〈工業技術資訊月刊〉科技助力與自然和諧共存

※來源:工研院
工研院與台泥合作將鈣迴路技術捕捉的高純度二氧化碳,應用於微藻的養殖上,創造二氧化碳之高值化利用。(圖:工業技術資訊月刊)
工研院與台泥合作將鈣迴路技術捕捉的高純度二氧化碳,應用於微藻的養殖上,創造二氧化碳之高值化利用。(圖:工業技術資訊月刊)

撰文/劉映蘭

新冠疫情全球大流行,各國祭出封城、隔離禁令,並呼籲民眾盡可能待在家,以遏止病毒蔓延。人類減少活動的同時,自然環境卻意外的生氣蓬勃,交通停擺,二氧化碳排放顯著減少,人為干擾降低,野生動物數量也因此增加。疫後人類更應追求環境永續,投入循環經濟、綠色能源的發展,與大自然和諧共存。

儘管疫情造成人類生命、財產的損失,但如果就人類作為地球生態一員的角度來看,疫情對整個生態的影響,似乎不全然負面。

科學家們發現,疫情導致人類生活方式改變,已使全球上半年排碳量有顯著減少。芬蘭能源與清潔空氣研究中心(CREA)的報告指出,中國大陸在農曆年期間的兩週,碳排放量至少減少 1 億公噸;美國紐約哥倫比亞大學的研究人員也指稱,紐約的二氧化碳排放量下降了 5% 到 10%,來自汽車的一氧化碳排放量也下降了 50% 左右。

疫情影響 碳排降垃圾增

學術期刊《自然氣候變化》(Nature Climate Change)近期一篇論文推估,今年全球碳排放量可能下降 4% 到 7%。但由於居家辦公、隔離等措施及宅經濟當道,垃圾量不減反增。科學家們擔心,這波疫情帶來的減碳效應,可能隨著疫情減緩而「恢復原狀」,各國科學家均大聲疾呼,人類應趁此機會,透過改變生活型態和生產製造方式來友善地球,讓環境生態不僅在疫情期間得到喘息機會,更發展出人類與自然生態長久永續的共存策略。

聯合國曾警告,如果在 2030 年以前,不能減碳 45%,地球將面臨不可逆轉的暖化臨界點,而二氧化碳捕捉技術也被視為是阻止災難性氣候,最有效的方法之一。工研院運用鈣迴路技術,協助水泥廠捕捉二氧化碳,並導入微藻固碳、紡織染色等應用,促進二氧化碳可循環加值利用,有效減少碳排放。

水泥廠碳捕捉 微藻固碳生黃金

水泥業原本是高碳排產業,常被視為是產生溫室氣體的大戶,工研院和水泥產業龍頭台灣水泥合作,建造領先全球的鈣迴路捕獲二氧化碳試驗廠。工研院綠能與環境研究所副所長萬皓鵬表示,該技術是以氧化鈣作為吸收劑,從水泥製程排放的煙氣中直接吸附捕捉二氧化碳,形成碳酸鈣,在生產水泥的過程中,主原料碳酸鈣(石灰石)進入煅燒爐,經高溫再分解為氧化鈣與高純度二氧化碳,氧化鈣一旦失去活性,又可以送回水泥廠作為原料,重複循環以達成近乎零排放的理想。

工研院團隊將鈣迴路技術捕捉的高純度二氧化碳,應用於微藻的養殖上,且運用創新的生長調控技術,提升微藻生長量與二氧化碳利用率,近年來更衍生應用於蝦紅素含量高的雨生紅球藻養殖,進而創造二氧化碳之高值化利用。

目前台泥和平廠的鈣迴路實驗廠每年可以捕捉 500 噸至 1,000 噸的二氧化碳,除了大幅降低排碳,藉由固碳微藻技術所產生的蝦紅素,可作為美妝產品與保健食品之原料,每年商機更高達數億元!成為兼具商業價值與環境友善的最佳示範。

二氧化碳取代水 染色機能化同步完成

紡織為臺灣重要創造外匯產業,每年產值約 3,600 億元,其中出口占了四分之三,但布料染色會產生大量廢水,據統計,每製造 1 件衣服會用掉 25 公升的水,相當於 15 瓶大保特瓶容量。

近年環保意識抬頭,國際運動品牌號召成立「有害化學物質零排放聯盟」(ZDHC),訂出 2020 年達成有害化學物質零排放的嚴格標準,對生產過程中產生大量廢水的傳統染整業者而言,形成艱鉅挑戰,因此減少用水以符合世界環保標準,成為染整業者的首要課題。

