新世紀的化學工程：化學工程的重要內涵 呂世源 國立清華大學化學工程系 sylu@mx.nthu.edu.tw n  化學與化學工程的區別 何謂化學工程？一個簡單且容易為高中生理解的說明方式，是從區隔化學與化學工程入手。從名稱上看，化學工程較化學多了工程。工程乃是用於處理大量或大規模事物之手段。對於有用的產品，要藉由工程手段將之大量生產，以能降低產品成本，讓眾多使用者能夠負擔、蒙受其益。此工程手段之使用於是區隔化學與化學工程。為能適當地使用工程手段，化學工程的內涵除了化學的核心知識外，更包含將大量物質從原料轉變成產品的相關知識。大量生產通常需藉由工廠的操作進行，其進行方式需是安全且無害於環境的，且其結果能產生利潤，以能長期經營。化學工程於是可以說是經由研究發展與工廠之設計、建造、操作以安全且無害於環境的方式生產有利潤的產品來服務人類社會的學問。 一項有用的產品在實驗室中發展完成後，需要藉由工程手段將之大量生產。其生產規模需由實驗室的毎天幾克等級放大到工廠的毎天幾噸等級。實驗室的研發可以不計血本，工廠的生產則必需降低成本、創造利潤、造福大眾。現今的生產成本除原料與製造成本外，也包含對環境衝擊所衍生的環境成本，例如廢棄物的處理、二氧化碳的排放等。實驗室的研發可以試管、燒杯、攪拌棒等小型器具進行，工廠的生產則需使用反應槽、輸送管線、熱交換器、蒸餾塔等大型設備方可達成大量生產。試想一個簡單的〝將A與B均勻混合〞的操作，在實驗室可以量筒、燒杯及攪拌棒輕鬆達成，但如果是在工廠要處理噸級的量，則非使用輸送管線、反應槽、攪拌設備不可，其相關設計與操作則是化學工程的重要內涵。這些大型設備的設計、操作與連結，配合適當的化學與生物反應，得以將原料大量生產成產品。這種藉由適當化學（生物）反應單元與物理操作單元之配合，以達成從原料到產品之大量生產目的的程序，稱之為製造程序，簡稱製程。化學工程的目的即在於此，發展、設計、建構、操作製程以大量生產有用的產品。化學工程師因精於此道，過去常被稱為製程工程師。 n  化學工程的內涵 化學工程的學習除了基礎的化學核心知識外，包括普通化學、有機化學、分析化學、物理化學等，還得加上達成大量生產目的的工程手段所需的相關知識。如果將化學工程粗略地分為〝化學〞與〝工程〞兩部分，則〝化學〞的部分包括探討一個程序能否進行的化工熱力學與探討一個程序能多快進行的反應工程。〝工程〞的部分主要經由物理操作以達成反應條件的設定，原料與產品的傳送及產品的分離與純化等。這些物理單元包括管線輸送、攪拌、流體化、旋風分離、熱交換、乾燥、蒸餾、萃取、吸收、吸附、過濾等，稱之為單元操作。這些單元操作進行的基本原理可歸納成動量、能量與質量之輸送，因此還需進行輸送現象課程的學習。可以說單元操作是輸送現象的應用，而輸送現象是單元操作的原理。前面提到，製程是化學工程的主體，如何將製程控制在最適操作狀態以取得最適操作結果，亦是一重要關鍵，因此需修習程序控制學。化學工程的修習，最後以一門總驗收的課程，程序設計，來結尾。學生需將之前所學習到的化學工程18式融會貫通，應用到一項產品的製造程序的設計，其所牽涉到化學（生物）反應單元與物理操作單元為何、如何安排與串連、其反應與操作條件如何設定、程序控制儀表如何建置等。另外值得一提的是，任何工程問題都牽涉到計算，因此微積分與工程數學（微分方程、線性系統、向量微積分等）之修習亦不可免。總的來說，化學工程之內涵牽涉到的不僅是化學而已，還要加上物理、生物與數學，是所有工程科系中對自然科學的基礎要求最完整的。對化學有興趣僅是適合念化工的必要條件，而非充要條件！圖一展現化學工程的整體修習內涵。 圖一：化學工程的修習內涵 n  化學工程的應用與省思 製造程序之發展、設計、建構與操作既是化學工程的拿手絕活，化學工程的應用自不僅限於化學產業。任何牽涉到使用製造程序以獲致產品的產業，都需要化學工程師。化學工程之應用與時俱進，從牙膏、肥皂、菸酒、石化到半導體、光電、生物技術、環境與能源產業都需要。現今人類所面臨的兩大生存危機，一為化石原料的過度使用，造成化石能源枯竭所產生的能源危機，二為二氧化碳過度排放所導致的全球氣候極端化與生態浩劫。發展乾淨的替代能源與減少二氧化碳排放是人類在本世紀必需積極從事且要成功突破的科技挑戰。不管是二氧化碳的減排、捕捉、再利用或是太陽能、生質能、氫能的發展，都是化學工程師能夠積極貢獻，也是責無旁貸的任務。有志之士，盍興乎來！  

新世紀的化學工程：臺灣石油化學工業 李世陽 經濟部石化產業高值化推動辦公室（執行長） shyhyanglee@itri.org.tw n  石油化學工業簡介 什麼是石油化學工業？簡單地說，就是把石油或天然氣變成材料（如塑膠、橡膠、人造纖維、化學品樹脂等），再將這些材料加工成為日常用品的工業。日常生活中，汽、柴油、塑橡膠、輪胎、人造纖維、寶特瓶、塑膠袋、保麗龍到現今流行穿戴科技智慧衣著纖維、人工洗腎導管、PV太陽能發電元件、風力發電中風車葉片、汽車工業、航空工業、船艦遊艇、建築材料工業，林林總總。這些名詞在我們日常生活之中，從觸手可及可見的生活必需品到遙不可及無法觸摸科技產業產品，塑膠、化學材料與我們生活，密不可分。石化產品可說是無所不在，石化工業衍生應用（見圖一），提供我們一切生活方便所需食、衣、住、行、育、樂、生、老、病、死十大需求。這個產業仍不斷在研發進步，未來將更多應用在政府新倡導五大產業發展的關鍵材料所需。 圖一：石化工業衍生應用 （圖片來源：經濟部石化高值化推動辦公室） 石化產業範疇應用如圖二所示，由石油或天然氣製造出來的石化基本原料如乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等，經過特定製造程序，可先製得中間原料，此中間原料經過聚合（polymerization）、酯化（esterification）、烷化（alkylation）等製造過程可得各種塑膠材質（plastics）如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯（俗稱寶麗龍的原料）、PET（寶特瓶材質）與各種橡膠材料（rubber）、合成纖維（Synthetic Fibers）（尼龍、腈綸）材料及化學品如清潔劑、黏著劑、溶劑、肥料等。各種原料再經過塑膠、橡膠、纖維等特定的加工程序，提供現代生活科技產業不可或缺的材料。石化產業為國家工業發展的火車頭工業，是一切的產業材料來源的基礎。 圖二：石化產業範疇應用 （圖片來源：2014年IEK整理） n  臺灣化學工業的發展概況 一、臺灣的石化工業起源與場域 回溯我國塑膠化學材料產業的發展源頭，主要是沿襲日治時代遺留下來的高雄煉油廠及臺灣肥料株式會社，民國50年代開始建立，從一輕、二輕輕裂廠開始，接著十大建設發展國家級基礎石化工業，建立「仁大石化工業區」與「林園石化工廠」、臺灣經濟步入起飛階段。經過60多年發展，主要的產業聚落分散於大高雄地區、雲林離島工業區（台塑麥寮六輕廠）、桃園、新竹、苗栗、頭份、彰化等各縣市。石化產業扮演臺灣經濟成長重要的推手。我國石化工業區分布概況如圖三所示。雖然北、中、南部各有石化聚落分布，但總體而言雲林麥寮六輕台塑體系與在高雄林園、仁武、大社泛中油體系石化中心，此二區域是臺灣兩個最大石化重鎮，供應臺灣化學材料工業中、下游產業所需原材料，佔整體臺灣石化產業產值三分之二。 圖三：我國石化工業區分布概況 （圖片來源：經濟部石化高值化推動辦公室） 二、我國乙烯的產能居世界地位 乙烯產能可以概稱是石化產業發展能力的指標，是石化工業導入民生工業與產業應用的起始。臺灣乙烯產能以台塑麥寮六輕生產300萬噸與中油系統新三輕廠與四輕、五輕廠生產150萬噸，兩者合計450萬噸，產能佔世界第10位。表一為2014年全球主要乙烯生產國家產能，表二為我國103年以前乙烯生產裝置。近期發生乙烯產能生產重大事件有：民國100年政府停建國光石化計畫，104年政府承諾中油五輕廠（高雄左營地區）運作25年後將遷廠，乙烯減產50萬噸。當今環保聲浪興起，民間普遍對石化錯誤不良印象，導致國內石化投資環境險峻，業者很難在臺灣繼續投資擴廠。