1115從綠色化學談科技和環境永續

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從綠色化學談科技和環境永續

大同大學化工系

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大綱

• 工業革命和科技所帶來的生活便利

• 石油與能源

• 科技發展帶來的環境問題與地球現今所面臨

的迫切問題

• 永續的環境如何打造?

(1)綠色化學 (2)綠色科技

2

(3)

工業革命和科技所帶來的生活便利

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4

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5

(6)

6

(7)

7

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石油與能源

(11)

石化產業(原油)

石化產業實際上就是民生工業之母。自

輕油裂解的化學原料，可以製作出許許

多多日常生活所需的產品。

化工技術將可以改善這些產品的製程，

提升產品品質，並降低製造成本，以造

福人類。

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(13)

•13

圖片來源:維基百科

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持續進步的石化/能源產品

歐洲車日本車美國車高級汽油高級柴油電/汽油混合車 12.3 km/L 電/柴油混合車 8.9 km/L 燃料電池 10.2 km/L CO 2 排放量, g/km 能源轉換率, % 50 5 10 15 20 25 30 100 150 200 250 300 350

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提供更乾淨的油品

原油

底部產品潤滑油石化．對二甲苯．碳氫化合物交通運輸燃料．汽油．柴油．燃料油　

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原油除重金屬脫硫油品升級輸送過程基因酵素工程精煉廠地底汽油柴油 CEP， July 2000，41～51

使用生物技術改善油品

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19

科技發展帶來的環境問題與

地球現今所面臨的迫切問題

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36.4 tons of hazardous or toxic waste were added to the world

https://en.wikipedia.org/wiki/Toxic_waste

危險有毒廢棄物的產生

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7.44 million barrels of fuel were consumed(U.S.)

(22)

http://e-info.org.tw/node/82324

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23

Traffic and air pollution

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環保署今發布 PM2.5納入空氣品質標準

2012年5月14日 PM2.5細懸浮微粒無所不在！除了最常見的工業、汽機車排放廢氣之外，一般民眾生活中的習慣，包括二手煙、烹調、都會製造PM2.5。世界衛生組織已經將空氣污染列為主要環境致癌物，而最危險的正是可以深入肺部深處的 PM2.5細懸浮微粒。 PM2.5的來源包含境外傳入、工業排放物、交通汙染等。 日常生活中，你可以這樣做： ・多搭乘大眾運輸工具。 ・汰換高汙染汽機車，並定期檢查。 ・祭拜時不燒金紙，「以功代金」。 ・減少放鞭炮。 ・不亂燒垃圾、雜物。 ・少吃燒烤食物、減少烹調用油。 ・選購環保標章產品。

(25)

海研五號執行環保署計畫:

「海域大氣粒狀污染物監測及傳輸模擬先導計畫」

APEC藍

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(27)

被霧霾包圍的北京市

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圕膠與人類的生活

全球合成樹脂大約達年產2億噸，日常生活圕膠製品

佔了32％，帄均每個人年使用量達30公斤，其中包裝

材料佔了41％，廢料的處理造成環境的巨大衝擊。

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圕膠廢棄物對環境的傷害：

「綠色和帄組織」–全球海洋中的圕膠垃圾漩渦危害到至少267種生物， 或因被纏住或吞食圕膠而危及生命或受傷。受影響生物百分比為： • 印度的牛隻，非洲的長頸鹿…誤食圕膠袋阻圔腸胃而致命。 • 圕膠焚燒產生熱量、二氧化碳、戴奧辛、飛灰造成傷害。

纏住

吞食

海龜

86%

海鳥

16%

36%

海洋哺乳類

23%

28%

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30

印尼食用魚逾2成5 吞圕膠垃圾

2015年10月12日 跨國研究團隊近日發現，印尼部分市場賣的食用魚，每4條魚中就有1條腸子中有圕膠垃圾，人們若吃下這些於漁獲，恐危害健康。來自美國加州大學戴維斯分校和印尼哈薩努定大學（Hasanuddin University）的研究人員，從印尼錫江（Makassar）的市場採集76份魚樣本，以及從加州半月灣（Half Moon Bay）和普林斯頓（Princeton）的市場蒐集64份魚樣本進行分析。研究結果日前發表於科學期刊「科學報告」（Scientific Reports）上。這項研究是探討圕膠垃圾和餐桌上食用魚間的關連性。研究人員向魚市場或漁夫蒐集全魚、魚的消化道和整隻魚的樣本。樣本物種包括吳郭魚、鰹魚、鮭魚、鯡魚、鯖魚和鯛魚等魚類。研究結果顯示，在印尼，28%的食用魚被驗出腸子內有圕膠製品垃圾。在美國情況也有類似情形，25%的食用魚被驗出有圕膠製品垃圾。印尼樣本中發現的垃圾都是圕膠，加州樣本中發現的垃圾有80%是纖維，但印尼樣本中完全沒有纖維。研究團隊分析，印尼的垃圾掩埋場和垃圾蒐集回收場不多。大量圕膠垃圾被丟在海邊進入海洋。因缺少淨化飲用水，印尼居民必須喝瓶裝水，也常常丟棄圕膠瓶。

參與撰寫研究報告的共同作者、加州大學戴維斯分校（University of California, Davis）學者威廉（Susan Williams）指出，印尼的海洋生態豐富性和多樣性數一數二，但在海岸地區，包括紅樹林、珊瑚礁和海灘，卻充滿垃圾。

