二氧化碳減量：二氧化碳的資源化利用
96/05/04
瀏覽次數
20182
劉文宗｜
財團法人工業技術研究院材料與化工研究所
地球暖化的主要因素
2006年1月，日本茨城大學的研究小組根據長年的觀察，預測溫室效應引發的海水暖化現象到了本世紀末，所造成全球接近地表的平均大氣溫度的提高及海平面的上升，會導致全球被海水淹沒的總面積總共達到171萬平方公里，相當於48個台灣大小的土地面積。地球上受到影響的總人口，也會多達5億3千萬人。
造成這種海平面上升，威脅人類生活與生命安全的現象，主要是溫室效應所引起的。產生溫室效應的直接原因，則是包含二氧化碳、甲烷等在內的溫室效應氣體，在大氣中的含量提高所致。其中，又以二氧化碳濃度的快速增加是溫室效應的主要原因。
100年前大氣中的二氧化碳有80％來自動、植物的呼吸，20％來自燃料的燃燒，散布在大氣中的二氧化碳，有75％被海洋、湖泊、河流，以及空中的降水吸收，而溶解在水中。還有5％的二氧化碳通過植物的光合作用，轉化成為有機物質貯藏起來。因此，大氣中的二氧化碳濃度，在過去很長的一段時間內是維持穩定的。
近幾十年來由於人口的急遽增加與工業的快速發展，大量使用煤炭、石油、天然氣等化石燃料燃燒產生的二氧化碳，遠遠超過過去自然形成二氧化碳的水準。加上對森林亂砍亂伐破壞植被，熱帶雨林的縮減，使得二氧化碳經由植物轉化成有機物的機會下降。此外，地表水域逐漸縮小，降水量大大降低，減少了吸收及溶解二氧化碳的條件，於是嚴重破壞了二氧化碳的生成與轉化的動態平衡，使得大氣中的二氧化碳含量逐年增加，也使地球表面的平均溫度發生了改變。
大氣中二氧化碳等溫室效應氣體，可以防止地表熱量輻射到太空中，而具有調節地球氣溫的功能。如果沒有二氧化碳，地球接近地表的年平均大氣溫度會比目前還低攝氏20度。例如，火星因為大氣層的稀薄，它的表面溫度在攝氏零下15度到5度之間。但是如果二氧化碳含量過高，就會使過多來自太陽的熱量儲存在大氣中，促使地表溫度逐漸升高，就形成現在令人憂心忡忡的「溫室效應」。
形成溫室效應的氣體，除了二氧化碳外，還有水蒸氣、臭氧、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等三十多種。有些溫室效應氣體是自然產生的，像水蒸氣便是一個典型的例子。
在過去的千萬年間，溫室效應氣體在大氣層中的生成和消耗是非常穩定的。然而工業革命以後，因為人為活動的增加，開始排放大量的溫室效應氣體，使得它們在大氣層中的濃度也急遽增加，造成強烈的「溫室效應」，而成為全世界注意的焦點。值得一提的是，雖然水蒸氣也是一種溫室效應氣體，但它不是人為活動產生的。
「溫室效應」增強後的直接影響就是地球溫暖化，這將使冰川和格陵蘭及南極上的冰塊融化，造成海平面上升。除此之外，因為大氣層雲量及環流的轉變，也使得全球各地的氣候出現異常，冬天更冷、夏天更熱，暴風雨、颱風的強度及範圍加大，洪水、乾旱出現的頻率也升高。
1997年12月在日本京都舉行的「聯合國氣候變化綱要公約」第3次締約國大會中，簽署了具有國際法律約束力的「京都議定書」，決議首先針對38個經濟合作與發展組織（OECD）會員國，限制他們的人為溫室效應氣體的排放。經過一番努力，「京都議定書」已經在2005年2月16日正式生效。
