開創新局的永續化學：綠色化學：以友善環境為出發點的化學（下） 周德璋 國立中正大學化學暨生物化學系chetcc@ccu.edu.tw 〔承《開創新局的永續化學：綠色化學：以友善環境為出發點的化學（上）》〕 n  綠色化學的內涵 根據阿納斯塔斯和華納二人提出的定義和12項原則 [7-9]，綠色化學是以傳統的化學原理為基礎來「設計化學產品及其製程，目的在減少或避免生產和使用任何對人類健康和環境具有危害的物質」。綠色化學的12項原則如下： 1.        防止廢棄物：防止廢棄物的產生勝過於廢棄物形成後的處理或清理。 2.        原子經濟最大化：合成方法的設計應該把過程中使用的材料最大限度地納入到最終產品。 3.        設計危害性較小的化學合成：當切實可行的情況下，應該使用及產生對人體健康和環境很少或沒有毒性的物質來設計合成方法。 4.        設計更安全的化學品及產品：設計能保有其功能效力，又同時減少其毒性的化學產品。 5.        使用更安全的溶劑及反應條件：應儘量不須使用輔助的物質（例如：溶劑、分離劑或其它）；如果需要，應使用無毒無害的物質。 6.        提高能源效率：應認識到能源需求對環境和經濟的影響並應儘量減少能源的使用；合成方法應在環境溫度和壓力下進行。 7.        使用可再生原料：當技術和經濟切實可行的情況下，使用可以再生的而不是消耗性的原料。 8.        避免衍生化學物：盡可能避免不必要的衍生化（阻檔基、保護/去保護基、暫時性的修改）。 9.        使用催化劑：催化劑（盡可能有選擇性）優於化學計量試劑。 10.    設計使用後可降解的化學品和產品：應該設計功能結束後不會在環境中持續存留，且可分解為無害物質的化學產品。 11.    即時分析防止污染：分析方法需要進一步發展，以利在形成的有害物質之前能夠即時監控。 12.    慎選化學物質來減少意外事故的發生：過程中所使用的物質及其形態，應選擇能夠儘量減少包括外洩、爆炸、和火災等潛在化學事故者。 簡單地說，化學的綠化要實踐〝4不/1沒有〞，即「不生（廢棄之物）、不滅（天然資源）、不增（製程步數）、不減（安全係數），沒有（後顧之憂）」。預防勝於事後處理，這是長久以來被公認的道理。綠色化學謀求的首要目標就是要減少或避免在源頭處和製程中產生廢棄物和污染。除期望產物外，廢棄物指任何在製造過程中所涉及的物質，如溶劑、酸/鹼輔助試劑、催化劑、分離試劑、副產物以及未轉變的原料等。廢棄物是麻煩製造者，若直接排放、焚化或掩埋會污染河川、空氣和土壤，破壞環境；若棄之可惜，回收再利用則是〝燒錢〞事，雖可減少廢棄物，但增加成本。綠色化學認知到我們在地球上所能夠使用的資源就是物質和能量。化學原料與能量來自於兩類天然資源，一類為不可再生的，例如：煤、石油和天然氣，另一類源自具有活力的生物是為生生不息的，例如：脂肪、糖和澱粉。人造化學物質一去不復返，為免耗盡原料與能量而後悔莫及，綠色化學致力於可再生原料與能量的開發，以求永續不滅。此外，製程步數越多，操作和輸入物質的量與種類越多，產生廢棄物和污染的可能性也隨之而增。理想的製程是簡而短，步數越少越佳。因此，綠色化學提倡製程應該儘量避免不必要的化學物衍生化，採用單鍋（one-pot）、串聯（cascade）及多組件單鍋（multi-component one-pot）等操作方法，以減少製程的步數，降低產生廢棄物的頻率，並保持綠化意識，以策化學安全。綠色化學的原則是人造化學品必須有其造福人類的功能性，並且對人體健康和環境不具危害性。因此，設計化學產品、所需原料、合成方法、製程與裝置時，應秉持此安全至上的原則執行化學品製造，落實〝從搖籃到墳墓〞都不會使用或產生對人類健康和環境具有危害的化學物。 表一陳列〝4不╱1沒有〞的實踐與綠色化學的12項原則之間的關係，顯示化學綠化能實現沒有〝後顧之憂〞之大利，減少或免除人類身心健康和環境受到化學物的危害、以及生產化學物品和清理廢棄物的成本；亦即，綠色化學是〝健康友善〞、也是〝環境友善〞、更是〝經濟友善〞的化學。相異於「環境化學」偏重在瞭解化學品污染的發生對自然界的影響與提出對策，綠色化學則聚焦於探索如何在源頭處防止廢棄物的污染和減少不可再生資源消耗的技術與方法上。因此，綠色化學是治本而非治標的執行策略方針，它與化學各分支學科重疊，尤其是著重於工業應用的化學合成、製程化學和化學工程。但其終極目標—即，設計分子、材料、產品和製程要能落實資源使用效率和安全性的最佳化—可以作為多樣科技領域所追求的目標。綠色化學合理利用資源和能源並兼顧環保與經濟的實踐也可以擴展到環境、經濟與社會層面，加入全球永續發展（global sustainability）的挑戰行列。綠色化學是有能力發揮不可或缺的作用與貢獻。 表一：綠色化學的12項原則與〝4不╱1沒有〞的實踐關係 4不/1沒有 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 不生（廢棄之物） ˜ ˜ ▲   […]