最近十年來石化產業重大投資都在海外，如台塑集團在美國德州廠與興建中路易斯安那州頁岩氣乙烯輕裂廠。長春集團在新加坡裕廊島與大陸盤錦工業園區投資。中、下游產業在大陸與東南亞地區擴廠生產更是普遍。國內石化業者克服臺灣地區乙烯設廠拓展產能不足問題，以海外發展補足石化產業原料需求不足問題。 表一：2014年全球主要乙烯生產國家產能 （資料來源：2014 年石化高值化推動辦公室） 表二：我國乙烯生產裝置 （資料來源：2014年石化高值化推動辦公室整理） 三、我國化學工業產業規模發展 臺灣沒有資源，臺灣經濟過去一直仰賴進口原物料加工成產品再外銷，賺取經濟利益，石化工業也是如此。我國化學工業依照經濟部統計處廣義定義範圍包：皮革、毛皮及其製品製造業（13）、紙漿、紙及紙製品製造業（15）、印刷及資料儲存媒體複製業（16）、石油及煤製品製造業（17）、化學材料製造業（18）、化學製品製造業（19）、藥品及醫用化學製品製造業（20）、橡膠製品製造業（21）、塑膠製品製造業（22）。總體103年營業產值4.3兆，從業人員：41.6萬人，工廠數：~1.6萬家。各類別營業額、工廠數、就業人口與人均產值如表三全國化學工業產業概況。 表三：全國化學工業產業概況 （資料來原：103年經濟部統計處） 上、中、下游，將煉油、化學製品、塑橡膠原料、製品業含括在內，占製造業總產值25~30%，足見其產業影響重大。圖五為統計化學工業歷年佔總體製造業產值比例。若以狹義石化上、中游化學材料製造業定義（18），石化工業包含：基本化學材料製造業、石油化工原料製造業、肥料製造業、合成樹脂及塑膠製造業、合成橡膠製造業、人造纖維製造業。化學材料製造業年產值~2.14兆，略大於我國政府年歲出預算1.9兆。 圖四：化學工業歷年佔總體製造業產值比例 （圖片來源：經濟部工業局） 四、化學材料製造業市場，以外銷出口為導向之工業 我國石化上中下游產業完整，除石油需進口外，從原油煉製到輕油裂解乙烯，各種化學品單體、塑橡膠原料製品到支援民生工業需求，整體產業發展完整，表四為化學材料製造業概況(18)。上游石化原料以自給供應為主，中、下游衍生化學品、塑膠原料產品除自給外，也肩負外銷促進經濟發展的主要任務。我國大宗石化塑膠產品主要以出口為主（見圖四），表五為2014年我國大宗石化產品出口比例與出口中國大陸情況，石化產品主要生產泛用塑膠等石化原料，且以中國大陸為主要出口市場，但中國大陸近年積極擴建產能提升自給率，加上我國石化品主要以中國大陸市場為出口地（約占出口量之63％），並以五大泛用塑膠通用級產品與人纖原料為主，市場過度集中成為我國石化業隱憂。 表四：化學材料製造業概況(18) （資料來原：102年經濟部統計處） 圖五：2014年我國大宗石化產品各地區出口比例 （圖片來源：經濟部石化高值化推動辦公室）   表五：2014年我國大宗石化產品出口比例與出口中國大陸情況 產品 生產量 出口量 出口 比例(%)  出口中國 (含香港) 出口中國 佔總出口比例 PE 1101 697 63.3 424 […]

新世紀的化學工程： 化學工程在製藥過程中所扮演之角色及其發展 李  度*、李弘霖、李之穎 國立中央大學化學工程與材料工程學系 *tulee@cc.ncu.edu.tw n  前言 一般而言，藥物製品在經過設計與監控人體內的藥物釋放後，就能針對疾病作出精準的治療。藥物製品包含「活性藥物成分」（Active Pharmaceutical Ingredient, API）及特定的賦形劑，其中API是藥物當中的主要有效成分，通常是經由化學合成或生物化學所製備的，而賦形劑則具有許多作用，譬如：使藥錠不易碎裂、遮掩藥物的苦味、與促進藥物的溶解度使其易於吸收以增強藥效，此外，亦可使藥物在有效期內不會變質。在美國，聯邦和各州都有法律管制藥品的生產及銷售，如美國食品藥物管理局（Food and Drug Administration, FDA）的存在目的是要執行美國國會的授權，去審查與批准食品、藥品和化妝品的製造及發售的整個過程，由於歐美在製藥業有著上百年的歷史背景與文化，因此我們將以歐美現有的概況來進行介紹。 n  藥物研究與發展時程 在現今的製藥產業中，新藥的研發從在實驗室裡藥物分子的開發到投入市場販售約需花費10到15年，而在數千至數萬個被評估可能具有療效的藥物分子當中，只有極少數的藥物分子能通過所有的安全、有效性及臨床試驗，最終獲得批准。圖一為典型藥物發展的時間表。 圖一：藥物研究與發展（從開發到核可）的時間表 （圖片來源：Pharmaceutical Industry Profile 2009, Pharmaceutical Research and Manufacturers of America, PhRMA, www.phrma.org） 由圖一可知，藥物臨床時期長達6到7年（臨床試驗一期到三期）其目的是為了要瞭解藥物對於特定疾病的療效和毒性、突變性以及致癌性等負面影響。最近10年，已有超過300個新藥獲准上市，根據統計，2006年製藥產業創造了約68萬個工作機會；2007年在研究與開發（Research & Development, R&D）方面投資約600億美元。一個新藥通過臨床試驗且獲得FDA的批准，其成本在2008年估計約為10至35億的美元，相較於2001年，一個藥物獲准上市所需的平均成本僅為8億美元，然而，從產生一個藥物化學結構到新藥市售所花費的成本可以分為：藥物分子的探索25%，安全性與毒性的評估15-20%，臨床試驗35-40%，而產品開發則佔30-35%。近幾年，藥物分子能通過二期和三期臨床試驗後成功獲得法律認可上市的比例持續地下降，其中，有時臨床試驗的成功率偏低是由於製藥公司把比較複雜的疾病作為標靶治療的緣故。 了解疾病的症狀及起因是新藥開發中相當重要的一環，時至今日許多疾病的症狀和起因，包括不太複雜的生物學機制等問題都已獲得解決，而愈複雜的疾病其新藥的開發就越是艱難，臨床試驗的通過變得更加艱鉅，使得R&D的投資報酬率降低，整體計畫的支出和投入的資源也隨之提高，，此外，一旦重要藥物的專利即將到期，高利潤將會逐漸被眾多副廠藥（Generic Drug）所瓜分。在製藥產業中，R&D的費用不僅會隨著法規審核標準的提高而增加，同時也會面臨產品獲利及定價上的挑戰。 藥物銷售的另一個影響是在於病人給付醫藥費用的方式：負責支付處方藥的機構，例如保險公司和健康維護機構（Health Maintenance Organizations, HMOs）都將會影響其成員的醫療選擇。雖然這些機構不能直接指定患者該使用何種藥物，但對於較貴的藥物他們可以規定患者需要負擔其部分費用。隨著人類壽命的延長，健保收入的減少，而醫藥製品的需求卻不成比例的大幅增加，為了確保各行各業的人都有藥品可用，更低的價格無疑是需要的。另一方面，由於互聯網的日漸普及，患者可以獲得更多資訊去選擇更有效的治療方案。 為了降低成本，滿足全球的新興市場，製藥業從原本集中地—美國、歐洲、日本等國家和地區遷移到中國、印度等地區，這促使精密實驗室在這些國家快速發展。雖然全球化帶來了物流、語言障礙和製藥上的文化差異等種種挑戰，但藥物的銷售卻因而獲得顯著的成長。 日前新藥的研發正試圖解決治療上的許多問題，但探討複雜疾病需要更艱深的科學，而製藥本身就是一門高度跨領域整合的重要科學，涵蓋了生物學、化學、工程學及統計學，這些專業將面臨更多的挑戰。從分子領域到下一個新藥物，製藥科學的挑戰包含以下幾方面：(1)大多數藥物分子在人體組織內的溶解度和滲透性皆偏低，使得藥物在人體內的輸送更加困難，(2)高藥效的分子所需的劑量非常低（有時只需要不到幾毫克），這會大幅度地增加藥物在配方上的難度，需要更新的藥物輸送系統以確保新藥物的效用，以及(3)從學術上瞭解人類基因遺傳密碼的運作，把獲得的知識轉化為改進人類健康的鑰匙。除此之外，在製藥的發展上也須與國際合作、與國際人才交流來開拓國際市場及維護藥物專利，因此製藥公司的員工也必須增進其英語—聽說讀寫的能力。 n  化學工程與製藥 不過，挑戰的同時也創造出不少機會，例如：化學工程師需求增多，結合工程概念以尋求規模經濟和高效技術的應用，而技術的創新和工程的剖析促使病人對產品價值的認識日漸成熟。