「京都議定書」規範如何減少包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫6種主要的人為溫室氣體的排放量，其中二氧化碳所造成的溫室效應，比其他5種溫室效應氣體大得多。在2008至2012年期間，這些人為溫室氣體的全球年平均排放量，必須削減到比1990年基準年的排放量還要少5.2％。
為了減緩溫室效應對人類的災害性影響，目前科技發達國家都耗費鉅資，從事如何使大氣中的二氧化碳濃度減緩或降低增加速率的研究。對於這個議題，主要有「隔離」和「資源化利用」兩種對策。
隔離的意義是從排放量大、濃度較高的固定排放源，利用吸收或吸附的技術提升二氧化碳的濃度，然後打入海底或地層內永久保存。資源化利用則是把得到的高濃度二氧化碳，當做一種原料或化學品來使用，使用它做成的材料或化學品可以替代其他的來源，也可以達到整體二氧化碳排放量下降的目的。其中，已有一些利用二氧化碳無毒的特性使用在各種用途上的例子。
二氧化碳的分子量是44.01，在大於5.1個大氣壓力的環境中，固態的二氧化碳在攝氏零下57度會融解成液態。它的正常沸點是攝氏零下78度，也就是說固態的二氧化碳在這個溫度以上及1大氣壓力下，會昇華成氣態的二氧化碳。同時，氣態二氧化碳的密度在攝氏25度是每立方公尺1.98公斤，比重是空氣的1.65倍。二氧化碳實際上是一種可以進一步利用的寶貴資源，它也已經被世界相關組織列為許多人類最親和的氣體中的一種。它在工業上的應用，本質上可以區分成物理和化學應用兩種。
二氧化碳的物理應用
物理上的應用是指在使用過程中，二氧化碳不會和其他物質反應，還是保持在分子的狀態，按純度的不同，可以分成工業級和食品級兩類。最常見到的食品級二氧化碳，就是日常生活中常飲用的可樂和汽水中的氣泡。它的原理是在加壓狀態下，把二氧化碳溶入水中，然後封瓶。一旦打開瓶蓋，由於壓力的降低，二氧化碳會迅速逸出，就形成許多上升的小氣泡。目前，飲料和啤酒行業是食品級二氧化碳最大的消費市場。
把二氧化碳冷卻到攝氏零下78度以下，就會形成乾冰，也就是固體的二氧化碳。乾冰會慢慢從固態直接昇華成氣態，這個過程會從外部吸收熱量，乾冰擁有優異的冰凍能力，1公斤的乾冰相當於2公斤的冰塊，在食品、蔬菜、水果和水產品的防腐保鮮上，使用相當普遍。另外，大家經常在電視節目中看到的白煙效果，主要也是用乾冰造成的。
二氧化碳超臨界萃取技術，是近年來普遍用在低溫下萃取天然物或熱敏性物質的一項優良技術。所謂熱敏性，是指在高溫下物質會分解或聚合，這種現象常見於中藥、食品、香料等材料。「超臨界」的意義正是指當化合物同時處在臨界溫度與臨界壓力以上時，液氣兩相的密度趨於一致，使兩相合併成一個均勻的超臨界相。超臨界二氧化碳具有對疏水性物質的溶解度高、擴散性好、黏度低、輸送容易、表面張力小、貫穿性佳等優點。
二氧化碳的臨界溫度是攝氏31.7度，與一般戶外溫度相近。臨界壓力是72.8個大氣壓力，容易達到。而且，二氧化碳本身無毒、無色、無臭、不具自燃性、不產生光化學反應，最適於用來代替傳統化學溶劑萃取活性物質。例如，德國已經成功利用超臨界二氧化碳萃取咖啡因、植物香精等。國內南緯實業公司也已經開發超臨界二氧化碳洗淨衣物的技術，可以替代化學乾洗劑；喬志亞生技公司則以超臨界二氧化碳萃取高濃度的芝麻素。
目前，有一項革命性的超臨界二氧化碳染色技術，也正在發展當中。它可以用來取代現有的高溫熱水染色技術，如果能開發成功，將不至於再產生大量污染的廢水，也會改變染整業是高污染產業的形象。