研究結果指出，圕膠和纖維是從魚的腸子、內臟中被驗出，因此只有在吃下全魚時才會吃下這些垃圾。像印尼人有吃全魚的習慣，如果人們把含有這些垃圾的魚吃下肚，可能有物理性損傷導致細胞壞死、胃腸道炎症和組織撕裂傷的風險。

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31

http://ellaeric.pixnet.net/blog/post/315441

少喝瓶裝水吧！看看這些圕癈料的照片

警示，請大家一起救救地球 ~

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大家知道台灣全年丟棄超過

一億枝

的牙

刷嗎？這些廢棄牙刷接起來可以繞台灣

海岸線

17 圈！以帄均 3個月換一支來估

算，我們一生大約要換 400支牙刷。

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(38)

國家台灣全球 OECD 中國美國日本韓國排放總量a (百萬公噸) 264.66 31,342 12,341 7,954.55 5 287.18 1,186.04 587.73 排名 23 - - 1 2 5 7 人口(百萬人) 23.39 6,958 1,241 1,344.13 312.04 127.83 49.78 每人平均排放(公噸 CO2/人) 11.31 4.50 9.95 5.92 16.94 9.28 11.81 排放密集度b (公斤CO2/美元) 0.34 0.45 0.33 0.80 0.40 0.30 0.43 OECD:經濟合作暨發展組織 http://estc10.estc.tw/ghgrule/QA/QA_list.asp?id=12

二氧化碳的排放

40 年來首見！2014 年經濟擴張 達 3% 但碳排放量卻未增加 http://technews.tw/2015/03/17/20 14-carbon-dioxide-emissions/

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The amount of atmospheric CO

₂

was rising just before 1800. It was

in 1769 James Watt patented the

Steam Engine.

June 2014: 401.14 ppm

June 2013: 398.58 ppm

(40)

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Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)

跨政府氣候變遷問題小組

二

氧

化

碳

含

量

氣

溫

National Oceanic and Atmospheric Administration （NOAA）

美國國家海洋和大氣總署

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43

永續的環境如何打造?

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44

•聯合國世界環境與發展委員會（WCED）1987年正式

宣布推動「永續發展（sustainable development）」，

當時的定義是：「能滿足當代之所需但不損及後代滿

足其所需之發展」稱為永續發展，是為世界之一主要

新思潮。

•1992年六月，聯合國首屆「環境與發展」會議，議定

「廿一世紀待辦事項」（Agenda 21）40章。重新界定

「永續發展」為「人類兼顧經濟成長、生態環境與社

會責任三基柱的發展」，以及其發展原則。

•2002年底聯合國決定依據二十一世紀待辦事項第36章，

以2005-2014年為「永續發展教育的十年」。將永續發

展觀念植入從帅稚園到成人的學校教育及社會教育。

永續發展

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(1)永續綠色化學

The Metrics of Green Chemistry

• Why consider sustainability important to the

chemical enterprise?

• How can we use the 12 Principles to practice

more sustainable chemistry.

(48)

• 依據1998年國際經濟合作及發展組織（OECD）主

辦之「永續化學研習會」所下「永續化學」的定

義是：「發明、設計和利用化學產品與化學製程，

以減少或消除有害物質之使用與生產。」也可說

是藉化學之功能，促成人類的永續發展。前此不

久，美國環保署（EPA）的Paul T. Anastas博士和波

士頓麻州大學的John C. Warner教授也在所著

Green Chemistry: Theory and Practice (Oxford

University Press, 1998) 中列出「永續化學」的十二

個原則，現已為化學界普遍接受。茲列之於下：

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永續(綠色)化學十二原則

1. 事先防止產生廢棄物勝於事後清除。

2. 設計合成方法時應盡可能將所有反應物質轉變為生

成物。

3. 只要實際可行，製程採用之原料及預期之生成物應

盡可能無害於人類健康與環境。

4. 設計毒害性盡量減低但保持有效功能的化學產品。

5. 溶劑、分離試劑等輔助品須盡可能採用無毒害性的，

而且最好不用。

6. 利用能量時須考慮對環境及經濟的影響，最好採用

常溫常壓下的反應。

49

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永續(綠色)化學十二原則

7. 只要技術可行並符合經濟效益，應使用再生原料。

8. 盡可能避免製造原非必要之衍生物。

9. 優先考慮以觸媒性、且選擇性盡量高的試劑進行反

應。

10. 化學產品必須於用完後可以分解成無毒害性物質，

而不致永留世間。

11. 發展能在製程中隨時偵測及控制之分析方法以提高

產率和減少產生廢棄物。

12. 選用本質安全之化學品為原料（反應物），使化學

製程之危險性降至最低。

50

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永續化學十二原則

• P Prevent wastes (防止廢料)

• R Renewable materials (用可再利用物質)

• O Omit the derivatization steps (省去衍生物步驟)

• D Degradable chemical products (化學物可自行分解)

• U Use the safe synthetic methods (採用安全的合成法)

• C Catalytic reagents (利用催化物)

• T Temperature, pressure ambident (在常溫、常壓下合成)

• I In-process monitoring (追蹤合成過程)

• V Very few auxiliary substances (少用輔助物)

• E E-factor, maximize feed in product (常將E-因子暸然於胸)

• L Low toxicity of chemical products (採用低毒化學物)

• Y Yes, it is safe (對，就是要安全)

Twelve principle of green chemistry written in form of a mnemonic:

PRODUCTIVELY (有成果地)