化學工程領域的知識及技術常與錯綜複雜的製藥科學交織在一塊，藥物科學結合化學工程常用的工具可增加藥品的價值。不論在策略或技術方面，包羅萬象的化學工程常要面對這些工業上的挑戰。由於成本的考量，工程師開始廣泛使用各式各樣的工程工具以提升製藥的利潤，而這些工具包括：單元操作的理論模型、高效的實驗方法設計及程序上的控制，製藥工程師所使用的理論計算同樣是源自於石油精煉的程序，這些程序可以優化API的蒸餾製程和溶劑回收的製程；同樣地，熱力學的溶解度理論模型亦可應用於優化API的結晶製程，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）則應用在藥物的流動上。 基本科學和工程科學可以突破瓶頸、提高產量並解決製程中所面臨生物、化學及配方上可能發生的問題。在研發過程中，高通量篩選（High-throughput Screening）工具的使用和實驗室多重反應器系統都能有效且快速地產生數據，如果理論模擬和評估無法提供一個完整的程序構圖，工程師亦可用快速且高效的技術來獲得所需的數據。重要的是，並非所有實驗室內先進的技術皆能在所有情況下產生作用，例如：微型反應器系統適用於均相化學反應，而對於非均相化學反應會造成混合上的不均勻，因此，對於化工原理的洞悉，包含質傳、熱傳、反應動力學和流體力學等，都有助於提供實驗室技術的選擇以及對數據的正確詮釋。有了適當的設備後，工程師方可利用統計學上的實驗設計獲得數據，對於化學工程師而言，理論模型與實驗數據的整合有助於對整個製程的理解。 由於法規環境的改變，依據國際醫藥法規協合會（International Council for […]

新世紀的化學工程：化學工程在生物科技上的應用與發展 孫一明1, *、朱一民2 1元智大學化學工程與材料科學系2國立清華大學 化學工程系*cesunym@saturn.yzu.edu.tw n  前言 乍看之下，化學工程給大家的聯想是是用大量的化學物質來製造化學品或是塑膠類的產物，往往造成空氣、水與大地的污染。然而，化學品的使用卻是與人類生活所需息息相關，不但提供了最現代的衣物纖維原料，製造身上穿戴的涼感衣，也提供了最新手機內電子元件製造所需要的原料。若沒有化學工程，所有科技都失去進步的根基。就名詞上，很難想像生物科技與化學工程有任何關聯，但是現任的中央研究院廖俊智（James C. Liao）院長，確是以化學工程的背景與專長，在生物科技上做出重要的貢獻，而為科學界所肯定。或許大家都很好奇，也不甚瞭解生物科技與化學工程間的關聯，就讓我們來看看化學工程內所受的訓練是如何應用於生物科技上的發展。 n  生物科技與化學工程 首先，讓我們先瞭解生物科技的內容是什麼？有興趣的同學，可以在維基百科中查到：生物科技（biotechnology）是指使用分子生物的方法，於生物體（含動物，植物及微生物的細胞）中進行基因操作、蛋白質操作或是細胞的操作技術，以改良生物體的特性，生產有用的產物或是創新物種的科學技術。根據不同的工具和應用，它往往與生物工程和生物醫學工程的領域重疊；然而，這些技術的源頭，都是基於我們人類對於生物化學的瞭解所產生。 生物體內有無數個由生物酶所催化的化學反應，生物體內的各種器官或是細胞，就像許多大小不一的生物化學反應器所組合而成，將生物體內的化學分子轉化成生物體的組織結構或是運動的能量，以執行生命的功能；因此，任何生物體都是一個複雜的化學工廠。化學工程師的訓練，就是讓我們可以與生物科學家共同分析、瞭解與操控生物體內的化學反應，以改變生物體的行為與特性，這些研究發展所衍生的技術，均為生物科技的一環。這些技術的發展，可以讓我們應用於疾病的治療，製作生物感測器以用於醫療診斷，讓基因改良的黃豆植物不會受到除草劑的傷害，可利用生物酶在工業反應器中催化某些特定化學反應以產生化學品，經基因調控的微生物可以在工業反應器中生產生質燃料或是治療疾病的藥物，更有利用藥物控制釋放的技術將藥物或是基因遞送至所需治療的部位；這種種的技術，都可以看到化學工程訓練的實際應用。 n  新世紀的化學工程 一般而言，可以讓大學教育中化學工程學系與其他學系區分的主要科目為：質能均衡、輸送現象、熱力學、反應工程、程序設計等核心課程，而與化學系相重疊的無機化學、有機化學、物理化學、生物化學、儀器分析等科目，另外許多學校也提供了與材料相關的材料科學、高分子材料、無機材料等課程。這些基礎的訓練讓化工系畢業的學生有廣闊的發展空間，不但可以處理巨觀的工程問題，生產數以噸計的產品，也可進入微觀的世界，處理奈米尺寸的尖端科學問題。在就業上，除了一般化學工業所需的工程師之外，在國內重要的電子產業也發揮許多貢獻，而生技醫藥方面更是化學工程可以產生重要貢獻的新興產業。 舉例而言，微生物細胞內為了達成某一種化學物質的產生，往往經過許多一連串生化反應的步驟而獲得，這些一連串的步驟又可能不只一套，有可能是並行與相互影響的，因而形成一細胞內生化程序網絡。我們可以藉著反應工程與程序設計的觀念，將這些反應途徑的變化，用數學的模式予以描述分析，找出反應途徑中主要的限制因子，再利用基因工程的技術，修改某項調控基因的表現，進而改變這限制因子，使得我們可以得到專一與大量所希望獲得的化學物質（見圖ㄧ）。這相關的科技進步，建立了近三十年所發展的代謝工程（metabolic engineering）領域，使得化學工程師可以藉微生物由可再生的生質原料或是可造成溫室效應的二氧化碳產生有用的化學品與燃料，這項突破使得人類更有機會建構以生物科技為基礎的循環經濟（circular economy）。而代謝工程的鼻祖傑·貝利（Jay E. Bailey）教授與之前所提到的廖俊智院長等兩位，均是接受完整化學工程的訓練，並能在此領域中發揚光大的佼佼者。 圖ㄧ：利用代謝工程的技術，可以調控微生物體內代謝的途徑，用以製造所需要的化學物質（化學品、藥物與燃料油等）。在此每一個微生物細胞即是一個反應器，若將此類微生物於大型反應器內大量培養，即所謂的發酵工程。 （圖片來源：http://science.sciencemag.org/content/sci/330/6009/1355/F1.large.jpg） 此外，不知道同學們是否聽說過在老鼠身上長出耳朵的故事（見圖二），那是組織工程學（tissue engineering）中為人所津津樂道的例子。組織工程學是利用細胞（通常為幹細胞），藉由支架（scaffolds）的支撐與構建，在生長因子（growth factors）的刺激下，通過體外培養的方法，誘導細胞成長以再造或修復器官及組織的技術，目前已經有再造骨、軟骨、皮膚、腎、肝、消化道及角膜、肌肉、乳房等組織器官的可能。組織工程學的發展包含許多跨領域的訓練，對於組織成長環境（生物反應器）內養分與代謝物的物質傳遞（mass transfer）與流體力學（fluid mechanics），會利用到化學工程中輸送現象與反應工程課程所討論的觀念；而支架所需的材料，多為可生物降解的高分子材料所構建。現代化學工程的進步，也推動組織工程學的發展，而其中最重要的先驅者鮑勃·蘭格（Bob Langer）教授就是任職於美國麻省理工學院的化學工程學系；他所主持的研究室，有一百多位博士級研究員，所產生的研究成果，均在生技醫療上有著重要的影響。 圖二：老鼠身上的耳朵。 （圖片來源：http://openwetware.org/wiki/Ear_on_a_Mouse,_by_Brittany_Forkus） 又以生質能源而言，利用可行光合作用的植物與水中的藻類，吸收太陽所釋放的能量，將二氧化碳與水轉化成有用的澱粉、纖維素、半纖維素、油酯或木質素等有機物，可以經過轉化（包含生物催化、熱裂解與化學催化）或是萃取生產燃料（見圖三），能夠部分解決能源匱乏問題。雖然目前成本仍高，難以與當前低價的石油能源競爭，但是若要降低二氧化碳排放，生質燃料仍是一個必然的選項。這裡面的生物催化過程或是藻類養殖顯然用到生物科技的基本原理，但是實際的大型生產系統卻是不折不扣的化學工程問題，所有質能均衡、輸送現象、熱力學、反應工程、程序設計等核心課程的訓練都會充分被應用到。 