如何做到無水染色?秘密武器就是二氧化碳。工研院材料與化工研究所經理董泯言指出,「超臨界流體染色與機能化同步技術」以二氧化碳取代水,運用溫度壓力控制,讓二氧化碳達到介於氣體與液體之間的超臨界狀態,將染料溶解擴散、滲透到布料的纖維毛細孔內,同時還能賦予布料吸濕排汗等機能。用過的二氧化碳,則可透過氣閥回收重複利用,無須像傳統染整技術多一道烘乾手續,不增加環境負擔。

因應世界潮流,早在 2014 年臺灣紡織大廠陸續建置無水染色的超臨界流體染色設備,但因缺乏材料參數研究,難以順利導入量產。工研院看到產業需求,投入大量資源研發,打造超臨界流體染色開放式創新系統平台(OISP),開發出紅黃藍高染色堅牢度三原色染料與機能化學品,不但能將顏色牢牢鎖在布料上,還能有豐富的機能變化,經產業驗證,品質完全不輸傳統水染製品,效果令產業驚艷。

超臨界流體染色開放式創新系統平台,開發出紅黃藍高染色堅牢度三原色染料與機能化學品,品質完全不輸傳統水染製品。
超臨界流體染色開放式創新系統平台,開發出紅黃藍高染色堅牢度三原色染料與機能化學品,品質完全不輸傳統水染製品。
PEF 取代寶特瓶 PHA 讓海龜自由呼吸

減碳、減廢為是永續環境的兩大重點,為了降低塑膠廢棄物對環境造成的負荷,工研院自 2009 年投入生質塑膠的研發,從早期的聚乳酸(PLA),現已進展到聚乙烯口夫喃酸酯(PEF)、聚羥基羧酸酯(PHA)等下世代生質(聚酯)塑膠,不僅環保,功能性更上一層樓。

海龜鼻子卡塑膠吸管的畫面,讓世人驚覺海洋廢棄物的危害,同時更積極找尋塑膠吸管、食品包材的環保替代物。儘管 PLA 生質塑膠技術已經成熟,但卻有不耐熱、能回收卻難以重複使用等缺點。工研院成功研發並產出的新世代 PEF 生質塑膠,兼具環保與阻氣佳等優點,希望取代市面上常見的塑膠製品和 PET 寶特瓶。

PEF 阻絕二氧化碳散逸的效果,是寶特瓶(PET)的 10 倍、阻絕水及氧氣散逸也有 2~3 倍,加上耐熱性優於 PET,已被多家飲料大廠看好。歐洲生質塑膠協會(EuBP)預估,2021 年 PEF 產能將占生質塑膠產量的 1.1%。目前該技術已導入產業,成功產出亞洲第一個生質阻氣 Bio-PEF 汽水瓶與啤酒瓶。

在生產上,工研院團隊目前已可從試量產反應液中,提取約 20 公斤合成 PEF 所需之前驅原料,可別小看這 20 公斤的原料,當前全球能產出公斤級 PEF 的廠商或機構可說是屈指可數。工研院材料與化工研究所技術總監張光偉解釋,提取過程不穩定性高,團隊運用催化與純化技術,大幅提升原料的純度,以聚合出高分子量 PEF。

此外,工研院也以生質柴油的副產物甘油為碳元,經發酵合成出 PHA。此材質不僅符合國際可分解標準,甚至還能在海洋中被分解,解決海洋廢棄物與塑膠微粒問題。而工研院參與歐盟「農業廢棄物全利用計畫」,與 13 國團隊合作,以南法酒莊的葡萄園為實驗場域,將種葡萄到釀酒的過程做到「零廢棄物」。工研院結合萃取葡萄多酚,以及茶葉渣、咖啡渣等農業廢棄物發酵合成的 PHA,製成食品盛盤,不僅有抑菌保鮮的功能,同時解決廢棄物去化與塑膠垃圾的難題!

新冠疫情雖然造成許多生活上的不便,但也剛好讓世人重新審視,如何透過行為改變與創新科技,對環境更友善。為免於 2030 氣候變遷航向不可逆轉之路,科研勢必將扮演更重要的角色,讓地球這艘諾亞方舟永續航行下去。

工研院成功研發新世代 PEF 生質塑膠,兼具環保與阻氣佳等優點,希望取代市面上常見的塑膠製品和 PET 寶特瓶,為環境盡一份心力。
工研院成功研發新世代 PEF 生質塑膠,兼具環保與阻氣佳等優點,希望取代市面上常見的塑膠製品和 PET 寶特瓶,為環境盡一份心力。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 342 期 2020 年 7 月號,未經授權不得轉載。


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《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

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