開創新局的永續化學：淺談榮獲美國總統綠色化學挑戰獎的兩位中央研究院院長的研究與貢獻 王正中 中央研究院化學研究所wangcc@gate.sinica.edu.tw n  美國總統綠色化學挑戰獎 美國總統綠色化學挑戰獎（Presidential Green Chemistry Challenge Award）[1]是化學學術界重量級的獎項之一，對研究領域與貢獻要求比許多獎項嚴格，需在環境與經濟的層面上有影響，不是所謂的重量級研究學者就可以理所當然輕鬆獲獎。而中央研究院前任和現任的院長翁啟惠博士和廖俊智博士（見圖一）均為此獎的獲獎者，筆者的研究領域或與翁前院長的工作一脈相承，對現任廖院長的研究工作亦稍有涉獵，因此很榮幸在此為這兩位學者的得獎工作做一粗淺的簡介。   圖一：中央研究院前任院長翁啟惠博士（左）和現任院長廖俊智博士（右） （照片來源：由左而右，http://goo.gl/BJZAUk和http://goo.gl/sFzdcP） 化學是人類文明發展中極為重要的一門科學，在我們日常生活中的每一件事、每一個用品幾乎或多或少都與化學有關，甚至生命本身的運行也包含著各式各樣的化學。筆者猶記李遠哲前院長曾勉勵敝所同仁，我們化學工作者乃是站在人類研究及處理來自分子的挑戰的第一線！而有機合成一直是化學學門中極為重要的一個領域，是結合眾多有機反應製造或修改特定有機分子的一門重要科學。有機合成不但可說是一門藝術，而且是現代藥物及化學相關工業與產業的基礎，也是促進它們進步的動力。 隨著時代的演進，新的試劑、催化劑以及方法學的發明、開發與進步，已使得有機化學家們能夠合成的分子的複雜度得以大幅度的提升。傳統的有機化學多半使用的是非生物本質的試劑，例如利用酸、鹼及金屬等，因其發展使用多年，因此相對可靠，目前仍是學術及產業界在使用時的主流。但使用這些試劑及反應時，產生的廢棄物及污染物對環境及成本均造成負擔。因此，可有效減少污染物的產生以及降低成本的新穎合成與催化方法，自然成為目前學術研究上一個重要的課題與方向。 n  翁啟惠院長與酵素合成多醣體 翁啟惠前院長素以醣類研究聞名於世。醣類分子除了是生物體中重要的能量來源之一，在許多生物過程中，也扮演著非常重要的角色。然而這些多醣分子不但複雜且結構變異性高，也不像蛋白質或核苷酸一樣已有簡單方便的方法可以大量表現或合成製造，且由自然界中萃取多醣分子也會面臨萃取產率低落、純化不易以及結構鑒定困難等等的窘境。因此為了更進一步研究這些醣分子在生物體中發揮的功能與角色，化學合成就是一個相對最合理也有效的方式來取得這些生物分子。由於先前提到醣類分子的結構複雜，生物化學家在鑑定其結構時有很高的可能性會產生誤判，但使用化學合成時，化學家得以在過程中保證每一步驟所得產物的純度與結構，最終得到的產物除了可以證實結構鑑定的正確性之外，也可得到較大量且純度符合實驗所需的樣品材料。不過，以傳統的有機合成方法來製造複雜的醣類分子，是一項相當巨大的工程。每一個單醣上都有許多化學活性相似的羥基，如果不將其個別保護起來，這些醣分子一來不溶解於有機反應中常用的溶劑，二來進行醣鏈結反應（glycosylation reaction）將單醣組合成雙醣或多醣時，也將無法控制形成的雙醣或多醣的結構，而是會形成許多難以分離和純化鑑定的不同異構物的混合物。然而光是在每一個單醣上依據目標多醣分子的結構置入合適的保護基團與離去基團這件事，就少則需至少三至四步的反應步驟，多則可能需十餘步，且在不同的單醣分子中區分各個位置的羥基均需不同的反應策略，往往一個多醣分子動輒需要數十個反應步驟才能完成；再者，在將單醣組合成多醣時牽涉到醣苷鍵（glycosidic bond）的形成，但每形成一個醣苷鍵時均會產生兩種不同的立體異構物（stereoisomer），且此類型的異構物由於分子結構差異微小，大部分都極難分離純化。因此，每一個步驟都意味著試劑、時間以及純化所必須付出的經濟成本，以及包含重金屬、過渡金屬以及有毒溶劑的環境成本，且異構物的產生也必須付出高昂的純化分離成本並造成產率的降低。此外，在合成製程之初辛苦置入的保護基在合成的最後階段時也需花費數步反應將之去除，而且由於分子量因此下降，又會造成樣品產量急遽降低，是一項吃力而不討好的工作，也因此造成醣類合成的原子經濟性（atom economy）極低。合成10毫克的多醣分子往往需要數十甚至數百克的單醣分子起始物。 翁啟惠前院長在2000年獲得美國總統綠色化學挑戰獎前就已跳脫一般化學合成的思維，是以酵素進行有機化學轉換，藉由新型高效酵素的發展與反應物的設計進行大反應量的有機合成，更是以酵素合成多醣體的先驅。 利用基因重組將酵素做若干設計與優化，以酵素進行有機轉換，是合成醣類分子的一項重要工具與方法，其兼具高專一性且低污染的優勢。因此，以酵素進行有機反應成為傳統化學及藥物化學工業重要的新思維。酵素本身結構所帶來的高專一性，使得上述醣類的合成完全不需要保護步驟，即可將單醣逐一在指定的位置上接在另一個單醣或多醣上，且立體位向選擇性單一，不會產生另一個立體異構物。整個多糖的製程因此得以大幅度簡化。這些都是傳統有機化學學理上或實際上都無法做到的。翁前院長發展的酵素方法和策略於是進一步使得酵素的使用更為簡便迅速。 傳統有機反應做大量放大時有著各方面的成本，尤其在純化方面通常成本十分高昂。使用酵素合成多醣體時，通常最大的問題及成本則在於酵素反應需要的反應物—核苷酸醣（sugar nucleotide）取得不易且並不甚穩定，因此反而是最大瓶頸。翁前院長巧妙地將轉化單糖分子成核苷酸醣的焦磷酸化酶（pyrophosphorylase）與醣基轉移酶（glycosyltransferase）混合在同一個系統中，如此一來焦磷酸化酶即可在系統中源源不絕地供應醣基轉移酶所需的核苷酸醣，而不需另行製備且純化這些不易處理的核苷酸醣，進而使得反應可以一次合成大量的多醣體。圖二為以綠色框中的葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate）以及紅色框中所示的乙醯葡萄糖胺為起始物，混合磷葡萄醣變位酶（phosphoglucomutase）、UDP-glucose pyrophosphorylase、UDP-D-glucose 4-epimerase （UDPGE）（將葡萄醣轉換為半乳醣）、半乳醣轉移酶（galactotransferase）、pyruvate kinase等多種酵素，即可在單一反應步驟中合成藍色框中所示昂貴的乙醯乳糖胺雙醣產物。