圖三：收集農業廢棄物（玉米桿、稻稈、芒草等），經酵素水解與微生物發酵將纖維素與半纖維素轉化成酒精，以成為生質燃料的化工製程。 對於一化學工程學系的學生而言，對於生物科技的初步學習會來自於「生化工程」（biochemical engineering）這門課程，一般而言，教師們會以生物科技上中下游產業鏈中各種生化製程為例，介紹大規模生產生技產品所需的生化工程科技。課程中會引入生物分子及細胞的知識、生化反應動力學、基因工程等，與介紹生化程序工程的主要技術，包括固定化生物酵素、微生物醱酵工程、生物反應器、動植物細胞培養工程、生技產品的分離與純化工程、生化程序工程的設計與經濟評估等等。有些學校會特別提供生物化學相關的課程，強化生物分子（氨基酸、蛋白質、醣、脂肪、核酸、基因等）的訓練，建立同學對於生物科技基礎的認識。也有些學校也會提供生醫材料、藥物控制釋放與生物醫學等相關的課程，介紹材料於生物醫療器材、藥物傳遞系統設計與組織工程學上的應用。若是有志於就讀研究所的同學，將會發現各校的教師們也有很多從事生技醫藥主題相關的研究；對於生物科技有興趣的同學，可以在化學工程的訓練中找到許多發展的機會。 n  結語 綜合而言，以化學工程的專長投入生物科技產業，是一個相當具有挑戰性的工作，許多發展中的技術，有待年輕人投入。但就現實面，目前國內化工相關的畢業生，能夠進入生物科技相關產業的比例並不高。根據一些非正式的調查，各大學化工系畢業生僅約百分之五會從事生技醫藥相關的工作，而絕大部分（約百分之五十）受到電子與光電相關產業的吸引。主要仍是因為國內缺乏大型的生物科技企業，許多生技醫藥公司，仍屬於中小規模，所需的專業從業人員總額有限。即便如此，只要是以生產藥物為主的公司（非研發型公司）都必須許多化學工程師參與藥物生產、分離純化，及品管分析等工作。過去一百年以來，石油所主導的經濟發展（petro-based economy）已經達到飽和，為了追尋永續的發展，生物經濟（bio-based economy）將逐漸興起，無論是醫療健康的紅色生物科技、農漁牧的綠色生物科技或是工業應用的白色生物科技方面，倘能有突破性的發展，均將主導未來世界經濟發展的走向。能夠掌握生物科技生產技術的個體、企業與國家，將會是影響未來的大贏家。若是以生物科技為職涯發展的化學工程師，我們的優勢是能夠處理宏觀的經濟分析、巨觀的生產操作與微觀的科技研發；這是一條艱辛的路，含有許多未知與風險，但也充滿了機會與追求永續發展的意義。 n  附註 本文內之專有名詞與人物，均可透過網路檢索，做延伸閱讀。

新世紀的化學工程：電子材料與電子特用化學工程 竇維平 國立中興大學化學工程學系dowwp@dragon.nchu.edu.tw n  前言 化學工程之所以在「工程」之前寫上「化學」，表示這樣的專業是在大學工程學院裡，唯一具備廣泛化學背景的工程學科。因此，化學工程常被稱為「工業之母」，便是這個道理。人類的食、衣、住、行、娛、樂等，都需要「製造業」才能產生出相對應的物質或功能，這些製造的過程，在化學工程中被稱之為「製程」（process）。換言之，人類所需的任何東西，都要有一定的製程步驟，才能獲得最終的「產品」。 在所有產品的生產過程中，需要各式各樣的化學物質，產生各種材料[1]，以便符合人類最終的功能需求，其中電子產品便是現代較具代表性的物品，如電腦、顯示器、智慧型手機、數位相機、數位電視機等。這些電子產品在生產的過程中，需要大量的化學物質與材料[1]，因此，化學工程與材料科學便息息相關、密不可分。本文將以電子材料為代表，闡述材料科學在化學工程學科裡的重要性及相關性。 n  化工與材料 在化學的世界裡，主要是以原子與分子來看這個世界[1]。但是，在化學工程的世界裡，是以原子、分子、化合物、反應工程及材料工程來看這個世界。換言之，化學工程是將週期表上的所有元素，經由一定的程序與製程，產生特有的材料，製造出有用的產品。化學工程的熱力學，可以告訴化學工程師，哪些化學反應是會發生的？哪些化學反應是不可能發生？藉由這樣的熱力學計算，化學工程師可以事先預測材料的可行性與穩定性，進而找出可行的化合物質與材料，然後置入產品的生產製程當中。 任何材料，如高分子材料、塑膠材料、陶瓷材料、金屬材料等，都具有特定的化學鍵結，如共價鍵、離子鍵、金屬鍵、配位鍵等，化學工程師在瞭解這些化學的基礎之後，才能選擇適當的材料，作為可靠度較佳的電子產品。在化學反應工程中，不是單單只有同相的（homogeneous）化學反應，產生同相的化學產品；也常常會有異相的（heterogeneous）化學反應，產生相變（phase change）之後，如液體變成固體，才是化學工程師要的材料。例如：原本是液相的電解質，經過通電過程，可以將溶於水中的金屬離子，轉變（還原）成金屬原子，沈積出特定的金屬圖案於特定電子元件上的特定區域，進而變成電子產品中的導線。這樣的製程，吾人稱之為電化學沈積（electrochemical deposition）製程，或是俗稱的電鍍（electroplating）製程。 n  電子材料與特用化學工程 以電子產品中的智慧型手機為例（見圖一），其中吾人常會需要用到的電子材料與元件有：（1）中央處理器，以半導體與金屬材料為主（見圖二、三）；（2）晶片封裝，以高分子材料為主；（3）觸控面板，以透明導電玻璃材料為主；（4）訊號傳輸天線，以金屬材料為主；（5）主機板，以樹脂、玻璃纖維、金屬復合材料為主等等。 圖一：智慧型手機之內觀（圖片來源：http://goo.gl/eJq876, Public domain） 這些電子材料與元件，都需要經過複雜的特用化學製程，才能將其生產出來，如無機元素摻雜矽材料製程，氣相沈積製程，化學機械研磨製程，有機化學合成製程、化學鍍製程、電鍍製程等等。圖二、三便是12吋晶圓以及中央處理器所需要的半導體矽材料、金屬材料與介電材料等。   圖二：12吋矽晶圓（左）；32奈米中央處理器之9層金屬導線電子切片影像（右）[2]（Copyright permission） 圖三、以電鍍銅金屬當導線之邏輯晶片[2]（Copyright permission） 隨著電子產品日新月異，功能越來越強大，因此，電子元件的記憶體容量也隨之被迫提昇。因此，動態隨機讀取記憶體（DRAM）便水漲船高，但是，由於此電子元件之電路設計或是製程方法之門檻不是非常高，因此，售價一直沒有起色，甚至多家廠商因此經營不下去。但是，一個電子產品若是沒有DRAM，幾乎無法運作，所以，三維（3D）空間之DRAM晶片堆疊製程技術便開始大展生手，如圖四所示。這樣的晶片3D堆疊封裝技術，主要是利用電鍍銅技術，將晶片與晶片之間的線路予以垂執導通，大幅縮短導線的距離，同時縮小封裝元件所佔據的面積，因此可以獲得功能強，但輕薄短小的電子產品。在這樣的電鍍銅製程技術中，會用到電子特用電鍍配方，俗稱「功能性電鍍」配方，其中包含無機化學藥品、有機電鍍添加劑。此技術的開發，早在2003年，便有學者提出可行的學術論文研究成果[3]，如圖五所示。 圖四：三維半導體記憶晶片堆疊封裝示意圖[2]（Copyright permission） 圖五：利用電鍍銅製程以及電子特用化學品，將微米尺寸的矽基材深孔洞予以填滿金屬銅，用來連接上、下晶片的線路[3]（Copyright permission） 電子產品都需要電源，近年來，鋰電池已經成為電子產品之電源主流，因為充電快、蓄電力強大，而且輕薄，因此，幾乎成為電子產品的最佳電源供應器。圖六顯示，要製造鋰電池的銅箔電極金屬材料，亦需要利用電鍍銅製程，同時亦需要添加特用的無機、有機化學藥品，才能使得鋰電池之電極銅箔具備光澤性，同時具備特有的金屬結晶結構。如此才能獲得良好的電力。這些電子特用化學品，在電子產品生產或是在其周邊配備生產中，都具有不可或缺的一席之地，否則將無法產出特有的電子產品之功能或是性能。 圖六：電鍍銅箔表面電子影像，（a）沒有添加電鍍添加劑，（b）添加抑制劑、加速劑、平整劑以及氯離子[4]（Copyright permission） n  結語 化學工程中的電子材料工程與科學，是現今化學工程學學科的重點專業知識之一。由於近年來電子產品的發展快速，功能又五花八門，因此，材料科學在化學工程師的養成教育中，漸漸轉變成一項主流。因為化學工程是大學工學院當中，唯一具備化學與工程雙專業科技的學科，最特別的是，「製程」又是化學工程的專業之一，因此，從最基本的化學元素，一直到最終的實用產品，化學工程無所不在。 n  參考文獻 [1] 林文雄、林孫基、劉仁煥、李國興、竇維平、劉秀齡，化學，臺灣培生教育出版股份有限公司，臺北市，2009。 [2] T.P. Moffat, D. Josell, Electrochemical Processing of Interconnects, Journal of The Electrochemical Society, 160 […]