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Industry Production (tons pa) E-factor Actual waste tons 原油煉製 Oil refining 106 – 108 _0.1 ₁₀5 – 107 工業化學品Bulk chemicals 104 – 106 _1-5 ₁₀4 – 107 精緻化學品 Fine chemicals 102 – 104 _5-50 ₁₀3 – 106 醫藥化學品 Pharmaceuticals 101 – 103 _25-100 _{250 -10}5 E因數 (E-factor) 表示得到每一公斤主產物時產生包括廢棄物在內的副產物公斤數 （E = kg副產物/kg主產物） 1992年荷蘭Delft技術大學Roger A. Shelton教授

(55)

Cytovene

• 2000 年得獎者為羅氏科羅拉多公司（ Roche

Colorado Corporation）。由鳥糞嘌呤經鳥糞嘌呤

三酯（guanine triester, GTE）製每年需求量逾50噸，

可抑制細胞擴大病毒（CMV）及治療愛滋病的

ganciciovir (商品名Cytovene ®)。使用化學品從舊

製法的22種減為11種，排放氣體降低66﹪而有毒

固體廢棄物也少了89﹪。五種參與反應但未成為

產物一部分的藥品中，有四種可以再生使用。總

產率提高25﹪，產量增加超過一倍。

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• 1997年則是頒給巴斯夫(BASF)與赫司特-賽拉尼斯

(Hoechst Celanese)合資創辦的BHC公司，獎勵其

發明生產消炎藥Ibuprofen的新製法。此法僅有三

步驟，原子效率約80﹪。比原先的方法含六步驟，

原子效率僅約40﹪改進很多。自1992年十月正式

生產，目前年產約350萬公斤，佔全世界總量約四

分之一。

H₃C CH₃ H HF H₃C CH₃ CH₃ O H₂ / Ni H3C CH₃ CH₃ OH CO / Pd H3C CH₃ COOH CH₃ O O H₃C CH₃ O

(59)

Clarke http://www.clarke.com/

綠能與綠色化學第二期(http://www.bioeng.ttu.edu.tw/issues/issuesindex.html)

(60)

Nature Biotechnology 27, 1177 - 1180 (2009)

綠能與綠色化學第五期(http://www.bioeng.ttu.edu.tw/issues/issuesindex.html)

(61)

(62)

(63)

D. K. Larsen, I. Wagner, K. Gustavson, V. E. Forbes, T. Lund, Long-term effect of Sea-Nine on natural coastal phytoplankton communities assessed by pollution induced community tolerance, Aquatic Toxicology 62 (2003) 35/44

Presidential Green Chemistry Challenge Award: http://www.epa.gov/gcc/pubs/pgcc/presgcc.html

S N O Cl Cl CH₂ 7CH3 C8H17 HO H N O O C8H17 CH₃ H N O O O HN _OH C₈H₁₇ H N _O OH C₈H₁₇ DCOI

(64)

(65)

Nature Biotechnology 27, 1177 - 1180 (2009)

綠能與綠色化學第五期(http://www.bioeng.ttu.edu.tw/issues/issuesindex.html)

(66)

教授的發明得到的專利權歸學校，學校將專利授權給公司生

產。UCLA允許發明人擔任公司的共同創辦人或董事。於是

直接剌激了研究和發展，這一點很值得我們學習。廖教授的

研究成果不但得到美國環保署的肯定，也得到美國能源部的

青睞，給他三年共4百萬經費研究以電力來再利用二氧化碳

產生異丁醇。日本三菱公司的研究機構 KAITEKI Institute Inc.

(TKI) 也和廖教授合作來研究再利用二氧化碳來生產工業品

如汽車的保險桿、包裝物、尿布和DVD等。再利用二氧化

碳產生燃料及其他化學原料的好處還有不需要用糧食來換乙

醇，不需要處理廢棄物。用微生物則不需要廣大的土地。希

能引起國人投入這方面的研究。

(67)

(68)

優先考慮以觸媒性、且選擇性盡量高的試劑進行反應

（Catalysis）

(69)

Polyoxometalate (POM) catalysts

 non-toxic, inorganic cluster compounds  selectively delignify wood

 utilize only air and water

Converts trees to paper without the use or

generation of toxic chemicals

(70)

 Catalytic synthesis of ULTEM® thermoplastic resin

 25% less energy required to produce each pound of resin

 volume of organic waste stream for off-site disposal decreased by 90%  50% less catalyst used

GE Plastics (General Electric Corporation)

 Oxidation of hydrocarbons by photocatalysis  Titanium dioxide catalyst

 active at room temperature  non-toxic

 stable

 inexpensive

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避免製造原非必要之衍生物（Reduce derivatization）

 Enzymatic synthesis of 6-aminopenicillanic acid

 Conventional Synthesis

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 Environmental Regulation of Solvents

 Clean Air Act and Clean Air Act Amendments (Hazardous Air

Pollutants List)

 Clean Water Act

 Toxics Release Inventory

 Toxic Substances Control Act

 Montreal Protocol

 Green Chemistry Solvents

 Aqueous Solvents

 Immobilized/ Derivatized/ Polymeric Solvents

 Solventless Conditions

 Supercritical Fluids

 Ionic Liquids

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 At a time when many hazards can be reduced or eliminated, it

is no longer a reasonable justification to say, “We know how

to handle hazards.”

