陳致豪、黃亭維、李昱碩、游文岳 / 台灣大學化學工程學系
背景
科技的日新月異使人類生活更為便利，但隨之而來的環境危機已是不可忽視且迫在眉睫的重點議題，日趨嚴重的氣候變遷和溫室效應頻繁地出現在人們日常生活中，提醒著環境保護的重要性。為了地球的永續發展，近年來已有許多政府和民間組織倡議積極運用可再生資源(Renewable Resource)，以降低我們對化石資源的依賴並達到淨零碳排的目標。生物質(Biomass)被視為重要的可再生資源之一，在其產生過程中，二氧化碳的吸收及排放形成了碳循環迴圈，因此有利於環境的永續發展。生物質可來自農林畜牧業廢棄物，其中又以農林廢棄物中的木質纖維素(Lignocellulose)為主要來源。生物質產量豐富，若能將其妥善使用作為工業生產的原物料，除了能夠解決相關廢棄物的處理難題，亦能減少化石資源的使用。值得注意的是，相對於化石資源，生物質衍生物往往具有較低的氫含量以及較高的氧含量，故其物理化學性質與化石資源迥異，而不易直接應用於現有的平台系統。近年來，生物質的環境友善處理及高值化研究已蔚為風潮，例如可用於調整生物質的氫氧碳比、使其更適合後續工業應用的加氫脫氧(Hydrodeoxygenation)程序即是其中一個重要的研究課題。
氫氣雖是工業上最廣為使用的氫化試劑，但其對生物質衍生物的氫化應用上有許多限制，如表一所示。生物質衍生物通常沸點高，而且加熱氣化時容易分解，故其高值化反應常是在液相溶液中進行。為了增加氫氣在液相溶液中的溶解度，往往需要較高的反應壓力，而因此提高了反應設備的安全需求。此外，氫氫在常壓常溫下係以氣體型式存在，在貯存和運送上較為不便。倘若能將工廠產生的餘氫或廢氫就近用來進行生物質轉化，或可避免氫氣貯存和運送的困難；然而，生物質多來自農林畜牧業，附近通常沒有工廠提供氫氣，使此方法較難實行。此外，氫氣分子活化分解成氫原子後氫化能力大幅提升，但產物的選擇性也因此而難以精準調控。
表一、生物質衍生物的傳統氫化與轉移氫化程序之比較
為了避免氫氣作為氫源所帶來的缺點，近年來使用有機液態氫源為生物質衍生物進行轉移氫化(Transfer Hydrogenation)的研究已受到廣泛關注。有機氫源如醇類及酸類等在常溫常壓下為液體，較氫氣利於運送和儲存。此外，由於有機氫源和生物質衍生物反應物互溶性較高，故可在相對溫和的反應條件下操作，設備需求也較低。與氫氣相比，大多數有機氫源的氫化能力較低，這也讓氫化反應的選擇性較能被控制。部分有機氫源，例如甲酸(HCOOH)亦可來自生質精煉程序(Biorefinery)，生產過程對環境造成的負面影響也低於石化精煉程序。
糠醛氫化的工業現況
生物質衍生物的種類多元，在此以由纖維素轉化而來的糠醛(Furfural; FF)作為範例進行討論。糠醛主要的原料為玉米芯、甘蔗渣、稻殼等農業廢棄物，其中以玉米芯為最主要的來源，約佔70%。2022年全球的糠醛市場大小約為5.6億美元，預計未來將持續成長；2023年到2030年的複合年均成長率(Compound Annual Growth Rate; CAGR)為7.0%。這是因為可再生產品日益受到矚目，致使糠醛的主要衍生物糠醇(Furfuryl Alcohol; FOL)需求量持續增加，進而造成糠醛的市場預期成長。統計資料顯示，在2021年有超過80%的糠醛被轉化為糠醇，其中大部分糠醇被用於製造糠醇樹脂，其主要在金屬鑄造中用於黏合模具砂以製備鑄造所需的模具。
圖一為糠醛在加氫脫氧程序中可能會發生的反應，如氫化、氫解(Hydrogenolysis)、脫羰(Decarbonylation)及環氫化(Ring Hydrogenation)與其相關產物，如糠醇、呋喃(Furan; FU)及2-甲基呋喃(2-methylfuran, MF)等。目前工業上糠醛氫化反應的方式主要係以氫氣進行氫化，例如比利時公司TransFurans (TFC)的製程為自玉米農業廢棄物萃取出的糠醛，以氫氣轉化為糠醇再製成溶劑或高分子， 年產能約四千億噸。另一家比利時公司Pennakem主要製程為將農業廢棄物轉化為各式---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。
圖一、糠醛加氫脫氧程序中可能的反應與相關產物