新世紀的化學工程：快速偵測與分析的實驗室晶片 莊怡哲 國立成功大學化學工程學系yjjuang@mail.ncku.edu.tw n  前言 幾乎每個人都有進過醫院、看過醫生，不管是做身體的健康檢查或疾病的診斷。在報到或問診完後總是先抽取一或數管的血液和收集一管的尿液，然後交給護士，之後在不同儀器機台上進行繁瑣或費時的樣品處理及分析，有的還算快，十幾分鐘後就知道檢測的結果，有的就非常慢，得幾小時甚至幾天後才知道檢測的結果。想像一下，如果對於每項檢測都能僅抽取些微的樣本（血液或尿液），並且在數分鐘之內便能知道檢測的結果，這將使得醫生、受測者或病患能在最短時間內了解自身的健康狀況或病情，進而提供即時的建議或治療。更進一步，如果這些檢測可以在家裡自我實施，亦即重點照護檢驗（point-of-care test），對於行動不便者或忙碌的人將是一大幫助，若再透過網路醫療系統，將檢測的結果上傳並建檔，便可和醫生保持相當程度的互動。另外，針對汙染物或是毒物的檢測若也能更靈敏、快速、簡易，則在環境污染防治或是食品安全的把關就可以更有效率。近年來，隨著微全分析系統（micro total analysis system, mTAS）或實驗室晶片（lab chip）的發展，上述的願景已經或是逐漸在實現當中。本文將介紹所謂的實驗室晶片，以及建構實驗室晶片所需要的微流體系統∕技術。 n  實驗室晶片—微流體系統∕技術 何謂微全分析系統或實驗室晶片？就是將樣品的處理及分析（如輸送、分離、集濃、偵測等單元操作）整合在一個具有可容納及輸送微量樣品的晶片上，這樣的晶片就是所謂的實驗室晶片。第一個實驗室晶片是由Dr. S.C. Terry等人在1979年所發展出來的，用於氣相層析[1]，之後在1990年初由Prof. Manz及其團隊將實驗室晶片的概念用於化學偵測分析，並且作進一步的闡述與發展[2-4]，再加上當時基因體研究及發展可攜式生化武器偵測系統的需求，進而促使這方面的研究迅速蓬勃地發展。由設計和構造來看，實驗室晶片其實就是屬於微流體系統（microfluidic system）。微流體是一探討在微米（10–6 m）至一毫米（10–3 m）之間的尺度下操控微量流體的科學與工程技術（Microfluidics is the science and engineering of systems that manipulate small amounts of fluids at length scales from a few micrometers up to a millimeter.）[5]。簡單來說，就是我們平時用來輸送流體的管子，把它的直徑縮小到微米（mm）[註一]與一毫米（mm）之間。當微小化之後，第一個驚嘆（至少就我而言）是我們竟然可以在悠遊卡大小一般的基板上進行流體的驅動及生化分析實驗，而且所需要的樣品量只有幾微升（1 mL = 10–3 mL）！（以前做單元操作實驗都是在諾大的實驗室裡，面對直徑動輒一、兩吋以上的管子及以毫升（mL）甚至升（L）為單位的瓶子）。其次是微流體晶片除了類似方形的悠遊卡之外，也可以是圓形的光碟，如圖一所示。    圖一：Lab Card（左）和Lab Disk（右）（圖片來源：http://goo.gl/y5Aods; http://goo.gl/wx6lyD. Credited […]

新世紀的化學工程：國際間減碳相關產業之發展狀況 顧  洋 國立臺灣科技大學化學工程系ku508@mail.ntust.edu.tw 摘要：由於溫室效應對於全球氣候變化的影響已經相當顯著，因此許多國家與產業都將投入大量資源以努力降低全球氣候變化的影響，其中當然隱現著未來全球減碳領域的龐大新商機，各項減碳相關創新技術因而相繼發展。減碳產業是藉由能源開發、材料、設備、製程以及產品之改善，以達成減碳目的之產業，其產業範疇目前可略分為再生能源、節能材料、節能設備及產品、系統能源整合、節能減碳認驗證等。面對未來之挑戰，我國應確實評估減碳相關產業之發展潛力，擘劃適合因應減碳之產業發展策略及措施。 n  前言 對於人為溫室氣體的排放所引發的全球暖化及氣候變遷現象，似乎比過去的預估發生的更快、更顯著。由於全球平均溫度（約為攝氏14.5度）據估計已經超過工業革命前（全球平均溫度約為攝氏13.7度）約攝氏0.8度，而已經累積在大氣中的溫室氣體預計仍將提高全球平均溫度約攝氏0.5至0.7度，因此全球氣候暖化問題自1980年代開始受到注意。1992年各國簽署通過聯合國氣候變化綱要公約（United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC），承諾全球合作共同努力減少全球溫室氣體的排放量，其後並於1997年通過京都議定書（Kyoto Protocol），明訂管制之溫室氣體種類，且依據公平與歷史責任（自1850年以來全球人為溫室氣體排放累積總量，約有76%是由已開發國家所排放），訂定明確之溫室氣體排放目標和減量責任。 京都議定書於2005年正式生效，迄今實施已超過十年，全球已開發國家之溫室氣體排放總量仍然維持在約每年160億公噸二氧化碳當量，但是其中許多已開發國家（包括美國、日本、加拿大、澳洲等）並無法達到京都議定書原規定之溫室氣體排放目標。而且由於京都議定書對於開發中國家並無溫室氣體排放目標之限制，1990年全球開發中國家排放總量約為150億公噸二氧化碳當量，至2013年則大幅增加一倍，達到約300億公噸左右。京都議定書原訂於2012年完成階段性任務功成身退，但由於國際間對於後續溫室氣體排放減量管制一直無法達成共識，迫使京都議定書不得不延續實施至2020年。除了美國自始一直堅持拒絕簽署加入京都議定書，更有部分原京都議定書締約方（包括日本、俄羅斯、加拿大、及紐西蘭等）拒絕繼續加入京都議定書第二承諾期（2012至2020年），再再使得京都議定書對於溫室氣體排放管制之成效受限。 去年（2015年）在巴黎舉辦的第二十一屆聯合國氣候變化綱要公約締約方大會完成通過巴黎協定（Paris Agreement），若各國順利簽署，將於2020年取代京都議定書，成為全球面對全球暖化及溫室氣體排放管制的主要規範。雖仍有部份看法認為巴黎協定為了建立各國共識與參與，僅是將過去公約締約方會議討論提出的多項重要原則納入協定條文，避開尚未有共識之分歧爭議，尤其是並未確實建立對於締約方具體且實質之管制目標及機制（如明確規範強制執行溫室氣體減量義務之懲罰性條文），因此對於未來各機制之實際運作方式，留下許多具爭議性議題仍待後續會議深入討論。但一般仍然認為巴黎協定為爭取最大參與，考量締約方對於經濟繁榮、社會公義之發展期望，因此條文內容極具包容性，確定全球減碳之長期目標，建立能力建置、資金、以及技術機制協助締約方氣候行動，強調定期稽核通報強化締約方推動氣候行動，並歡迎所有非締約方（包括城市、機構、民間團體、企業等）共同參與因應全球氣候變化相關活動，巴黎協定確立了未來全球邁向零碳社會轉型之架構規範。 由於全球暖化議題影響涵蓋的層面相當廣泛，與能源供需、產業發展之關連性相當高，因此溫室氣體排放的管制，應採取符合經濟效益的排放減量技術，包括推動能源節約、發展低碳能源、調整產業結構、二氧化碳的碳捕存技術（Carbon Capture and Storage, CCS）等措施，以降低溫室氣體之直接排放。