超臨界二氧化碳也可以用在塑膠材料的發泡上。發泡是指在塑膠的內部，運用特殊手段製造出無數的孔洞，使塑膠具有特定的性能，例如減低重量、具有緩衝性等。傳統上使用的是化學發泡劑，不管在生產過程中或使用時都有環保上的問題。
利用超臨界二氧化碳當發泡劑，完全沒有毒性，而且製造出的發泡材料具有質輕、可壓縮、可緩衝、絕緣、吸音、吸震、低介電常數等優點，可以廣泛應用在建材、食品包裝、工業包裝、汽車與航太工業、運動器材、鞋材及生醫材料上。這是相當看好的一種技術，然而目前的困難點是設備成本仍然偏高。
二氧化碳在物理上的應用，還有當做氣霧劑噴灑藥物或其他物質等。它也可以用作環保型滅火劑，在噴射滅火以後，不會污損器具設備，而且具電絕緣性，通常使用在通訊機器室、電腦房、冷凍倉庫等場所。
二氧化碳也有農畜產品保鮮的功能。「二氧化碳氣調保鮮」是指在儲藏蔬果的環境中，注入高濃度的二氧化碳來降低氧含量，以抑制蔬果中的生物呼吸，制止病菌滋長。研究發現用「二氧化碳氣調」貯藏荔枝，在攝氏1～3度的條件下，貯存30到40天以後，原有的新鮮度、光澤和風味都依然存在。
另外，把雞蛋放在30～60％的二氧化碳氣體中，二氧化碳會穿過蛋殼滲透到雞蛋內，延遲形成水樣蛋白的速率，達到保鮮的目的。二氧化碳也可以進一步用在糧食、水產及花卉的保鮮和防腐上。
二氧化碳的化學應用
顧名思義，二氧化碳的化學應用就是把二氧化碳和其他的化合物反應，製造出另外一種材料或化學品中間原料。因為牽涉到化學反應，二氧化碳在產品中已經不存在了。
生產尿素是最傳統的二氧化碳資源化利用，它的主要用途是提供土壤氮肥，是一種重要的肥料。尿素是由二氧化碳與氨在高壓環境下，利用觸媒反應而得。尿素是一種氮肥，也可以做為樹脂的原料，例如和甲醛進行縮合反應生成接醛樹脂，是木材加工中膠合板和人造板的膠黏劑。它與雙氧水反應會形成過氧尿素，在醫學上，是一種高效安全且方便的消毒劑。
做為不少高分子和紙漿添加劑的輕質碳酸鈣，也是使用二氧化碳為原料製成的，它是由二氧化碳和俗稱石灰水的氫氧化鈣反應而得到的。碳酸鈣的用途很廣，用在橡膠中，可以提升拉力強度；用在塑膠上，可以增進剛性、耐熱性及耐衝擊強度；用在紙張上，可以幫助改善顏色遮蔽性、印刷光澤等。碳酸鈉也是目前國際上用量最大的無機填充料。
二氧化碳主要來自於燃燒，如果能把二氧化碳經過化學或生物的手段，轉化成為能源，會是人類的一大福音，目前有不少的科學家從事這一方面的研究。主要難題是二氧化碳很穩定，反應性很差，因此需要提供能源使二氧化碳活化。這麼一來，有可能會發生製造過程產生的二氧化碳，比所消耗掉的二氧化碳還要多的現象。
由於二氧化碳是碳氫化合物經過氧化燃燒得到的產物，蘊藏在碳氫化合物中的能量，在燃燒後都已經釋放出來了。把二氧化碳製成能源產品，從能量平衡上來說，是不具經濟效益的。不過，如果能結合煙道氣中的熱能回收，直接利用高溫下的二氧化碳，並結合由再生能源的應用或廢棄物的再利用所提供的廉價氫氣，使二氧化碳經由氫化反應生成各種碳氫化合物，可能是一個可行的做法，這也是目前各國科學家戮力突破的課題。
目前，化學再利用的焦點是如何生成甲烷、二甲醚和甲醇，前兩者都是乾淨能源。二甲醚則因無毒、不含硫，燃燒性質與液化石油氣和柴油相近，且具有常溫下是氣體，稍微加壓就變成液體，容易儲藏運輸的特點，而被視成是非常具有潛力的新一代替代燃料。至於甲醇，則是另一種用途廣泛的化學品和能源原料。