[2] 類似的系統後來被大幅的運用在許多複雜多醣的合成上，且已有許多醣化學家基於此一基礎做更深入的改良與應用，因此這一成果對醣類化學及酵素化學上，都是極為革命性的進展。                                               圖二：一鍋化多酵素雙醣合成反應[1] 由於此一方面的貢獻，翁前院長更是1994年到1996年段期間內，世界上論文被引用次數最多的前15名，同時是當時在酵素領域中被引用次數最多的傑出化學家。由於這些劃時代的進展使得化學家得以用更低污染的方式大量合成所需物質，因此獲得西元2000年美國總統綠色化學挑戰獎。 n  廖俊智院長與微生物合成醇類 另一方面，廖俊智院長是生物分子和代謝工程（biomolecular & metabolic engineering）、合成生物學（synthetic biology）以及系統生物學（system biology）的權威與翹楚，也在2010年因他的研究在能源方面的卓著貢獻而榮獲美國總統綠色化學挑戰獎。 乙醇也就是酒精是近年來十分重要的生質能源，也就是由生物質（biomass）轉換而成的能源之一，也常被作為燃料的添加物。但使用乙醇作為燃料的主要問題在於它的能量含量（energy content）太低，約只有汽油的三分之二。含碳原子數目較高的醇類會有較高的能量含量，但是自然界中的微生物並無法製造這些碳原子數高於乙醇的醇類，因此其來源與製造方法就成為以這些高碳數（特別是3-8個碳原子）醇類作為生質能源的主要瓶頸。這些含碳原子數為3-8的醇類同時也是常用的化工原料（chemical feedstock）與運輸燃料（transportation fuel），如果能以生物或酵素的方式，直接由二氧化碳或間接由碳水化合物大量合成製造這些分子，不但可以稍解能源問題也可減少碳排放。但是自然界中的生物體並無生合成（biosynthesis）製造這些分子的能力，而在廖院長的研究之前亦無直接以二氧化碳合成這些分子的方法，而且超過五個碳以上的醇類也無法以透過生物的方式合成出來。 廖俊智院長結合其化學工程與生物化學背景，以微生物技術成功的將葡萄醣或二氧化碳轉化為含3-8個碳原子的醇類。他巧妙地利用微生物生合成自身所需胺基酸的機制，先在大腸桿菌中大量表現將葡萄醣轉化為其生產所需胺基酸的酵素，讓葡萄醣轉換為2-酮酸（2-keto acid）中間體，再以在大腸桿菌中植入的2-酮酸脫羧酶（2-ketoacid decarboxylase）與醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase）令微生物製造合成相對應的醇類，前者可將2-酮酸脫去酸基形成醛類，後者再將醛類還原成醇類。以生產異丁醇（isobutanol）為例（見圖三），讓大腸桿菌在葡萄醣溶液中大量表現其轉殖的ilvIHCD基因，將葡萄醣轉化成2-酮異戊酸（2-ketoisovalerate）中間體，接著在大腸桿菌中一樣由轉殖而來的2-酮酸脫羧酶與醇脫氫酶即可將2-酮異戊酸轉化為異丁醇。在24小時反應中，可幾乎將所有的葡萄醣均轉化為異丁醇產物，產率與效率可謂極高。藉由利用不同胺基酸生合成的過程，有六種3-8個碳原子的醇類可以這種方式合成製造。[3] 若更進一步結合光合作用，以二氧化碳行光合作用形成反應所需的葡萄醣，等於可以直接以微生物生合成的方式由陽光和二氧化碳直接生成燃料或化工原料。不但可以減碳，且其效率比以玉米發酵得到乙醇還高，且不用以珍貴的玉米糧食換取生質燃料。未來如果可以克服商業化的瓶頸，每年以此方式製造600億加侖的醇類，可取代美國25％的石油用量，減少五億噸—大約相當於美國每年8.3％的二氧化碳排放總和。                                         圖三：以大腸桿菌將葡萄醣轉化為異丁醇[3] 兩位前任與現任院長對於生物化學深厚的瞭解與洞見所引發出來的研究與創意，對永續化學貢獻卓著，讓人類學習大自然在溫和的反應條件下產出所需物質。翁前院長利用酵素的方法解決了醣類合成與大量合成有機分子的瓶頸；廖院長則以生物工程解決生質能源能量含量以及製備的問題，兩位都可說是為人類解決重大難解問題的關鍵突破者，引發後人更多的研究與創新，因此獲頒此獎實至名歸。 n  參考文獻 […]

開創新局的永續化學：綠色化學與循環經濟的體現 曾玉明 臺灣永光化學工業股份有限公司yuming@ecic.com.tw  n  前言 永光化學深切體認，企業不能只求獲利，更要善盡企業社會責任，將「環境保護」列為首要之務；以「正派經營」的經營理念，堅持只做對的事，研發生產友善環境、對人類有具體貢獻的化學品，具體落實「更用心的化學‧更美好的生活」的品牌承諾。 永光化學訂定「珍惜地球資源，遵守環保規定」的環境政策，1997年臺灣第一家化學公司通過ISO 14001環境管理認證並落實執行；實施教育訓練，提升全員環保意識與能力；持續改善製程，提高資源生產力；推動工業減廢，落實污染防治工作；研發環保技術，提升污染處理效能。近年來，更興建完成綠建築工廠、推動清潔生產，努力打造「綠色工廠」，並朝著「2020年的溫室氣體生態效益為2005年的2.5倍」之目標，逐步落實「成為永續創新、提供綠色化學解決方案的全球化幸福企業」的綠金願景，如圖一所示。奠基於多年的努力，永光化學曾連續7年榮獲《天下雜誌》「企業公民獎」的殊榮。 圖一：永光化學懷抱永續經營的信念，朝向「2020綠金願景」的目標邁進。 2012年，交通大學教授朱博湧在其著作《綠金企業》，將永光化學列為臺灣六大「綠金」典範之一。