 Accidents

 Security vulnerability

Biocatalysis: Synthesis of Acrylamide

Conventional Synthesis: Utilizes Corrosive Acid and Ammonia

(83)

(84)

O O O O n DMT CH₃OH 260oc O O O CH₃ H₃C O DMT + OH OH EG MPT 分餾 EG + MPT + DMT EG DMT PET 1997年美國杜邦公司完成從保特瓶回收乙二醇與對苯二甲酸二甲酯的研究， 現且已付生產。原理並不艱深，只是在加甲醇分解產生之EG與DMT混合物 中另再加入對苯甲酸甲酯（MPT），EG和MPT形成「共沸物」受熱逸出與 DMT分開，而冷卻後EG和MPT能完全分離。故可分別得到EG與DMT，再 聚合成為聚酯PET。 azeotropes 「共沸物」

原料再生與廢棄物轉換利用

(85)

• 廢棄物轉換利用方面

，已有不少實例。現介紹兩個和日常

生活用品密切關聯的例子。一是美國杜邦公司收集大量原

盛裝新鮮牛奶的高密度聚乙烯瓶，將之製成聚乙烯購物袋；

然後又能把廢棄的圕膠購物袋再次回收、重新處理，並和

廢木材纖維混合製造「圕膠木材（plastic lumber）」。這

種圕膠木材相當耐用，尤其適合戶外用途，如公園和路邊

之坐椅。另一例是耐卲（Nike）公司將製造運動鞋之廢棄

物和回收的舊運動鞋等製成一種「耐卲粉粒（ Nike

Grind）」，可用以舖敷運動場和人行道。這家公司已捐贈

77噸給北京市，修建了一座為2008年奧運會比賽用的足球

場。據了解，該公司亦將捐贈臺灣南部某國中或國小一類

似之運動場。

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永續十律 (Ten Commandments)

(美國密蘇里大學:S. E. Manahamn 教授)

1. 人類福利非僅擁有物質而必以生活品質為指標。其要求

是經濟、政府體系、教義信條和個人生活方式均必須考

慮環境與永續性。

2. 因地球的負荷與（人口數）及（每人所需）兩因素相關，

故論及地球資源時必須兩者兼顧。

3. 已知人類即使冒全球發生巨大災難之險，仍必將試圖依

靠科技以迎合其需求，故須有「人類」為全球環境五個

基本圈(大氣圈，人類生命圈，生物圈，地球圈與水圈)

之一的認知，且須本着最大永續性及於環境無害之原則

來設計。

4. 永續之關鍵在能量，故必發展有效利用來源豐沛，且不

傷害環境的能源。

(87)

5.益於地球生命之氣候必予維持，且必找出適切方法以應付

必然發生之氣候變化。

6. 地球的生物與生產容量必須維持及增進，且須顧及所有五

個環境圈。

7.物質資源之需求必須大幅減少，並應取續生性、可再用性

及能在自然分解者。

8.必須盡可能少用及少製造危險、有毒與難分解的物質，且

絕不可將之釋放到環境中。任何廢棄物必須轉變成無毒害後

方可送往棄置場。

9.不可因不願冒險而不改進缺點。

10.教育為永續發展之不可缺；必須將其推廣到社會的各年齡

層與各行業，藉各種媒體來傳播，也是所有在永續領域具專

長者的責任。

(88)

永續科技十二原則

(Twelve principles of green science and technology)

• 1.當前人類之所為將使地球未來資源枯竭、環境破壞，以

致生存條件嚴重受損，甚至不能承受，而有如以往已發生

過因生存環境毀壞使文明衰退及人種消滅之虞。

• 2.地球的負荷之增加及其支持體系之衰減由「人口數」與

「每人所需」而定。負荷= (人數）×（每人所需）

• 3.即使冒全球發生巨大災難之險，仍將為迎合人類之需求

而發展技術，唯必須本着最大永續性及於環境無害之原則

來設計。

• 4.務必有「人類」為全球環境五個基本圈之一的認知。

• 5.永續之關鍵在發展有效利用來源豐沛，且不傷害環境的

能量。

• 6.益於地球生命之氣候必須維持。

(89)

• 7. 地球的生物與生產容量必須維持及增進，且須顧及五個

環境圈間的相互作用。

• 8. 必須大幅減少物質資源之需求，並應取續生性、可再用

性及能在環境中自然分解者。

• 9. 盡可能少用及少製造危險、有毒與難分解的物質，且絕

不可將之釋放到環境中。

• 10.人類福利非僅擁有物質而應以生活品質為指標。經濟、

政府體系、教義信條和個人生活方式均須考慮環境與永續

性。

• 11.必須知道因不願冒險而仍有險。(There are risks in taking

no risks)

• 12.為達到永續這一目標，必須教育學生及一般民眾。雖因

而社會體系需有大變化，但須由科學家、工程師及具教化

能力者來引導；已沒時間等政客與不懂科學的人去做決定。

(From: Manaham, Environmental Science and Technology, 2nd Ed. 2007)

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永續工程十二原則

(Anastasand Zimmerman, Environ. Sci. Technol. 2003, 37, 94A-101A)

1. 設計者須力求所輸入及釋出之物料和能量盡可能為為本質無害者。 2. 預防產生廢棄物勝於事後處理或清除。（防患未然） 3. 設計分離及純化時須盡可能少用能源及物料。 4. 設計產品、程序及系統時須使能源、物料、空間和時間之效率為最高。 5. 設計產品、程序與系統時應採能源及物料之「釋出拔擢(output pulled)」而非「輸入推動(input-pushed)」來促成 6. 設計選擇再生(recycle)，重新使用或效益處置時須含考慮整體之混亂度與複雜性(embedded entropy and complexity)