不過，這種使二氧化碳能源化的夢想尚未能夠實現，主要的原因是具有經濟性和可靠性的高溫回收二氧化碳的技術及材料還在研發中。此外，利用化石原料反應得到氫氣的過程中，也會產生不少的二氧化碳，並不是良好的氫氣來源，除非是在生產另一種化學品時，氫氣是副產品。如果要利用再生能源得到原料中的氫氣，在10年內可能都還無法看到商業化的成果。換句話說，現階段氫氣仍是高價原料，而大大地限制了利用二氧化碳氫化反應做成各種化學品的經濟效益。
利用化學法由二氧化碳生產能源產品，還有一條漫長的路要走。然而生物法的應用，倒是非常引人注意。在1989年，日本出光興產公司中央研究所的生物化學科研小組，研發出一種從淡水藻類中提取出石油的技術。用二氧化碳餵食這種藻類，可以促使藻類迅速生長，而且因為光合作用的緣故，可以使藻類的內部蓄集石油。
在研究過程中也發現，這種藻類不僅對於二氧化碳的吸收率高，它們生成石油的能力也遠遠超過想像的程度，生成的石油不僅熱值高，且氮和硫的含量很少。他們樂觀地估計，日本因燃燒石油而排放的二氧化碳，每年大約有5億噸，如果能全部用來餵食這種藻類，便能生成2,000億公升的石油，這相當接近日本全年的原油進口量，是一項前景非常吸引人的投資。
我們常接觸的光碟片中，有些是利用二氧化碳當原料製造的。國內的奇美實業公司所生產光碟片的原料聚碳酸酯，就是由二氧化碳製成的碳酸二甲酯和其他化合物進一步反應而來的。碳酸二甲酯在1992年被歐盟列為無毒化學品，又因為它同時具有甲基、羰基、甲酯基，也是一種低污染的基礎化學原料，用途相當廣泛。同時，碳酸二甲酯也可以作為汽油添加劑，和一般鋰電池內部電解液的用途上。
目前，使用二氧化碳製造碳酸二甲酯的主要方法有兩種。第一種是經由與環氧乙烷或環氧丙烷反應，再和甲醇進行酯交換而來。目前這方法已經被工業化運用，國內由東聯公司生產，然後提供給奇美公司製造光碟片。另外一種方法是在高壓下，直接由二氧化碳與甲醇反應來生成。不過這種方法在觸媒的開發上遭遇到一些瓶頸，因此還沒有工業化。
用二氧化碳也可以製造出生物可分解的高分子聚合物。前一陣子環保署施行限制使用塑膠袋政策，就是因為由石化原料製成的高分子聚合物，也就是一般人通稱的塑膠，埋著不能腐化，燒掉又有產生有毒氣體的疑慮。因此鼓勵使用丟棄後對環境友好的可分解性塑膠材料。
1969年，日本的井上祥平教授首先發現二氧化碳可與環氧乙烷共聚生成脂肪族聚酯。這種聚酯具有全生物分解的性能，在堆肥環境下，1天到2個月內，可以全部降解變成對環境完全無害的物質。而且，這種材料不具結晶性，可以製造成透明薄膜、板材、管材等。此外，燃燒時只會產生二氧化碳和水，沒有毒性氣體。目前，已經有商業化的產品問世，主要用在丟棄型的包裝和醫療材料上。
人類由於過度燃燒化石原料，而造成大氣中的二氧化碳濃度急遽上升，這已經變成國際上不能忽視的問題。除了開發再生能源，鼓勵節約能源，減少化石燃料的使用量以外，把二氧化碳當做資源加以利用，也是值得推廣的事。
二氧化碳物理上的應用，像是製作碳酸飲料、乾冰，或是應用在超臨界流體技術上，多數已經被工業化運用。至於對消耗二氧化碳量比較大的化學應用，只有很少部分已經邁入工業化生產階段。目前，不少科學家正積極尋求可以提高二氧化碳使用率和降低能源消耗量的轉化技術，期待未來能夠使二氧化碳的產生量和消耗量至少達到平衡，使地球不致繼續暖化而威脅到人類的生活與安全。