因應全球暖化議題的急迫性，許多國家都投入大量資源以積極推動減碳相關產業的發展，依據各國提出之預期減量計畫內容，估計全球能源部門在2015至2030年間，因應暖化將可能需要約達13.5兆美元之投資，亦即未來平均全球每年需要投資8,400億美元以上的資金投入，隱現著未來在減碳領域的龐大新商機，因此國際間各種減碳科技及產業的發展快速，使相關產品的產能大幅增加；但近年來連連遭逢國際金融危機及經濟發展遲緩的衝擊，許多國家無法持續提供足夠支持，造成許多科技及產品之產能過剩、供需失調，對於全球減碳相關產業的結構、投資都面臨嚴重挑戰，未來發展前景、方向及速度受到明顯衝擊。但整體而言，減碳相關技術應用與產業發展仍被認為是因應全球暖化的主要對策，未來長期發展前景仍被看好。 n  國際間減碳相關產業之發展趨勢 國際間為了因應全球氣候變遷衝擊及能源供應匱乏之發展趨勢，已經積極開展各項減碳相關創新技術、產品、系統之研發、應用及推廣。有關減碳產業範疇，目前大致區分為再生能源、節能材料、節能設備及產品、系統能源整合、及節能減碳驗認證等，以下將分別略做說明。 再生能源相關產業 目前全球所使用的能源，仍然有80%以上來自化石燃料（石油、煤、天然氣為主），造成溫室氣體持續大量排放。根據國際能源署（International Energy Agency, IEA）的預測，未來全球能源需求仍將持續增加，將對自然資源和環境帶來無法承受的巨大壓力。未來國際能源供應匱乏情況，將可能因為化石能源枯竭、國際政經局勢不穩定等因素持續惡化，而能源使用標的間（包括國家、產業等）之競爭與衝突，未來也勢必將會更嚴重，而能源使用引發環境品質劣化的現象也將會更受關切。 再生能源是指「可從持續不斷補充的自然過程中，得到的能量來源」。可再生能源泛指多種來自大自然、取之不竭的能源，例如：太陽能、風力、水力、地熱等。惟現今人類實際使用之再生能源遠遠低於其可被開發的潛力，目前全球使用能源約有20%來自再生能源，其中約14%為傳統生質能（主要為木柴、廢棄物等），約3%是來自大水力，來自創新再生能源（小水力、生質能、風能、太陽、地熱等）則只約有3%。為因應節能減碳的風潮，開發具有自主、低碳特性的再生能源，已成為世界各國積極推動的重要目標。根據統計全球在2015年再生能源投資金額超過2,800億美元（包含小水力），而且開發中國家對於再生能源的投資金額總和第一次超過已開發國家總和。以電力供應而言，全球在2015年再生能源投資之裝置電力容量約為785 GW（不包含水力），佔全球新增裝置電力容量約54%；而其中以風能（約433 GW）、太陽能（約232 GW）、生質能（約106 GW）、與地熱（約13 GW）為主。再生能源除了供應電力之外，太陽能熱水裝置容量又提供約435 GWth的熱能，生質能源提供約1億2千萬公秉的燃料。目前全球至少有超過40個國家訂定具體之再生能源發展目標，超過170個國家訂定再生能源發展之相關政策，其中大多是以再生能源占能源供應的10~30%作為中期努力發展目標（2020至2030年間），預估再生能源發電占全球總發電量比例在2050年將可能提升至40%。更有些專家樂觀表示，如果得到足夠的政策支持，再生能源的發展到2050年有望滿足全球50%以上的能源需求。 節能材料相關產業 隨著節能減碳意識的高漲，許多產業紛紛投入節能、絕熱、及高導熱材料的研發。節能建築材料為節能材料產業中重要的一環，目前建築外殼材料之發展應用重點包括：輕質隔熱外牆板、隔熱塗料、玻璃透光╱隔熱塗層以及調光薄膜等建材。除此之外，高散熱材料以及高效能元件材料亦需隨之研發，高散熱材料是用來替換製程中各項設備之散熱材料，以增進散熱效率，而高效能元件材料則可以增加各項元件之能源使用效率，以達到節能的效果。除了進行因應全球暖化之材料研發測試外，並應加強推廣各項材料之運用，配合各項節能技術之發展，以達到節能的目的。 節能設備及產品相關產業 為積極協助產業節約能源，節能設備及產品可提昇能源使用效率，其中又以轉動馬達耗電量最大，用於幫浦、空壓機、風機等多種轉動機械設備，用電約占總用電量之六成以上，據估計馬達效率之改善，可節能潛力達20％以上。 冷凍空調設備及產品用電佔總用電量達兩成以上，所涵蓋的範圍包括從冷凍空調設備製造、建築與工業通風及空調系統設計施工等，因此各項新穎節能技術亦相應開發。根據統計全球照明用電佔總用電量將近兩成，全球照明節約能源潛力約為37-57％。白光LED技術運用於一般照明可有效省電且使用壽命長，取代白熾燈和螢光燈，已成為照明市場主流。 系統能源整合相關服務業 1970年代能源危機後，整合型的能源技術服務業（Energy Service Company, ESCO）在歐美國家開始應運而生，目前全世界已有超過40個以上國家積極推動能源技術服務業，提供各種能源用戶節能改善診斷諮詢、策略分析及系統工程規劃評估，針對設備系統規格之選擇、系統之監控、維護及調整、以及供電品質之改善等，整合冷凍空調、熱能與燃燒、電力及照明、遠端監控與預知維護保養等技術，協助有效提昇能源用戶設備系統之能源效率，並對節能績效給予保證、量測與驗證。 節能減碳驗認證相關服務業 溫室氣體排放之盤查登錄是推動溫室氣體管理的基礎，依據氣候變化綱要公約及巴黎協定的原則，推動溫室氣體減量策略之基線及績效，都需要依據係參考包括政府部門之法規規範、聯合國氣候變化綱要公約相關指引、ISO 14064及14065等國際標準，以進行完整的溫室氣體盤查認證程序。因此節能減碳驗認證相關服務業需熟悉相關規範內容，以提供產業溫室氣體之登錄、盤查、查證以及各項減量方法論擬定及撰寫之協助，作為產業進行溫室氣體排放量盤查、減量計畫與提出相關報告之參考。 國際間也積極推動各類能源或碳排放效率標章制度，包括：認證標章（Endorsement Labels）、以及比較性標章（Comparative Labels）等。認證標章係設定較佳的能源或碳排放效率標準（通常以市場效率前15%~20%之產品為門檻），針對符合此標準之產品授與標章；比較性標章通常為法規強制性之規範，是指提供相關資訊，以利消費者進行同類產品能源或碳排放效率之相對比較。有些國家已啟動綠色電力認證，區隔再生能源與其他來源發出的電力。產業未來進行相關能源或碳排放效率之查證及標章之申請等，都需要相關服務業的協助。 […]

新世紀的化學工程：薄膜水處理技術 童國倫 國立臺灣大學化學工程學系中原大學薄膜技術研發中心kltung@ntu.edu.tw n  化學工程與循環經濟 一般人對化工廠的負面刻板印象是製造污染和廢水的工業，實際上全球的化工業是最重視環保和水處理的，舉凡國際大廠BASF、Bayer、DuPont、DOW、DSM……等等，都是國際上最重視環保與水資源的模範生，國內也許多化學工業公司也都以環境永續發展為己任。為什麼是這些化學工業公司在推動環保，因為所有的基礎工程教育相關科系：土木、機械、電機、化工等四個系所，早期只有化學工程的教育將化學納入為核心課程之一，因此對於環境復育及永續具有環境化學所需的相關基礎專業知識，爾後由於環保意識日益升高，衍生出環境工程也投入了環保人才的孕育，也將許多化學相關課程納入其核心。 圖一：2020年化學工業發展願景[1,2] 近年全球興起循環經濟（circular economy）的概念[3]，其目標又遠高於一邊的環境保護概念，探討如何回收廢棄物中的有價物質，並設計新的化工單元程序將其再製成高值化的化學品，此實為具備化腐朽為神奇之工的化工人之專長，本世紀實為化學工程師的擅長時代。由圖一的化學工業發展願景來看，全球的化學工業已訂立了永續發展的宏願，未來再也看不到林立的煙囪，地面上都長出茵茵綠草，要完全的回收資源、能源及水，達到人類生活地球的永續運轉，這就有賴新的化學工業製程設計。本篇將以新的工業製程水處理膜過濾技術為例，介紹新世紀的化學工程教育中因應循環經濟發展所需而納入的新題材—膜過濾技術（membrane filtration technology），及其對基礎化學教育的倚賴，如何引進新的高效分離技術回收製程中的水，減少管末處理的需求，如圖二所示，甚至達到零液體排放（zero-liquid discharge, ZLD）的終極目標。 