他說：「雖然身處在看起來與環保最為衝突的化學產業，永光卻堅信好的化學技術，是能夠改善環境的技術，以提升全體人類生活福祉為最高目標，努力不懈地降低經營過程對環境、人類產生的傷害。」2016年，資誠教育基金會董事長朱竹元亦於《企業社會責任與永續發展策略》一書中，收錄永光化學為國內五家企業社會責任（Corporate Social Responsibility, CSR）標竿之一。 n  提供綠色化學解決方案 綠色化學（Green Chemistry）又稱永續化學，強調每項產品的生產過程，不僅要減少消耗量、提升原子利用率，還要避免不必要的衍生物和廢棄物。亦即，從源頭開始，就充分利用原料和能源，減少、甚至零有害物質釋放，以降低對環境的衝擊。基於這樣的理念，永光化學以「提供綠色化學解決方案」為積極努力的方向。 有害物質，連結上下游一齊杜絕 「對人類有害的產品，永不列為經營項目」，產品選擇是永光化學的經營原則之一。永光以高品質、高性能的色料化學品、特用化學品、電子化學品、醫藥化學品及碳粉，行銷全球五大洲、近百個國家，每項產品皆遵循本國及他國化學品登記法規，保護人類及環境免於受到有害化學品的威脅。 自2007年起，永光化學依「無有害物質（Hazardous Substance Free, HSF）產品政策」確實管理有害物質，生產綠色產品，並於2013年成立產品責任處，專職產品安全和化學品登記。永光不僅力求符合法令、積極回應客戶與消費者對HSF的需求，也要求上游原材料供應廠商，完全遵守規定，進行綠色供應鏈管理，共創永續未來。 2011年，六大品牌聯盟聯合承諾於2020年之前，在供應鏈中實現有害化學品零排放（Zero Discharge of Hazardous Chemicals, ZDHC）。永光化學於2015年加入ZDHC基金會，是臺灣第一家正式加入的染料公司，致力實現2020有害化學品零排放的目標，如圖二所示。同時，永光化學於2015年順利通過bluesign® system藍色標誌第三方認證，成為bluesign® system partner合格化學藥品供應商，提供下游客戶可持續性紡織品生産的解决方案。 圖二：永光化學總經理陳偉望（左）於「2014 ZDHC臺北論壇」分享有害物質管理經驗。 綠色產品，更安全、更友善環境 開發對人體和環境友善的綠色產品，是企業永續發展、並善盡企業社會責任的一環。永光化學密切關注國際法規的發展，積極運用研發和技術方法，推出更安全、更友善環境的化學產品。舉例分享如下： 1. 桌上型噴墨印表機墨水 歐盟基於保護人類健康及環境安全，自2007年起，歐洲化學署（European Chemical Agency, ECHA）發佈「高度關切物質」（Substances of Very High Concern, SVHC）。永光化學針對桌上型噴墨印表機用墨水配方含有SVHC成分，積極尋求改善方案，成功開發出更安全的替代原料，並以實務經驗協助國內企業了解化學品安全替代的基本觀念及做法，共同提升臺灣的國際形象，站穩綠色化學品市場，如圖三所示。 圖三：永光化學針對墨水配方含有SVHC成分，成功開發出更安全的替代原料。 2. 數位紡織印花噴墨墨水 數位紡織印花不同於傳統印花，是節能環保低污染、低耗水的高科技技術，墨水是其關鍵。永光化學為了保護環境，經過十餘年精心研發，針對不同織物及不同噴頭，開發出適用的噴墨墨水，為客戶找出好的解決方案，使得原本高污染、高耗能的染整製程，變得更科技、更環保，如圖四所示。永光的數位印花染料，引領全球紡織業實現時尚與環保兼容並蓄的理想。 圖四：永光化學的數位印花染料，帶動紡織業的綠色風潮，創造綠色商機。 綠色製程，更節能、清潔與環保 由於製造過程是產生污染的主要來源，永光化學以「綠色工廠」為目標，持續提高能資源運用效率，推動綠色生產改善，以達成節能、清潔與環保的綠色製程。舉例說明如下： 1.      […]

開創新局的永續化學：城市礦山議題：電子廢棄物之貴金屬綠色化學回收製程 許景翔1, *、馬小康2 1優勝奈米科技有限公司2臺灣大學機械工程系*KennyHsu.uw@gmail.com 由於科技發展的日新月異，電子產品的汰舊換新速度越來越快，如平板、電腦、電視、及手機都是增長最快的廢物流，預計到2020年全球將有超過1200多萬噸的電子廢棄物，因此，妥善回收處理將有助於環境管理和促進循環經濟，提高資源利用效率。 n  城市礦產 臺灣缺乏天然礦產資源，而全世界的貴金屬礦產分佈主要還是在少數幾個國家（見圖一）[1]，因此臺灣要繼續製造電子產品，得有效地從廢棄電子產品來提煉有價礦產資源。以智慧型手機為例，整支手機蘊含豐富金屬在其中（見圖二），因此「城市礦產」的回收概念就顯得相當重要。事實上，臺灣製造業的重大投資及生產與出口活動大多集中於電子零組件的半導體、印刷電路板、光電產業的平面顯示器及太陽能電池等產業。以印刷電路板為例，印刷電路板上的連接器、基板線路、電子元件焊接處、製成廢料及邊角下腳料等均富含金、銀、銅、錫等高價金屬。金屬材料是產業鏈的最前端，若能將廢棄電子產品中之金屬回收再利用，透過資源循環再生，使3C電子垃圾轉化為城市礦山，將可供應臺灣電子相關產業的物料需求。從環保署提供的資料顯示來看（見圖三），臺灣是有機會減少對外來資源的依賴及活絡去化管道，有利於降低生產成本，促使金屬資源有效使用，並提高臺灣相關產業的國際競爭力。 圖一：世界資源產出分佈圖（見參考資料[1]） 圖二：智慧型手機使用到的金屬資源（見參考資料[1]） 圖三：各種電子電器產品的金屬含量 （圖片來源：行政院環保署基金管理委員會） n  提煉貴金屬的方法 電子廢棄物的回收，已成為先進國家積極爭取戰略物資之路徑。