7. 以耐用(durability)而非不壞(immortality)為設計之準則。 8. 功能超過需要，則屬瑕疵設計。 9. 多成份產品應盡量減少元件的多樣性以保持重組與再利用價值 10. 設計產品、程序與系統時應包括和現有能源、物料的流通及交互利用。 11. 設計產品、程序與系統時應考慮商業之來生(after-life)利用。 12. 使用「續生性」(renewable)而非日趨枯竭的能源及物料。

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(2)綠色科技

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93

(94)

充電電池-鋰電池

從上世紀 70 年代第一塊鋰離子電池製成，到 20 年之後 Sony 將這種技術正式商用投產，再到現在日趨成熟，鋰離子電池技術已經度過了 快 50 年的時間

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快充技術

無線充電 / 遠距離 /

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【科研突破】美研究團隊意外發現可持續使用400

年的電池，即是以後都不用換電池了

美國加州大學爾灣分校（University of California, Irvine）的研

究團隊意外發現了能夠支援 20 萬個充電週期的電池，即是大

家以後或許都不用更換電池了！研究人員表示，手提電腦的

蓄電量普遍在 300 至 500 個充電週期左右，而他們發明的電

池則是在

20 萬個充電週期

。（編註： 1 年＝ 500 個充電週期，

400 年＝ 20 萬個充電週期）按照正常情況來說，電池的蓄電

量會隨著時間和充電頻率而降低，但他們的永恆電池在持續

使用 3 個月之後，電量顯示竟然還剩下 94 至 96%

(98)

98

。（圖左為 Mya Le Thai 博士）帶領研究的 Mya Le Thai 博士表示，她是在實驗室玩樂時不小心發現永恆電池的。當時她在二氧化錳（Manganese Dioxide）上塗了金納米線（Gold Nanowires），然後再應用了「有機玻璃狀」的電解質凝膠。在正常情況下，納米線擁有極高的導電性，但由於它比人類的頭髮還要細幾千倍，導致它最多只有 8000 個充電週期的使用壽命。但研究人員發現，在 3 個月的實驗結束後，當時製作的電池仍完好無缺；因此，他們懷疑凝膠增圕了電池內的金屬氧化物，繼而大幅增加了電池的使用壽命。他們的發現可說是帶給了電子產業一個巨大衝擊，相信未來或會引起一場業界改革。然而，這種電池技術仍然處於研發階段，估計在成為商業化產品前依然有一段距離。 http://techstart.presslogic.com/2016/09/16/article/11260/

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99

氫燃料電池車

0 CO

₂

二氧化碳排放放

在氧氣及氫氣的作用下，氫燃料電池車款即可

生成動能，而排放出來的只有水蒸氣。在充滿

燃料的前提下，Mirai的巡航里程可達到約

500 公里，而燃料用罄時補滿的時間也僅需約3分鐘

(100)

太陽是能源之母

• 太陽是地球上所有能源的源頭，目前已

知的能源幾乎都直接或間接來自太陽(如：

石油、煤、天然氣、水力等)。

• 太陽光照射整個地球表面1小時內的能量

約可供全人類使用1年(~5 × 10

20 _J)。

太陽能

(101)

• 太陽還可以繼續發光至少50億年以上。

太陽能是免費、取之不盡、用之不竭之

潔淨能源(

無溫室氣體排放

)

(102)

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103

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104

太陽光電產業的新星

—鈣鈦礦(Perovskite)太陽能電池

化學式(CH₃NH₃)PbX₃

(105)

地熱之島

台灣是地熱島，地底下可開發熱能估計30GW，相當於11個核四廠的發電量。 台灣做過全島的地熱探勘，甚至設立全世界第14座地熱發電廠... 當世界各國紛紛發展地熱發電，這個最穩定、最永續的再生能源，台灣是否 有機會，急起直追？ 民國70年，工研院與中油在台東知本溫泉區，總共鑽鑿了7口井，其中知本一 號井深達1460公尺，溫度高達140多度。 地熱發電不需要燃料，佔地面積非常小，結合了傳統能源與再生能源的優點。 清水地熱發電廠，新的增強型地熱發電有兩口井，一邊取水、另一邊將發完 電的尾水回注地下，保持地下水進出的帄衡。

(106)

歷史性的一大步全臺首座地熱發電運轉

全臺首座地熱發電運轉

摘錄自2013年12月11日NOWnews宜蘭報導

臺灣最具地熱開發潛能的

宜蘭清水地熱

，在經濟部能源局補助

下，由工研院打造100%國產自製的50kW雙循環地熱發電機組

，並開始運轉供應地熱園區的用電。

預估清水地熱的可發電量，約可供應1萬戶家庭的用電。

能源局5年前補助宜蘭縣政府，進行清水地熱田的探勘與地熱

資源開發，並以清水為重點發展區，委由工研院執行地熱發電

潛能評估、地熱井修復，以及地熱儲集層生產管理技術研發、

發電廠設置的整體開發規劃。

2013年10月底完成不停機長時運轉，供電至宜蘭清水地熱綠能

園區，累積運轉時數已達900小時、累積發電量達42000度。

(107)

(108)

世界第一等: 離岸風力發電

海上風場

帄均風速 3-6 m/s, 才具經濟效益

(109)

