0 D
熱力學
ΔfHmo298K −74.87 kJ mol−1
ΔcHmo −891.1 to −890.3 kJ mol−1
So298K 186.25 J K−1 mol−1
熱容 35.69 J K−1 mol−1
危險性
警示術語 R:R12
安全術語 S:S2, S16, S33
歐盟分類 極易燃 F+
GHS危險性符號
《全球化學品統一分類和標籤制度》(簡稱「GHS」)中易燃物的標籤圖案
GHS提示詞 DANGER
H-術語 H220
P-術語 P210
NFPA 704
NFPA 704.svg
4
2
0
 
爆炸極限 4.4–17%
相關物質
相關烷烴、氫化物 乙烷丙烷甲矽烷甲鍺烷
相關化學品 甲醇一氯甲烷甲酸甲醛
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

甲烷(化學式:CH4;英文:Methane),是結構最簡單的烷類,由一個原子以及四個原子組成。它是最簡單的烴類也是天然氣的主要成分。甲烷在地球上有很高的相對豐度,使之成為很有發展潛力的一種燃料,但在標準狀態下收集以及存儲氣態的甲烷是一個十分有挑戰性的課題。

在自然狀態下,甲烷可以在地底下或者海底找到,而大氣中也含有甲烷,這些甲烷稱為大氣甲烷[4]。在原始大氣中,甲烷是主要成分之一。自1750年以來,地球大氣中的甲烷濃度增加了約150%,造成的全球暖化效應並佔總長壽命輻射以及全球所有溫室氣體的20%(不包括水蒸氣[5]。在太空中,不少星體的表面和大氣中也有甲烷。

甲烷的結構是由一個碳和四個氫原子透過sp3混成的方式化合而成,並且是所有烴類物質中,含碳量最小,且含氫量最大的碳氫化合物,因此甲烷分子的分子結構是一個正四面體的結構,碳大約位於該正四面體的幾何中心,氫位於其四個頂點,且四個碳氫鍵的鍵的鍵角相等、鍵長等長。標準狀態下的甲烷是一種無色無味的氣體[6]。一些有機物在缺情況下分解時所產生沼氣主要成分就是甲烷。

歷史[編輯]

1776年11月,義大利物理學家亞歷山卓·伏打(Alessandro Volta, 1745年2月18日-1827年3月5日)根據班傑明·富蘭克林(Benjamin Franklin 1706年1月17日-1790年4月17日)關於「可燃空氣」的論文,在瑞士馬焦雷湖(Lago Maggiore)中發現了甲烷[7]。伏打在沼澤中收集冒出來的的甲烷,直到1778年成功分離出純的甲烷氣體[8],他還利用電火花裝置成功點燃甲烷氣體確定了甲烷的可燃性[8]

分子性質[編輯]

甲烷分子是一種正四面體分子,有四個等價的碳氫鍵。其分子結構是由碳跟氫的價軌域重疊所形成的分子軌域構成,最低能量的分子軌域為的2s軌域上的碳與同相組合的1s軌域上的四個氫原子的重疊的結果,而能量稍微高一點的由三個分子軌域重疊的結果,即氫原子的一個s軌域電子和三個碳原子p軌域電子重疊形成一個σ軌域,更精確的說法是,發生混成而形成了sp3混成軌域。這種化合方式與實際觀測到的甲烷光譜吻合。

常溫常壓下的甲烷是一種無色無味的氣體[6]。家用天然氣的特殊味道,是為了安全而添加的人工氣味,通常是使用甲硫醇乙硫醇。在一大氣壓力的環境中,甲烷的沸點是−161 °C[9]。甲烷是一種十分容易閃燃甚至會爆炸的氣體,只要空氣中甲烷含量在4.4-17%的範圍內就很容易起火或爆炸。

目前已知有九種不同的固態甲烷晶體結構[10]。若在常壓下將甲烷降至甲烷的冰點會形成甲烷一(英語:methane I)的晶體結構,這種晶體結構屬於立方晶系空間群為Fm3m。由於氫原子的位置在甲烷一晶格中是不固定的,即甲烷分子可以自由轉動。因此,它是一個可塑性晶體英語Plastic_crystal[11]

甲烷是天然氣的主要成分,約佔了87%,液化的甲烷不會燃燒,除非在高壓的環境中(通常是4~5大氣壓力)。

可能對健康造成的影響[編輯]

甲烷並非毒氣;然而,其具有高度的易燃性,和空氣混合時也可能造成爆炸。甲烷和氧化劑鹵素或部份含鹵素之化合物接觸會有極為猛烈的反應。甲烷同時也是一種窒息氣體英語Asphyxiant gas,在密閉空間內可能會取代氧氣。若氧氣被甲烷取代後含量低於19.5%時可能導致窒息。當有建築物位於垃圾掩埋場附近時,甲烷可能會滲透入建築物內部,讓建物內的居民暴露在高含量的甲烷之中。某些建築物在地下室設有特別的回復系統,會主動捕捉甲烷,並將之排出至建築物外。

來源[編輯]

甲烷是天然氣的最主要成分,是很重要的燃料;同時也是溫室氣體:其全球變暖潛能為21(即它的暖化能力比二氧化碳高二十一倍)。主要來源有:

製取[編輯]

實驗室常用醋酸鈉鹼石灰共熱製取甲烷:

CH3COONa + NaOH → CH4↑ + Na2CO3

化學反應[編輯]

甲烷主要化學反應是:燃燒蒸汽重整合成氣、以及鹵化反應。在一般情況下,甲烷的反應是很難控制。甲烷可以氧化成甲醇,但一般來說要完成這個化學反應時十分困難的,因為在一般情況下甲烷的氧化反應產物通常是二氧化碳與水,即使氧氣不足也很難產生甲醇。但是若在酵素的協助下就能輕易地完成此氧化反應,例如甲烷單加氧酶英語Methane monooxygenase,但產量無法達到工業生產的規模[13]

反應性[編輯]

由於甲烷中碳原子與氫原子間的化學鍵為較穩定的σ鍵,化學性質比較穩定,因此甲烷能參與的反應較其他有機物少。

燃燒[編輯]

甲烷的燃燒熱約為 55.5 MJ/kg [14]。甲烷的燃燒是一個多步反應。下面的反應式是過程的一部分,與所述淨結果是: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (ΔH = −891 k J/mol)

  1. CH4+ M* → CH3 + H + M
  2. CH4 + O2 → CH3 + HO2
  3. CH4 + HO2 → CH3 + 2 OH
  4. CH4 + OH → CH3 + H2O
  5. O2 + H → O + OH
  6. CH4 + O → CH3 + OH
  7. CH3 + O2 → CH2O + OH
  8. CH2O + O → CHO + OH
  9. CH2O + OH → CHO + H2O
  10. CH2O + H → CHO + H2
  11. CHO + O → CO + OH
  12. CHO + OH → CO + H2O
  13. CHO + H → CO + H2
  14. H2 + O → H + OH
  15. H2 + OH → H + H2O
  16. CO + OH → CO2 + H
  17. H + OH + M → H2O + M*
  18. H + H + M → H2 + M*
  19. H + O2 + M → HO2 + M*

加熱分解[編輯]

在隔絕空氣的條件下加熱到將近1000℃,就開始分解;加熱時間較長,到1500℃左右,分解接近完全。

CH4C + 2H2

鹵素的化學反應[編輯]

當甲烷與在黑暗中混合時,兩者不會產生化學反應,如果把混合物加熱或以紫外光照射,以下反應(取代反應)會發生:[15]

CH4 + Cl2CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2CHCl3 + HCl
CHCl3 + Cl2CCl4 + HCl

反應的產物含有此四種氯化甲烷,由上至下四種產物名稱分別為:一氯甲烷二氯甲烷三氯甲烷四氯甲烷四氯化碳),四者的比例視甲烷與氯的比例。 甲烷可與產生類似反應。甲烷與的反應十分猛烈,如果先用稀有氣體稀釋兩者才在特定的儀器內進行反應,也可得出類似反應。甲烷與不會直接產生反應,可以用溴化碘等代替進行碘化。

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 methane (CHEBI:16183). Chemical Entities of Biological Interest. UK: European Bioinformatics Institute. 2009-10-17 [2011-10-10]. 
  2. ^ Gas Encyclopedia. [2013-11-07]. 
  3. ^ NOAA Office of Response and Restoration, US GOV. METHANE. noaa.gov. 
  4. ^ Khalil, M. A. K. Non-Co2 Greenhouse Gases in the Atmosphere. Annual Review of Energy and the Environment. 1999, 24: 645. doi:10.1146/annurev.energy.24.1.645. 
  5. ^ Technical summary. Climate Change 2001. United Nations Environment Programme. 
  6. ^ 6.0 6.1 Hensher, David A. and Button, Kenneth J. Handbook of transport and the environment. Emerald Group Publishing. 2003: 168. ISBN 0-08-044103-3. 
  7. ^ Volta, Alessandro (1777) Lettere del Signor Don Alessandro Volta … Sull' Aria Inflammabile Nativa delle Paludi [Letters of Signor Don Alessandro Volta … on the flammable native air of the marshes], Milan, Italy: Giuseppe Marelli.
  8. ^ 8.0 8.1 Methane. BookRags. [2012-01-26]. 
  9. ^ Methane Phase change data. NIST Chemistry Webbook.
  10. ^ Bini, R.; Pratesi, G. High-pressure infrared study of solid methane: Phase diagram up to 30 GPa. Physical Review B. 1997, 55 (22): 14800–14809. doi:10.1103/physrevb.55.14800. 
  11. ^ Kristallgitter. paarpraxis-rheinmain.de. 2015-02-26. 
  12. ^ Miller, G. Tyler (2007). Sustaining the Earth: An Integrated Approach. U.S.A.: Thomson Advantage Books, ISBN 978-0-534-49672-2, p. 160.
  13. ^ Baik, Mu-Hyun; Newcomb, Martin; Friesner, Richard A.; Lippard, Stephen J. Mechanistic Studies on the Hydroxylation of Methane by Methane Monooxygenase. Chemical Reviews. 2003, 103 (6): 2385–419. PMID 12797835. doi:10.1021/cr950244f. 
  14. ^ Energy Content of some Combustibles (in MJ/kg). People.hofstra.edu. Retrieved on March 30, 2014.
  15. ^ March, Jerry. Advance Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms and Structure. New York: McGraw-Hill Book Company. 1968: 533–534.