傳統貴金屬回收業所使用強酸王水法和劇毒氰化物法，或是使用焚燒，這些方式不但耗能，也會產生嚴重水污染以及載奧辛、PM2.5懸浮微粒等空污問題。 目前歐洲、日本、美國等提煉貴金屬的方法如下： 比利時Umicore是世界上最大的貴金屬回收商之一，前身為聯盟礦業公司，總部設在布魯塞爾。Umicore的核心業務是回收各種貴金屬和其它有色金屬，以及某些非金屬如硒的精煉。回收和銷售的貴金屬如金、銀、鉑、鈀、銠，特種金屬如銦、硒、碲，以及鉛、銅、鎳等。Umicore的國際電子廢棄物（Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE）熔煉回收技術，用於從電子廢料如印刷電路板（printed circuit board, PCB）中回收有價金屬，應用頂吹旋轉爐可將PCB熔煉成富含貴金屬的粗銅，然後採用橢圓形爐或反射爐進一步精煉。 日本DOWA集團已整合出日本最大的冶煉和廢物回收業務，利用冶煉技術處理廢棄物。廢物處理包括電子設備，移動電話，丟棄消費電子及電器。子公司DOWA ECO-SYSTEM最初是在DOWA的開採和提煉作業中提取貴重金屬（如存在於礦石中非常小濃度的金與銀）。目前從事個人電腦電路板、移動電話、消費電子產品及家電等設備的有價金屬回收。DOWA集團從電子廢物利用冶金技術回收不同的金屬元素（見圖四）。圖五為ECO-SYSTEM KOSAKA之〝金屬和蒸汽回收焚燒爐〞，可將貴金屬從被處理廢棄物中提煉出來。通常電子廢棄物焚燒精煉爐其投資規劃與金額需要超過1000億台幣以上才有可能達成整廠建構與營運費用。 圖四：從電子廢物利用冶金技術回收不同的金屬元素 （圖片來源：DOWA Corp.） 圖五：金屬和蒸汽回收焚燒爐 （圖片來源：DOWA Corp.） 美國緯創公司（Wistron Corporation)）積極進行多角化經營，緯創於2010年設立100％投資子公司Wistron Green Tech，斥資6億元台幣，於美國德州北部McKinney市設立電子廢料回收與精煉廠，這也是緯創在回收事業的布局，美國緯創的技術不同於焚燒印刷電路板的方式，是採用臺灣優勝奈米科技的環保剝金與剝錫製程來提煉貴金屬，緯創的環保提煉貴金屬製程如金、銀、鈀等，已獲得美國Dell公司公開支持其回收計畫及處理方式，此專利技術也即將獲得法國Veolia與美國Apple公司的支持，將有機會改變全球電子廢棄物的處理模式。 以上由臺灣優勝奈米科技有限公司所開發之技術，並將擴大規模為模組化量產貨櫃型裝置。這些技術分別為(1)環保化學剝鍚技術；(2)環保電解剝金技術；及(3)環保化學剝金技術，其相關煉製貴金屬流程如下： (1)   環保化學剝鍚技術 環保剝鍚技術是以鎳、銅、鋁抑制劑為主的SnST-550A剝錫劑，將印刷電路板置入於剝鍚溶液中，保持溶液溫度介於20-35oC並靜置約40分鐘（見圖六）。圖七為環保剝鍚技術用於PCB電子零件之比較，針對含金之電子零件，如IC，則再採用環保化學剝金技術來分離貴金屬。原剝鍚溶液則加入NaOH至pH值 > 12，經過濾取出之氧化錫泥，置於通入20% H2及80% N2之800oC高溫爐中，則可獲得之> 99.9%純錫。 圖六：廢家電主機板經過環保剝鍚前後之比較，完全沒有腐蝕零件 （圖片來源：UWin Nanotech. Co., Ltd） 圖七：廢主機板經過環保剝鍚前後之比較 （圖片來源：UWin Nanotech. […]

開創新局的永續化學：利用生物質作成生物炭來反轉氣候變遷 羅芬臺 中央研究院化學研究所中央研究院天文及天文物理研究所luoft@gate.sinica.edu.tw n  溫室氣體減量的解決之道 近年來，氣候變遷的議題已被廣泛的討論，氣候變遷是指全球平均氣溫會不斷的升高或降低。2016年十一月美國太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）就認為2016年將會成為最近136年紀錄中最熱的一年。其他機構，包括英國氣象辦公室（Met Office）、美國國家海洋暨大氣總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）、日本氣象廳（Meteorological Agency）及聯合國世界氣象組織（World Meteorological Organization, WMO），也都表示2016年是破紀錄最熱的一年，同時將是連續第3年的新高。而且WMO的報告指出，2016年全球氣溫比工業化之前高出了1.2度。2015年聯合國氣候變遷大會（COP21）有近200個國家簽署了《巴黎協定》，它是具有法律約束力的全球溫室氣體減量新協議，雖然氣候變遷與大氣中二氧化碳濃度的關聯性已被爭論了一百多年，但《巴黎協定》成功地凝聚了全球的減碳共識，要求各國定期檢討「國家自主決定預期貢獻」（Intended Nationally Determined Contribution, INDC），確保二氧化碳減排進度要使全球平均氣溫不高於工業時代的2°C。臺灣2015年6月15日也通過了《溫室氣體減量及管理法》並宣布INDC的減碳承諾，將臺灣帶往溫室氣體減量的新里程。 到目前為止，科學家對如何將大氣中的二氧化碳濃度降低有許多建議與想法。其中利用生物質（biomass）來進行生物能源與碳捕獲和儲存（Bio-energy with carbon capture and storage, BECCS）和將生物質做成生物炭（biochar）是兩種減少大氣中二氧化碳常提到的技術。生物質通常是指不用於食物或飼料的植物或植物基材料，並且特別是指木質纖維素的生物質（lignocellulosic biomass）。