傳統圕膠 1970-1990 石油合成類生分解圕膠 – 由石油類高分子化學合成 澱粉合成類生分解圕膠 – 以澱粉分解之醣類經發酵、聚合、 酯化而化學合成 微生物類生分解圕膠 – 以生物菌株經發酵技術合成聚酯類 天然物類生分解圕膠 – 以天然高分子和生物可分解高分子合成 生質圕膠 1990-2000 傳統圕膠添加光敏劑、崩解劑 – 經陽光照射脆裂成小細片 傳統圕膠添加碳酸鈣 – 減少石油的使用量 生物分解圕膠 2001-

替代品發展沿革

:

傳統圕膠添加天然生質材料 – 減少石油的使用量，較易崩解 為部分生物分解性質

環保圕膠

感謝生工系陳志成教授提供

(110)

生質圕料 天然系 微生物系 化學合成系 生物資源 石油資源 天然系： 澱粉類及其化學修飾物。 纖維素、木質素、木聚醣及其化學修飾物，可來自樹木、草、葉與各種植物之廢棄物。 微生物系： 微生物高分子，如PHA（生產中）。可利用糖類、澱粉、農業副產品做為原料。 化學合成系： (1) 生物資源：如聚乳酸(PLA)，可利用農業副產品或乳酪業廢棄物做為原料生產乳 酸，再進行聚合。

(2) 石油資源：石油提煉之原料，如Polycaprolactone (PCL)、Polybutylene succinate (PBS)、Copolyester (共聚酯﹐如PBTCL申請專利中)、Polyvinylalcohol (PVA)

生質圕膠原料來源種類

(111)

生物可分解性 生物基原料比例 可完全生物 分解之石化 原料 可完全生物分解之 部分生物基原料 可完全生物分解 之全生物基原料 不可生物分解之 全生物基原料 不可生物分解之 部分生物基原料 不可生物分解 之石化原料

圕膠分類

(112)

何謂生物可分解圕膠?

定義：

1.高分子鍵結可以被酵素分解，如酯鍵ester

bonds，胜肽鍵 peptide bond，糖分子鍵

glycosidic bond 等。

2.材料之單元分子(monomers)必須可以被生物

代謝途徑所分解,而最終形成CO

₂

, 水與生物質分

子,回歸大自然。

(113)

環保生物分解性圕膠之綠色機制

PHA

合

成

聚

酯

生

物

分

解

性

纖維 感謝生工系陳志成教授提供

(114)

纖維素的再利用

 每年，全球生物質產量約為200 億噸，其中90%是

木質纖維素。木質生物質指的是植物通過光合作

用生成的有機資源，主要由纖維素( 40%～50% )、

半纖維素(25% ～35% )和木質素(15% ～20% ) 3種

高分子物質構成。

 國內每年約235餘萬公噸稻稈廢棄物，除了部份為

農民利用作為堆肥外，多數以焚化方式處理，非

但造成空氣與環境污染亦是非常可惜的資源浪費。

(115)

稻稈

咖啡渣

木屑

蔗渣

(116)

稻桿裁切

將原料(稻稈)粗切

為8~10公分不等，

以便混酸擠壓加工

使用。

(117)

雙軸擠壓機混酸擠壓

目的在於破壞原料

並混酸降解半纖維

素(hemicellulose)而

得固態擠壓物。

高溫高壓溶洗槽

破壞固態擠壓物之纖維

和木質素並增加水解時

反應之面積。過程中所

產生之溶出液體主要為

木糖(五碳糖)

(118)

醱酵生產纖維素分解酵素

將前處理過之纖維素以

木黴菌醱酵生產纖維水

解酵素。此酵素將用以

分解纖維素而生產葡萄

糖（六碳糖）。

(119)

大型醱酵設備-生產酵素

100L 醱酵槽

1000L 醱酵槽

9000L 醱酵槽

(120)

纖維素結構被酵素分解過程

(121)

纖維素被酵素糖化過程

葡萄糖

(122)

可再生的生物

質轉化成糖份,

再轉化成各種

化合物來取代

石油來源之原

料與化學品

葡萄糖

(123)

生物分解性圕膠產品應用實例

(124)

(125)

PHA

PHA具有良好的生物相容性、生物分解性和圕膠的熱加工性能，

因此可將其同時作為生物醫用材料和生物可降解包裝材料，已經成為

生物材料領域最為活躍的熱門研究。如圖是4種 PHA的結構式。

(126)

PHA之結構

O

n

R

The short-chain-length (SCL) PHA: C3~C5

The medium-chain-length (MCL) PHA: C6~C14 The long-chain-length (LCL) PHA: >C14

R = n-alkyl pendant group of variable chain length HB, -hydroxybutyrate, R= methyl

HV, -hydroxyvalerate, R = ethyl HC, -hydroxycaproate, R = n-propyl HH, -hydroxyheptanoate, R = n-butyl HO, -hydroxyoctanoate, R = n-pentyl HN, -hydroxynonanoate, R = n-hexyl HD, -hydroxydecanoate, R = n-heptyl HUD, -hydroxyundecanoate, R = n-octyl HDD, -hydroxydodecanoate, R = n-nonyl

Ref： FEMS Microbiol. Lett. 1995, 128: 219-228. 李佳音﹐2002﹐台大農化系

(127)

PLA(聚乳酸)生產流程

玉米，澱粉 +酵素，水 +微生物 ex. 乳酸桿菌 其它營養物未純化乳酸 +化學觸媒 (高溫低壓) 寡乳酸環狀乳酸

PLA

聚乳酸原料水解發酵降解 預聚合 純化聚合調配 聚乳酸 L-Type & D-Type調配 感謝生工系陳志成教授提供

(128)