圖二、循環經濟（circular economy）發展的概念圖示 n  水資源的重要 我們知道地球表面超過70%的面積是為水所覆蓋，但這些水有超過97%是無法直接利用的鹹水，只有2.5%是不含鹽分的水，扣除兩極覆蓋的冰，只剩1.3%的地表水可茲人類使用。但近年來由於人口快速增加、地球暖化、產業蓬勃發展，水的問題在經濟發展上越來越重要，同時在食物及生質能源製造過程中耗用大量的水，更加速水資源缺乏窘境的惡化。目前全世界人口來到70億，以目前的水資源利用情形來看，到2025年有18億人不能享有基本的生活污水處理設施，將近2/3的人類會面臨水資源短缺的威脅。反觀臺灣，雖然年平均降雨量約是世界平均值的2.5倍，但由於地勢的關係，大部分的降雨都在兩天之內入海，無法有效利用，換算後每人每年所分配到的降雨量為全世界排名第18的缺水國[4]。因此，臺灣自2015年起推動相關的政策及法規，至今年（2016年）中正式全數通過包含再生水資源發展條例、自來水法修正案及水利法修正案等被外界稱為「節水三法」的重要政策，全面性的推動水資源開發與再利用。水資源開發重點包括多元化新水源的開發與工廠內部工業用水與廢水的回收再利用，多元化新水源的開發包括農業回歸水利用、大型廢污水回收與海水淡化等。 為因應近年全球與臺灣的對於水質以及水回收率要求的增加，發展新穎的高效能水處理技術是全球此領域專業人士的焦點。過去不管是自來水、生活污水或工業廢水處理，大都使用傳統的物理化學（如混凝、沈澱、砂濾）或生物（如活性污泥）處理程序，這些程序由於占地面積大、耗時耗能，且常需要加藥處理；因此，物理處理的膜過濾技術應運而生，但這些多孔性過濾膜的製作則仰賴高分子化學或無機材料化學科技。同時，因為近年膜製作技術的提昇，使得膜應用的設置與操作成本降低，因此薄膜在水處理及回收上的應用已經逐漸普及。本篇將以高分子膜為例，介紹常用於水處理之過濾膜材（membrane materials）及其化學結構，並簡介化學工程如何將這些高分子膜製作成模組（module）、設計出系統（system），再將其放大（scale-up）於實廠應用。 n  膜過濾技術 水處理用的膜過濾（membrane filtration）技術依其濾除物質與操作壓力大小可分為：微過濾（microfiltration, MF）、超過濾（ultrafiltration, UF）、奈米過濾（nanofiltration, NF）、及逆滲透（reverse osmosis, RO）[5-8]，實務操作上均是以壓力差驅動進流水，使其通過薄膜，以達到過濾分離效果。依水或廢水來源的不同，各種膜過濾技術可濾除之水體污染物種類可概分為懸浮固體微粒、病原蟲、細菌、病毒、膠體、有機物、染料、鹽類等，如圖三所示[8]。 MF薄膜多用來濾除粒徑大小在0.05~10微米（μm）間的懸浮顆粒，操作壓力約在0.5~2大氣壓（atm）；UF薄膜孔徑較小，多用來濾除粒徑較小的巨分子或所謂的膠體（colloids），大小在2~100奈米（nm），由於這些物質的尺寸都相當小，實用上又常以能阻擋之物質的分子量（molecular weight cut off, MWCO）來表示，約為2,000~500,000道爾吞（Dalton），UF的操作壓力約在1~5大氣壓。 NF則是近10年發展起來的膜分離技術，其〝膜孔〞介於超濾膜和逆滲透膜之間，膜的表面分離層由聚電解質所構成，可截留分子量在200-2000 道爾吞之間的有機物，並對二價和多價離子具有較高的截留率。可去除水體中的三氯甲烷前驅物質、低分子有機物、農藥、激素、砷和重金屬等有害物質，NF的操作壓力約在4~10大氣壓。 RO逆滲透是一般民眾最熟知的膜過濾程序，RO膜孔洞最小僅約0.2~0.4奈米（nm）只能讓水分子過，濾除其他物質，操作壓力受進水的滲透壓而異，一般家用的RO由於進水的鹽濃度相當低，操作壓力跟NF相近，約在6~10大氣壓力。而海水淡化用的RO操作，由於海水的鹽濃度約3.5%，其滲透壓力就約24~26大氣壓，因此一般海水淡化的RO操作壓力一般都高於50大氣壓，相當高的操作壓力，因此膜材料與模組的設計就必須考量其機械強度。 圖三：水處理用膜過濾技術分類圖譜（修改自日本Toray公司資料）[8] 一個好的膜過濾水處理程序端賴三個重要的關鍵環節，如圖四所示：1. 要有高透流率、高阻擋率、高抗污特性的過濾膜材（membrane）；2. 要有高填充密度（packing density）、高機械強度的模組（module）；3. 要有高穩定性、高可靠度的系統（system），近年的趨勢是於系統內加裝監測裝置（monitoring device）[9]。            圖四：水處理膜過濾技術的三個重要環節：材料設計、模組設計與系統設計。 在膜材料種類方面，有高分子膜（polymeric membrane）與無機膜（inorganic membrane）兩類，依膜材構造又可分為對稱膜（symmetric）與非對稱膜（asymmetric）兩類，如圖五所示。一般對稱膜的結構強度較高，而非對稱膜由於選擇層較薄，有較高的液體透過率。高分子材質或無機材質之MF/UF多孔膜材結構型態，依材料特性及加工製備方法不同而異。但微過濾膜（MF）大多製成如圖五（(a）的對稱膜結構型態，超過濾膜（UF）為儘量縮減選擇層厚度，則多製備為如圖五（b）的非對稱膜結構型態。而奈米過濾（NF）與逆滲透（RO）膜的孔洞最小，可預期的阻力也會最大，因此選擇層（selective layer）能越薄越好，一般厚度都控制在0.5微米（um）以下，因此表層多以界面聚合（interfacial polymerization）長成在多孔UF上，如圖五（c）所示。     （a）對稱膜（symmetric membrane）[10] […]

拉瓦節的化學革命 洪文東 美和科技大學護理系 hung3893@yahoo.com.tw n  前言 今天任何人都已認識物質是會在空氣中燃燒，有化學知識的人都理解燃燒就是物質與氧化合的現象。可是從瀰漫燃素論（Phlogiston Theory）的當時，一直到18世紀末法國天才化學家拉瓦節（Autoine Laurent Lavoisier, 1743-1794）的燃燒實驗，發現了氧，建構了新的燃燒理論，產生化學革命，的確要經歷一段相當漫長的時日。圖1為拉瓦節及拉瓦節伉儷。   圖1：近代化學之父—拉瓦節（左），拉瓦節伉儷，由大衛所繪（右） （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） n  化學革命：氧的發現與新的燃燒理論 在1773年，瑞典的謝勒（Karl Wilhem Schelle, 1742-1786）與在英國的普利斯特利（Joseph Priestley, 1733-1804）個別在實驗室中獨自發現了氧。兩人都一致認為「氧是支持燃燒的，而且與呼吸也有密切關係的氣體」。由於受到當時「燃素論」的影響，也都以為燃燒是氧與燃素的結合，而產生的物質才變成光與熱，或與物質逃離出的燃素相結合是氧。當時由於太相信燃素論，氧的發現對化學的進步也無多大的影響。 由於氧的發現，1774年拉瓦節進行了有關「錫」燃燒的實驗，如果以今日的化學語詞來表達，那就是富於定量的實驗，與謝勒和普利斯特利重質的定性實驗大不同。他先將一小片錫放在容器中封閉後加熱，結果錫變成「灰」，而容器內的空氣則被錫吸收；可是含有錫與空氣的容器重量並沒有任何改變。一打開容器的蓋子，發現空氣以強烈的趨勢被吸進去了，再蓋好之後稱其重量，結果發現，重量就增加了！其增加的重量剛好等於錫變成「灰」所增加的重量。 拉瓦節再以「水銀」進行同樣的燃燒實驗，也是發現相同的結果。他測量出實驗之前有50立方吋的空氣，已改變成為42~43立方吋的空氣，也就是大約有1/6的空氣被「水銀」所吸收。剩下在容器內的空氣則會使「燭火」熄滅，也會使老鼠窒息而死。他稱呼這種空氣為「Azote」（指氮氣而言）。其次，他把水銀燃燒後的紅色物質收集在長頸燒瓶中，加熱後，結果發現有7~8立方吋的氣體產生。這種氣體則能使「燭火」燒得更劇烈；恰與普利斯特利所發現「會燃燒的空氣」是一樣的氣體。