植物也是有壽命的，如果不處理死掉的植物，它腐爛後會放出更多的溫室氣體，例如：甲烷和氧化亞氮，而甲烷和氧化亞氮的全球變暖潛能值（Global warming potential, GWP）分別是二氧化碳的72倍和275倍。因此，在生物質腐爛前就將生物質處理掉，應該是比較適當的做法。 生物能源與碳捕獲和儲存主要是將生物質燃燒或與煤炭一起燃燒產生能源或用於發電，再將產生的二氧化碳收集並灌注到地層深處，這種藉由植物生長吸收二氧化碳，再燃燒植物產生能源，所產生的二氧化碳再埋到地層深處是一種負排放或負碳的方式。據政府間氣候變化專業委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）評估報告指出，生物能源與碳捕獲和儲存是一個實現降低大氣中二氧化碳濃度的一個關鍵技術。英國皇家學會（The Royal Society）也已經估計這個技術將能減少50-150 ppm的二氧化碳濃度。不過，也有人擔心碳捕獲和儲存（carbon capture and storage, CCS）會不會發生二氧化碳外洩的意外？ 生物炭的製備是藉由活的生物質在生長時吸收二氧化碳，再經由生物質在缺氧狀態下的熱解而得到。熱解所產生的氣體和生物油可當能源，而固態的生物炭埋於地下，除了可以吸收多餘的水分，在乾旱時排出，而且還可以當作土壤的增強劑和吸附有毒重金屬的除汙劑，是具負碳性質的產物。2010年的Nature Communication [1] 以及2015年的Nature [2] 都發表過生物炭可降低二氧化碳的排放以減緩氣候變遷，並可提高農產量及控制污染的報告。 […]

開創新局的永續化學：永續能源挑戰下的化學研究方向：以二維奈米材料為光觸媒還原二氧化碳 連香婷、林麗瓊* 國立臺灣大學凝態科學研究中心*chenlc@ntu.edu.tw n  溫室效應的好與壞 溫室效應是地球大氣層上的一種物理特性，指大氣層內的某些氣體吸收紅外線輻射，並保留紅外能量的氣體，即為溫室效應氣體 [註1]，因為有這些氣體，所以地球的表面溫度才可以保持人類可生存的溫度。然而，19世紀工業革命後，人類開始大量燃燒化石燃料作為動力，使大氣層內溫室氣體的濃度大量上升（特別是二氧化碳），以及使用大量人為合成的氟氯化合物 [註2]，排放過量的溫室氣體，加劇了「溫室效應」的作用，導致現今地表平均溫度大量上升（見圖一）[2]，使得全球氣溫暖化，更進一步造成全球氣候變遷。 圖一：自十八世紀開始全球的平均溫度變化（更新至2017/01/18）。(a)1年平均和12年平均全球地表溫度異常圖，(b)綠線為利用1年平均與12年平均推測溫度變化之預測趨勢。（見參考資料[1]） n  全球溫室效應之對策 為了因應全球氣候變遷，聯合國於1992年制定一個國際公約，其目標是「於一定時間內，將大氣中溫室氣體的濃度控制在一定範圍。這濃度範圍應當在足以使生態系統能夠自然地適應氣候變化、確保糧食生產免受威脅並使經濟發展能夠可持續地進行」。該公約自1995年起，並每年召開締約方會議（Conferences of the Parties, COP），大家所熟知的「京都議定書」就是在1997年COP3會議中所制定的第一個具約束力的國際環保條約，於2015年底（2015/11/30-2015/12/12）為期13天在巴黎氣候變遷會議（COP21），這次會議的目標是達成具有約束力的措施，解決氣候變化問題，遏制全球氣溫上升。 根據統計（見圖二）[2]，雖然臺灣的碳排放不在世界前茅，但是臺灣卻有兩座發電廠排放的二氧化碳進入了前十名，臺中和麥寮火力發電廠，這實在不是一件值得光彩的事。因此，如何為地球提供一個更好的未來，是我們現在急需努力的事情，除了降低碳排放量之外，如何將它轉換成更有經濟效應的燃料，是目前科學家努力的目標。 圖二：2007年世界各國的二氧化碳排放量，左下圖顯示臺中和麥寮火力發電廠排放二氧化碳分別在全世界排名第一和第六。（見參考資料[2]） n  太陽能燃料：利用人工光合作用（光觸媒）達成二氧化碳減量 降低現今大氣中二氧化碳的濃度是各國現在努力的目標，其中降低二氧化碳排放量是減碳的第一種方法，另外還有二氧化碳儲存及利用太陽能燃料轉換二氧化碳為碳氫化合物。太陽能燃料的概念取自大家熟知的光合作用，自然界中植物進行光合作用是利用空氣中的二氧化碳與水經由太陽光的照射，轉化成葡萄糖與氧氣。因此除了大量種樹降低二氧化碳的含量之外，科學家想仿照自然方式，製造人工樹葉（光觸媒）來轉換二氧化碳成為更具經濟效應的燃料。無論是從能源的角度，還是從環境的角度來看，研究光觸媒還原二氧化碳是一舉兩得的好方法。 一、   背景介紹 太陽能取之不盡用之不竭，是目前最豐富且可持續的自然能源，地球接受太陽輻射能量為1.73 × 1017焦耳每秒，簡單來說，接受30分鐘的太陽輻射照射量，即足夠全球一整年的能源總消耗量。以太陽能電池為例，即是將太陽能轉換成電能，而所謂的太陽能燃料，便是將太陽能轉換成化學能，而光觸媒在此過程即是扮演一個重要的角色。太陽能燃料可以是以氫能的形式（利用光分解水產生氧氣與氫氣）或是以還原二氧化碳所產生的碳氫化合物形式存在。表一列出各種分解水與二氧化碳所產生的產物與所需的電子數與電位。[3] 2H2O à O2 + 4e– +0.81 V 2H+ + 2e– à H2 -0.42 V CO2 + 2H+ + 2e– à HCOOH （甲酸） -0.61 V CO2 + 2H+ + 2e– […]