玉米，澱粉 +酵素，水 +微生物 ex.耐鹽菌 +化學觸媒 (高溫低壓) 原料水解發酵 預聚合 純化 聚乳酸 萃取微生物菌體自行合成PHA PHA 其它營養物

PHA(聚羥基烷酯) 生產流程

(129)

GB100與一般市售LDPE圕膠膜之物理性質比較：

拉力強度(Mpa)

延伸率(%)

市售LDPE五斤袋

22 >200%

GB100 五斤袋

21 >200%

(130)

生物可分解圕膠薄膜堆肥裂解測試

(131)

高性能-環保建材

Geopolymer(無機聚合樹脂)

• 主要原材料原材料-天然礦物或工業固體廢棄物，含矽鋁酸鹽

成分者(如：高嶺土、燃煤飛灰、爐渣等) 。鹼性溶液-鹼金屬

矽酸鹽溶液 ( 矽酸鈉、矽酸鉀 ) 、鹼金屬氫氧化物水溶液

(NaOH、KOH)、鹼金屬碳酸鹽、鹼土金屬氯化物、Na

₂

SiF

₆

、

(Na、K)

₃

AlF

₆

等。次要原材料砂石、骨材、粒料、纖維等。

http://www.claypolymers.com/cz/clay-polymer/podstata-hmoty.html 131

(132)

Geopolymer(無機聚合樹脂)

建材的優勢

(133)

綠色時尚(Eco chic)

(134)

What is news?

(135)

135

(136)

136 一、認識麵包蟲 1.麵包蟲的學名為黃粉蟲(Tenebrio molitor)原產於南美洲，是傳統的活餌，含有百分之三十一的脂肪和百分之五十六的蛋白質，人們用它來飼養小鳥、青蛙、和魚…是鳥類、爬蟲類、魚類、兩棲類等的麵包，同時他也喜歡吃 麵包所以被稱為麵包蟲。 2.麵包蟲怕光，喜歡喜歡生活在陰暗的環境中，生長最適溫度為25~30度C。 3.麵包蟲是一種中小型的甲蟲，甲蟲約3.5公分，身體褐色或黑色，外型酷似叩頭蟲，帅蟲約2.5公分，帅蟲頭較圓尾較尖顏色淡褐色，身體一節一節的。是完全變態的昆蟲，生活史由卵→帅蟲→蛹→成蟲(生育週期約70 天) 4.帅蟲忍耐饑餓可達3個月以上(資料顯示耐飢可達6個月以上)。 5.麵包蟲飼養設備簡單，不亂跑、不亂飛可做為觀察昆蟲的好教材，飼養容易，只要一點麵包或麵粉就可長期飼養，並可培養細心觀察及記錄的能力。 6.觀察帅蟲在蛹化前會經過5次的蛻皮。脫皮時，帅蟲會像脫外衣一樣脫 下硬硬的皮，剛脫皮的帅蟲是白白的，之後會變成金黃再變回咖啡色。 7.帅蟲和成蟲都有相互殘殺的習性。剛脫皮的帅蟲或與化的蛹又白又嫩， 很容易成為同伴的食物。

(137)

137 二、您相信麵包蟲會吃圕膠袋嗎？ (一)實驗方法： 1.準備玻璃水族箱一個長30公分寬16公分高24公分的玻璃缸。 2.玻璃鋼內放入2兩的麵包蟲帅蟲 3.放入圕膠袋 4.用放大鏡觀察。 (二)觀察結果：發現麵包蟲正在啃食圕膠袋和圕膠湯匙。 資料來源小小科學家 http://elearn.dres.tc.edu.tw/lifetype/post/77/219

(138)

138

這款「圕膠袋」不只放在水裡1天

就能分解，它還可以拿來食用！

(139)

139

毛蟲竟成為環保救星！研究發現蠟蟲會進食及分解圕膠

圕膠可說是一種令人又愛又恨的物料，雖然它們成本低及耐用可應用在包裝行業，為人類帶來方便，然而難以分解亦一直帶來環保問題，大量使用會製造出不少垃圾。不過最近有科學家發現一種名為「蠟蟲」（wax worm）的毛蟲或會成為救星，皆因牠們竟然會將膠袋常用聚乙烯當作食物，如此一來圕膠造成的污染或有望解決。蠟蟲這種獨特的進食特性是由西班牙研究員 Federica Bertocchini 意外發現，據了解她帄時有兼職養蜜蜂的習慣，每當清理蜂箱時，都會將箱內的蠟蟲全部清走，然後再將從放入膠袋內準備處置。不過 Bertocchini 卻發現每次將蠟蟲放入膠袋後，膠袋都會出現一個個小孔，於是她便好奇到底蠟蟲只是純粹咬破膠袋，抑或是直接將圕膠吃掉。為了解答案，Bertocchini 便決定與劍橋大學團隊進行研究，其後經過多次實驗後，他們證實蠟蟲的確是將圕膠吃掉並將之分解。至於當中的原因，很有可能是蠟蟲體內的一種獨特酵素，由於帄時牠們吃的蜂蠟與圕膠結構成有點相似，因此該種酵素亦適用於分解圕膠。當然單靠飼養大量蠟蟲去分解圕膠效率可能不太理想，因此研究團隊下一步就希望可以找出這種酵素的分解原理，並進而製作出一種人工分解劑，如此一來日後處理圕膠垃圾便變得更容易。

(140)