後來由於此種氣體可以和「氮」、「磷」、「硫」等的氣體化合形成硝酸、磷酸、硫酸，因此他將此種可燃燒的氣體命名為「酸素」。 1777年拉瓦節根據錫與水銀的燃燒實驗，提出新的燃燒理論，認為空氣是由氮與氧形成的，金屬在空氣中燃燒會與氧結合成灰，燃燒就是與氧化合的反應。此種燃燒理論使化學家放棄「燃素」這種虛構架空的物質，而對化學進行革命性之改觀，奠定近代化學發展的基礎。圖2為拉瓦節的實驗室，收藏於法國工藝博物館。圖3為拉瓦節正在進行實驗的情形。   圖2：拉瓦節的實驗室，收藏於法國工藝博物館 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） 圖3：拉瓦節正在進行實驗 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） n  質量不滅定律 拉瓦節的燃燒理論最有力的依據就是反應前後質量的「定量性」，透過整個實驗，就各種各樣的反應，始終都使用天平非常徹底的觀察測量反應前後的質量關係，歸納實驗結果，建立了「質量不滅定律」。此一定律顯示：在化學反應前後，參與反應的物質，即使形態改變了，仍然在質量上不會發生變化。在拉瓦節的燃燒理論中，當金屬燃燒成為「灰」時，其質量所增加部份，非常正確的和所化合的「氧」的質量是相等的。此一定律確為化學反應最基本定律，化學家據此進行化學反應合成與分析，將所研發的產品供應各行各業的需要，普遍應用於日常生活中之日用品，提升生活品質。 n  化學命名法與元素分類表 1784年至1789年間拉瓦節和多位志同道合科學家共同發起化學命名改革工作，將化合物依其組成成分命名，取代以前依特性的命名方式。例如：「汞灰」叫做「氧化汞」，「金屬灰」叫做「金屬氧化物」。1787年出版「化學命名法」，現今所用的化學名詞，大多依此命名法而來。1789年出版「化學基本論述」，書中清楚陳述「質量守恆」的原理，並發展了英國科學家波義耳（Robert Boyle, 1627-1691）所提出的元素概念，指出元素是「用任何化學分析手段都不能再分解的物質」。他可說是第一位從許多物質當中，很具體的找出「元素」並進行明確分類的化學家。 根據拉瓦節「化學基本論述」觀點，「空氣」是「氧」與「氮」所形成，所以是混合物，而「氧」與「氮」都無法再分解成其他物質，所以是「元素」。又例如「氧化汞」加熱可分解成「氧」和「汞」，但不能再產生其他物質，所以「氧」與「汞」都是「元素」；而由「氧」和「汞」所反應形成的「氧化汞」就是「化合物」。根據此概念，在其論述中列出了包含33種元素分類表，如表1所示： 表1：拉瓦節的元素分類表 上表中元素名稱有小刮號（）者，並非是現在的元素，例如土狀元素之五種元素目前皆知是氧化物，只是由於在當時的化學技術無法分解出來的緣故。拉瓦節在表的後面有附註說明：「就我們目前所獲得的知識是無法再分解下來…。」換言之，他已預期此表再不久的將來會再修正的。他建立元素分類表旨在將化學「體系化」，他認為學問的體系化，必需考慮構成科學的事實，以及能使之聯想到事實之表象，並能有表達此表象之適當語言。 n  結語 拉瓦節說：「沒有理論，科學是不會進步的。欺騙我們的不是自然，也不是自然所提示的事實，而是我們自己的觀察。」拉瓦節的燃燒實驗，發現了氧，推翻「然素論」，建構了新的燃燒理論，產生化學革命。 他進一步根據實驗驗證建立了「質量不滅定律」，並先後出版了「化學命名法」、「化學基本論述」確立了「元素」概念，奠定了近代化學發展之基礎，今日我們特尊稱拉瓦節為「近代化學之父」。 n  參考資料 1.        洪文東、李文德、黃嘉崑、謝榮藏（2006）。 師院普通化學，臺北：五南圖書出版公司。 2.        科學名人堂20～拉瓦節，www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm。 3.          安東萬–洛朗·德·拉瓦節，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡。  

加水來電：鎂電池 廖旭茂1, 2, *、廖心妍1、黃家均1、林群耀1 1國立大甲高級中學2教育部高中化學學科中心*nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本文介紹介紹幾樣來自日本和中國的鎂加水電池。本影片提供購自日本科學未來館的鎂電池的元件介紹、組裝過程、運作等步驟，並在文章中介紹鎂電池陰陽極的反應、發電的科學原理。 影片網址：加水來電：鎂電池，https://youtu.be/pzWj2iwDuiI。 n  簡介 最近有一則可充電式的鎂電池的媒體報導：「由國立成功大學材料科學及工程學系洪飛義教授所組成的鎂電池研究團隊，已經獲得突破性進展，與傳統鋰電池的容量相較提高了8到12倍，充放電的效率提高5倍，以電動自行車來說，傳統鋰電池充飽電約需3小時，若改用新研發的鎂電池約充電36分鐘即大功告成。新ㄧ代鎂電池除了電容量高外，又較安全，即使車輛相撞，不像鋰電池，並無爆炸的危險。惟可充電式鎂電池使用的電解液，材料價格不斐，貨源掌握在他國手中，電解質化合物的合成，尚待突破。」（自由時報，2014-10-16）。 相較於可充電式的鎂電池，不可充電式的一次性鎂電池已悄悄進入我們的生活，日本技術發展的進度最快，因應突發的地震等天災，日本的古河電池株式會社（Furukawa Battery，簡稱FB）與凸版印刷（Toppan）聯手，推出紙盒包裝家用的鎂電池—MgBOX，以鎂金屬為負極，使用非貴金屬系列的碳素電極為正極材料，強調只要加水，就可為智慧型手機充電30次，或提供緊急照明等備用電源[1]。在中國亦有相關的產品的推出，還提供可替換的負極鎂板零件供消費者選擇。根據文獻探討，負極鎂在電解質中腐蝕過程所造成的極化現象，一直與鎂電池放電的效能有很大的關聯[2]。本文章提供簡易鎂電池的製作過程，以及在不同電解質下，電池放電效能比較。 n  藥品與器材 市售鎂電池兩種、20 × 55 × 0.5 mm鎂合金片、0.5 M硫酸鈉溶液、活性碳粉、化妝棉、糖果鐵盒、3 mm透明壓克力片、長尾夾、二氧化錳、海藻酸鈉、電壓感測器、電流感測器、Vernier數據收集分析平台。 兩種市售鎂電池包括購自日本科技未來館的的可組裝的鎂電池套件一組、購自淘寶網的水用照明電池。 1.        「鎂電池可組裝套件」一盒，其中包括組裝說明圖、外包裝盒、鎂金屬片（負極）、電解層、觸媒催化層、不鏽鋼片（正極），吸管、LED燈泡。相關套件如圖1所示。 圖1：鎂空氣電池套件 2.        「水用照明電池」一盒，不須自己組裝，直接在罐底加水處加水，透明壓克力中間有一LED燈泡。 圖2：加水電池手電筒 n  實驗步驟與結果 一、  日本市售鎂電池組裝和觀察 1.        取出塑膠袋內的各元件，依說明書的圖片上所載順序排列。圖示說明如圖3所示。 圖3：M為鎂片（負極）、P為分隔紙（電解層）、X為催化層、S為不鏽鋼片（正極） 2.        將四組單電池，依照圖3的順序依序疊合後，以黑色膠帶黏著固定，隨後將盒內所附的LED的金屬腳正確與電池的正負極相連接（LED長腳為正極與不銹鋼片連接，短腳為負極與鎂片連接），並以膠帶環繞固定。相關組裝如圖4所示。   圖4 鎂電池的組裝 3.        將組裝好的電池組合，LED燈泡朝前，放入塑膠圓筒中後，加入約3 mL的自來水，蓋上底蓋，觀察燈泡點亮的情況。隨後以三用電表量測電壓值。四個串連鎂電池測得的電壓約為3.2伏特。圖5為加水過程及燈泡點亮情形。   圖5：鎂電池注水孔的加水（左），點亮情形（右） 4.        以三用電表量測電壓值，量測完畢，5分鐘後，並撕開膠帶，一一攤開各層觀察金屬片。比較結果：反應後的鎂金屬表面呈現灰暗色。圖6為鎂金屬表面反應前後比較。 圖6：反應過的鎂金屬片有明顯發生腐蝕的現象（左），尚未反應的金屬片（右） 二、中國市售鎂電池的觀察 1.        取出中國市售的加水鎂電池，撕開電池的底部透明膠帶後，在加水孔加入約2~3 mL的自來水，貼上貼紙封住加水孔，觀察燈泡點亮的情況。圖7為鎂電池加水過程及點亮狀況。 […]