再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（上） 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所mhchiu@ntnu.edu.tw n  前言 2016年《臺灣化學教育》期刊曾以「科學模型與建模」為專題，出版8篇文章，其中不乏對模型與建模觀點的評介（邱美虹，2016）、臺灣和芬蘭教科書原子結構單元之比較（周金城，2016）、跨國學生模型觀點的比較研究（宋元惟、邱美虹、鍾曉蘭，2016）、教師模型觀（林靜雯，2016）、科學建模文本的成效（鐘建坪，2016）、科學建模的教學設計（王嘉瑜2016；洪蓉宜和張欣怡，2016；鍾曉蘭，2016）。本文擬再就該主題進行討論，並從科學模型發展史的角度探討科學家在理論發展的過程中如何透過模型發展出解釋科學現象的理論，這種引介科學家模型發展歷程的教學，為「真實性學習（authentic learning）」教學取向之一，可作為12年國民基礎教育自然領域建模能力培養之參考。 n  科學模型發展史與建模歷程 科學的發展常透過理論的建立來闡述科學現象中複雜變因之間的關係。根據史料顯示，我們不難看到科學模型的建立在科學家發展理論的過程中扮演重要的角色，譬如法拉第很早就以描述性的圖繪方式繪出電磁場的概念並用以說明電場和磁場之間的互換現象、這觀點對後來馬克士威（Maxwell）發展電磁學理論有深遠的影響，且馬克士威也大量使用模型化的方式發展他的理論（Nersessian, 1992）、其它如牛頓定律、氣體動力論等等皆然，顯示建模是科學推理主要的過程，科學家產生、測試、具體化具有創意或可實行的想法，再透過一系列精煉模型的過程對科學現象加以描述與預測（Halloun, 2006）。在科學史上科學家運用系統性的推理方式發展理論，無異可以視為是一部科學模型發展史。 從科學哲學或本體論的角度觀之，Bunge（1974）認為模型可以視為是知覺的現實（perceived reality）和理想化的（idealized reality）現實之間的橋樑。換言之，模型是一種表徵，以簡約的方式呈現特定或複雜的關係，並盡量以逼近真實的現象來呈現。孔恩（Kuhn）則認為模型可以用在物件或是信念上，如原子、場、超距力等，但未必以實體存在；換言之，孔恩認為科學家可以相信理論實體和真實物體對應間的關係，但本體信念上未必能完全對應。因此，孔恩認為模型可以說是「在典範內問題的模型化解答（model solutions to problems within a paradigm）」（Gilbert, Pietrocola, Zylbersztajn, & Franco, 2000, p. 28）。而其他學者從認識論的角度探討模型時認為，模型可以代表一個物件、現象、過程、系統（Gilbert & Boulter, 2000）。而科學模型是一種將某系統的重要特性抽象化和簡化以解釋和預測科學現象的表徵（Schwarz等人，2009）。Lesh和Doerr（2003）從認為模型是透過外在的記號系統來表示成分（elements）、關係（relations）、運算（operations）、和規則（rules）之間彼此的交互作用（引自Schwarz等人，2009）。 Nersessian（1992）從認知歷史分析觀（cognitive historical analysis）出發，她認為發展科學理論是一種建模（modeling）活動，在心智中透過一連串的抽象化技巧（如想像力的推理、類比推理、思考實驗及個案分析），從既有的知識中產生新的概念表徵，進而產生科學理論。此觀點與Johnson-Laird（1983）指稱人類認知行為不僅是用模型來理解（make sense）周遭的世界，也能促使我們有效且不矛盾的建構知識，進而使這種建模歷程成為行為的常規（Halloun, 2006）。 Schwarz 等人（2009, p. 635）也指出，建模整體的過程就是不斷產生模型的過程。她認為學生應經歷下面四個建模過程才能了解建模的意義: 1.         學生建構與證據和理論一致的模型，以對現象進行說明、解釋或預測。 2.         學生對不同的模型進行評價以正確的表徵和說明現象中的型態（pattern），並得以預測新的現象。 3.         學生使用模型說明、解釋或預測現象。 4.         學生修正模型以增加解釋力和預測力，並考量新的證據或現象額外的面向。 那在教學過程中，科學教師如何處理模型與建模呢？一般而言，科學教師在科學教學中也會使用科學模型，有時是用來說明一個現象，有時是在解釋現象背後的理由。如教學上談到DNA結構時，生物教師會以DNA模型來說明雙股螺旋的結構；或是談到月相成因，會以三球儀來說明日、地、月的相對位置造成月相的變化情形。又如化學上強調巨觀、微觀、符號三位一體的重要性，根據不同的教學目的，在微觀上會運用不同的模型（如球–棍模型、空間填充模型、路易士電子點模型、電子雲模型）來達到教學目標，這種多重表徵的教學，也屬於模型教學的一種類型。但是針對科學模型的本質、目的、價值、與建構模型的歷程，通常較少見於科學教學中，就算是有，通常是以比較隱晦的方式去呈現，較少會以外顯的方式清楚明確的去教導學生認識科學模型與說明建構模型歷程的重要性。大部分的教學以模型為解釋科學概念的工具，而非去說明模型的功能與其可作為促進理論發展或進行預測時的利器、甚至不會去探討模型的侷限性。有鑑於此，推動科學模型化的思考與建模能力的發展應是當務之急。 n  酸鹼學習的研究 酸鹼在中小學科學教育中是一個重要的基本概念，同時它與生活的關係非常密切，在小學階段，酸鹼概念的引介，通常是從感官經驗出發，從觸覺、味覺等來認識酸和鹼的性質；譬如嚐起來是酸酸的就是酸、摸起來滑滑的就是鹼，這種從感官出發的學習，雖然非常直覺，有時也適用，但是該準則只是一些表面的特質，並不能完全適用在酸鹼物質的判斷。因此，隨著年級的增加，中學的學習內容便逐漸引介酸鹼理論模型，以說明物質的結構與在水溶液和非水溶液中的〝行為〞表現，因此酸鹼必須重新給予科學上的定義。此時，學生在酸鹼知識的學習進展上，不再以感官為主、也不能再望文生義（如誤以為〝碳酸〞化合物就是酸），而開始有系統地了解知識體系建立的原理原則。縱使如此，相關研究指出，學生在酸鹼概念上的學習仍是以表面的性質來認識與建立酸鹼概念，而非經由推理和論證的方式去理解酸鹼（Nakhleh, & Krajcik, 1994；Posada, […]