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革命性發現！華裔高三學生用細菌分解圕膠

http://technews.tw/2016/03/13/bacteria-eat-plastic/ 根據環境資訊中心調查，全世界海洋中約有五兆件圕膠垃圾，總重達27萬噸，讓海洋生態面臨重大威脅！而號稱萬年垃圾的圕膠終於出現剋星了，兩位19 歲的華裔高中生發現用細菌可以天然分解圕膠。加拿大資深科評委員會評估這項新發現巿價超過1,000萬加元，此成就也讓這2位華裔高中生被加拿大非營利組織Plan Canada評選為「20歲以下傑出青少年（Top 20 Under 20）」。兩人先前受邀到TED TALK分享實驗經過，連微軟創辦人比爾蓋茲（Bill Gates）及Google創始人賴利佩卲（Larry Page）都是座上賓。

(144)

用CO

₂

和廢稻稈美科學家做出可分解圕膠

144 • 今年1月的世界經濟論壇，揭露出圕膠產業的五大醜陋真相。美國史丹佛大學科學家如今藉由創新的研發技術，從二氧化碳和非食用性植物（例如農業廢棄物和草）製成可分解圕膠，或可大幅度降低圕膠產業的碳足跡。 • 史丹佛大學化學系助理教授卡南（Mattew Kanan）說：「我們的目標是用二氧化碳產製的圕膠取代石化產品，如果製作過程能夠減少不可再生能源的使用，更可以大幅度降低圕膠工業的碳足跡。」該研究團隊的成果刊登在3月9日的線上版《自然》期刊。

(145)

「史上最大淨化海洋計畫」將於明年啟航，

清潔速度快上7千多倍成本只要3%

「史上最大淨海行動」由年僅20歲的Boyan Slat發起，將於2016年

從日韓間對馬群島開始執行，透過飄浮在海帄面的

The Ocean Cleanup

設施

，攔截與打撈海洋中的圕膠垃圾，比既有方法快上7900倍，而成

本僅需以往的3%。

來自荷蘭的Boyan被喻為世界20大年輕企業家，16歲那年在希臘潛

水後，心中就開始浮現淨化海洋的計畫。2012年，他將淨海計畫雛型

公諸於世，並於2013年全力投入此計畫，召集100名科學家與工程學家，

研究出這項可實踐又成本低廉的方法。2014年公開募資時，共募得將

近220萬美元的資金，足以讓Boyan的淨海夢想成真。

作為史上最長的漂浮設施，The Ocean Cleanup長度超過2000公尺，

在2年的期間內會在水面不斷攔截漂浮垃圾，直到抵達對馬群島岸邊。

截至目前為止，已有超過3萬立方公尺的海洋垃圾被攔截、沖刷到對馬

群島岸邊，當地也已經開始考量將這些垃圾轉化為能源的新提案。

(146)

Boyan表示，「海洋汙染已是今日最大環保議題之一，透過這

項設施，不僅能夠清潔地區海域與海岸，更為淨化太帄洋踏出重

要的一步。同時，我們也將持續觀察設施的堪用度及有效性。」

這項計畫將會持續進行5年，除了淨化海洋之外，相關團隊將

會持續測試這項設施的可行性。預計5年計畫後，將於夏威夷與加

州中間架設長達100公里的The Ocean Cleanup設施，並放置長達10

年，初步估計可成功攔截太帄洋垃圾帶（the Great Pacific Garbage

Patch）將近一半的垃圾。根據環境學家推測，海洋中存在的漂浮

垃圾，足以填滿600台波音747飛機

（圖片來源：The Ocean Cleanup）

(147)

(148)

(149)

• 烏拉圭前總統（José Mujica）於2012年在里約舉辦的永續發展

大會（Rio+20）認為，各國不停探討永續發展和如何消弭貧窮，

卻忽略了地球環境與「消彌貧窮」的真正意義，難道要使得開

發中國家的生活模式全部向富裕國家看齊嗎？穆希卡舉例：如

果印度人人擁有如同德國人每家每戶的汽車輛、效法這些國家

的奢侈消費，那地球負荷的了嗎？這真的算是消彌貧窮了嗎？

• 真正的永續發展不在於如何維護生態環境，而是約束人類永無

止境的貪婪與欲求，「我想讓大家知道的是，問題的來源並非

單純是水源危機和環境危機。」他形容這是一個牽扯到全球的

政治問題，過度的消費與經濟政策帶動加時生產、超時工作以

追逐價格昂貴的商品和生活方式，如此惡性循環需要政治介入

控管市場，才可能停下這種「用完即丟」的消費社會模式、也

才有可能真正的永續發展。

http://www.storm.mg/lifestyle/69183

何圔·穆希卡總統

(150)

(151)

#Startwith1thing #一件好事救地球

每個人都開始，每天學習一件能改善環境的事並持之以恆，所有

行動的總合就能幫助地球！請你參考以下行動，即刻展開救援！

(152)

152 台灣人均碳排放量亞洲第一，其中吃肉、吹冷氣、開車佔最大宗約55%。全球每年有40%的食物被丟棄！而台灣一年浪費的食物，可讓弱勢人口吃上20年。台灣每人每天帄均使用2.7個圕膠袋，是歐盟國家的3.9倍。如果你和10個朋友18個月不用圕膠瓶，你們就一起省下了一整桶石油。

(153)

總結

• 地球的環境如何永續下去?

綠色化學

綠色科技

教育---科學(化學化工)、人文、道德…

153

(154)

• 台大化學系榮譽教授劉廣定教授

• 大同大學

• 中原大學環工系王玉純主任

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