再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（中） 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所mhchiu@ntnu.edu.tw 〔承《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（上）》〕 n  酸鹼理論發展史的範例 以下主要是介紹Oversby（2000）對酸鹼理論模型發展史所提出的七個階段，並探討模型和建模歷程的本質和目的。 1.        行為模型（Behaviour Model）：1777年以前，這是較早期的觀點，屬於描述型的模型。有關酸的基本性質包括以下幾點描述： l 嚐起來是酸的， l 會改變指示劑的顏色， l 會與活潑的金屬產生反應產生氫氣， l 會與碳酸化合物產生二氧化碳， l 會與鹼起反應，中和後失去酸的性質。 當時的化學家根據這些性質或行為便可以進行預測，然而在這預測的過程中卻發現有些物質無法符合這些特性，如苯酚（C6H5OH），俗稱石炭酸，理當能與碳酸鈉或碳酸氫鈉起反應產生二氧化碳，但這預測在後來的實驗中並未被證實。因為苯酚的酸性小於碳酸，大於碳酸氫根，所以並不能與碳酸氫鈉反應產生二氧化碳。而苯酚就算能和碳酸鈉反應，但因反應少，也不會產生二氧化碳。​因此這個行為模型就沒有發展下去的價值。然而，它與生活經驗有關，是幼小孩童透過感官認識物質世界中酸鹼概念的起點，因此在小學課程中大都從這些簡單的規律性瞭解物質的酸鹼性。 2.        卜利士力模型（Priestley’s Model）：1772-1775年，模型觀：凡是含有氫的物質就是酸。 這模型主要是來自瑞典學者謝勒（Carl Scheele, 當時也在嘗試解釋燃燒實驗重量增加的問題），他將鹽酸和二氧化錳加在一起產生氯氣，並探索一些氯的氧化物的性質後，引發出兩種酸的想法： 一種是含氧的酸，另一種是含氫的酸。卜利士力是將這兩種酸組合成一個模型想法的人，他認為酸性氧化物溶於水造成酸性，所以所有的酸都含有氫。這一模型可以用反應式去表示反應狀況，而在中和反應時，酸和鹼的量的多寡決定產生鹽的量的多寡，這是採用化學計量的濫觴。這個模型具有以下四個解釋的功能：(a)酸中氫被金屬取代產生鹽、(b)金屬加入酸中產生氫氣、(c)有些酸性氧化物溶於水會形成氫氧化物、(d)能被金屬取代的氫稱為酸性氫。但是這模型終究是失效的，它無法有效地預測物質的酸鹼性。 3.        拉瓦節（Lavoisier’s Model）：1777-1787年，模型觀：凡是含有氧的物質就是酸。 無疑地，這個想法來自於測試燃燒後的產物的性質，由於燃燒後的產物含有氧，所以酸性性質便是來自於氧化物的存在。在這個時期，三氧化硫（SO3）被視為硫酸（H2SO4），在當時溶劑的概念尚未形成，所以並不了解三氧化硫（SO3）溶於水後才是硫酸（H2SO4）。而鹽的產生就是酸的氧化物和鹼的氧化物反應後的產物，這種雙重觀點歸因於當時許多中和反應都是相反物質的反應。總之，在當時缺乏量化的概念，酸性就是化學物質本身的性質，然而當有些氧化物或非金屬不具有酸性性質時，這模型當然也就失效了。 4.        阿瑞尼斯模型（Arrhenius Model）：1884年，模型觀：酸是一種在水溶液中會產生氫離子的物質。 這個模型來自於兩位化學家的實驗：勞特（Raoult）測量冰醋酸的凝固點下降的實驗和阿瑞尼斯（見圖一）進行不同溶液的導電性時所發展出來的科學模型（有關勞特和阿瑞尼斯在這方面的實驗說明，可參見de Berg, 2003），尤其是阿瑞尼斯模型可以解釋強電解質在稀釋溶液中導電的現象（但無法適用於中等濃度範圍），再加上Guldberg和Waage的觀點，解釋弱電解質在稀釋溶液中的導電也可以適用（Oversby, 2000）。阿瑞尼斯於其博士論文中提出解離不需如法拉第理論而需要外在電的來源時才能解離的觀點，受到其化學教授的反對，因此阿瑞尼斯剛開始並未太著重於解離說的推廣，但在遊走於歐洲拜訪其他科學家時，其解離說的觀點逐漸受到重視，於1887年正式被接受（de Berg, 2003）。而他所進行的實驗，包括有氫離子濃度的測量、pH值的尺度、酸的相對強度、解離常數（Oversby, 2000）、滲透壓（de Berg, 2003）等等，皆證明其理論的合理性且可量化，這些實驗的結果對化學界認識酸與電解質的性質產生突破性的影響。阿瑞尼斯的解離說在化學上的貢獻，使他在1903年獲得第三屆諾貝爾化學獎。可惜的是，每個模型都有其侷限性，阿瑞尼斯模型的限制就是僅能適用於水溶液中的解離。 圖一：阿瑞尼斯 （圖片來源：諾貝爾獎官網，http://goo.gl/Xtxb16） 簡單來說，阿瑞尼斯的模型就是化合物若含有H，且會釋放出H+，就是酸；若化合物可以解離出OH–，就是鹼。反應式如圖二所示： HA(aq) → H+(aq)+ A–(aq)    酸 BOH(aq) → […]