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開發消毒神劑、高效回收重金屬 盧明俊「學以致用」消弭產學落差

109/11/30 瀏覽次數 980
盧明俊團隊近年研發成果包含開發奈米鋅自產技術、二氧化氯消毒劑,以及重金屬廢水回收技術。(圖/fatcat11繪)盧明俊團隊近年研發成果包含開發奈米鋅自產技術、二氧化氯消毒劑,以及重金屬廢水回收技術。(圖/fatcat11繪)
 
你可能聽過許多「奈米」相關的商品,像是奈米馬桶、奈米蓮蓬頭等,而最近因為疫情的關係,奈米口罩、奈米噴霧也受到消費者青睞。這些產品之所以會有抗菌效果,很多都是使用了「金屬奈米粒子」。

金屬奈米粒子如奈米銀、奈米金、奈米鋅等,是近年來生醫、公衛領域的熱門研究主題。物質的顆粒若達到「奈米」等級,物理性及化學性會很不一樣。對金屬粒子來說,若是粉體粒徑達到奈米級大小,與細菌接觸的時候,能夠透過多種機制,破壞細菌活性,具有很好的殺菌功能。如果金屬奈米粒子與建築、裝潢、油漆等材料一起製作,就能建構永久或是半永久的抗菌環境。

在這些金屬奈米粒子當中,奈米氧化鋅(以下簡稱奈米鋅)因為製備原料豐富、殺菌條件簡單、本身無色無毒,近幾年受到的關注越來越多,被評估具有廣闊的前景與市場價值。
 
嘉南藥理大學特聘教授盧明俊,榮獲108年度科技部傑出研究獎。(圖/黃品維攝)嘉南藥理大學特聘教授盧明俊,榮獲108年度科技部傑出研究獎。(圖/黃品維攝)
 
協助廠商掌握奈米鋅自產技術
 
研究發現,氧化鋅粉體顆粒越小,對細菌的細胞壁產生的破壞越強,也就是說,氧化鋅要達到奈米等級(奈米鋅),才會有較佳的消毒效果。過去委託開發的廠商只能從外購入奈米鋅,沒有自己的生產技術,但該廠商不樂見原料被掌控,於是找上了盧明俊,希望能進行產學合作,掌握奈米鋅的合成方法。

首先,對於控制菌落數,盧明俊反覆實驗,找出了最適合的奈米鋅濃度;並在翻查文獻之後,發現加入界面活性劑,可以有效地分散氧化鋅分子,降低粒徑。其中又以1%之界面活性劑效果最為顯著,使用之後,盧明俊成功讓氧化鋅的粉體粒徑達到奈米級(研發產品約為24~30奈米),比某些品牌商用產品更為細小。他的實驗室合成出的奈米鋅產品,不只粒徑符合委託廠商的規格需求,試驗殺菌率也達到99.9%,符合委託廠商行銷對象之要求標準。

現階段來說,雖然該廠商還不會立即開產線製造奈米鋅,但在盧明俊的協助下,他們已經擁有了製作奈米鋅的配方及流程,未來若有需求即可自行生產,將奈米鋅製作成各種抗菌材料。
 
開發二氧化氯消毒劑
 
同樣是公衛領域,「二氧化氯」也是盧明俊長年研究的消毒除臭劑。二氧化氯具有強氧化性,會氧化病毒或細菌的蛋白質與脂肪酸,使得病毒或細菌失去活性;同時,二氧化氯也可以氧化甲醛、硫化氫、氰化物等有害、有異味的物質,達成淨化空氣、除臭的效果。在SARS危機之後,公共衛生受到重視,當時廠商找上了盧明俊,希望能驗證二氧化氯應用在環境消毒上的成效。

經過長年的研究,盧明俊團隊與廠商合作開發出「雙劑型二氧化氯消毒劑」,在打開粉包、調配出黃色凝膠後,便會開始釋放微量的二氧化氯到空氣之中。當二氧化氯的濃度達到0.01~0.03 ppm左右時,即可有效消除室內空氣中的細菌、病毒、甲醛、臭味等。
 
盧明俊團隊開發的二氧化氯消毒劑。(圖/黃品維攝)盧明俊團隊開發的二氧化氯消毒劑。(圖/黃品維攝)
 
而人體對於二氧化氯的容許值,遠遠大於消毒劑釋放出的濃度,只要正確使用,不會有健康方面的疑慮。另外,在開瓶之後,二氧化氯的影響範圍大約有七到八坪,也就是一個房間的大小,消毒效用則可長達一個月。

「我有學生的姊姊在做裝潢設計,跟我們反應有甲醛問題,我們就去偵測,果然真的有甲醛。」盧明俊說:「(二氧化氯消毒劑)放進去之後,甲醛就不見了。」二氧化氯消毒劑的研發,取得了多項專利,更獲得國防部、桃園機場青睞,作為他們的消毒方式之一。

研究結晶法 高效率回收重金屬廢水
 
最近,盧明俊繼續投身環境永續的議題,開始研究重金屬廢水的回收問題。傳統上,工廠排放的含重金屬廢水,大多會使用「化學混凝」來處理:先將廢水加入沉澱劑、鹼液等藥劑,與重金屬離子反應,形成含水污泥;再用脫水裝置,將沉澱的污泥壓製成污泥餅,交給後續的廢棄物廠商處理。

只不過,污泥餅即便經過脫水處理,含水量仍高達60-70%,也就是說,在處理污泥的過程中,有60-70%的成本其實是花在「水」上面。而且,廢水中的重金屬要完全沉澱非常耗時,沉澱池也需要很大的面積,這些對盧明俊來說,都是可以設法改善的事情。

經過研究,盧明俊團隊研發了「流體化床均質結晶造粒技術」,讓重金屬離子與碳酸根離子或磷酸根離子反應,生成低含水率的重金屬結晶顆粒。這樣的技術,主要可以達到以下兩個成果:

第一是降低成本。使用這種技術,重金屬結晶粒的含水量只剩下5%,等於減少了2/3的重量,對工廠來說,一年可省下數千萬元的污泥處理費,大幅降低成本。同時,因為結晶速度快,沉澱池的面積也不用那麼大了,進而節省了許多空間可以作為他用。

第二,以往雖然也有結晶技術,但因為加入異質的晶種,所以整體結晶顆粒的純度不夠高,無法直接將這些結晶粒回收再利用。盧明俊開發的,是一種「無晶種」的結晶法,形成的結晶顆粒,重金屬純度高達99%以上,可以有效地回收變成工業原料,成為循環經濟的一部分。
 
盧明俊示範,左邊是使用結晶法的結果,右邊則是使用傳統沉澱法的結果。(圖/黃品維攝)盧明俊示範,左邊是使用結晶法的結果,右邊則是使用傳統沉澱法的結果。(圖/黃品維攝)
 
目前,這個技術可以用來去除鎳、銅、鉛、鋅等多種重金屬、磷酸鹽及草酸鹽,也已經有高科技廠採用以回收資源,證明「流體化床均質結晶造粒技術」已經從實驗室走入了業界了。

從奈米鋅、二氧化氯以及重金屬回收的研究可以看到,盧明俊非常注重學問的實用性,把實驗成果投入業界的第一線戰場,努力讓研究可以「學以致用」。未來,盧明俊將轉到中興大學環境工程系繼續教學及做研究,為公共衛生、環境永續領域持續努力!
 
盧明俊(2019)。〈評估不同奈米氧化鋅之抗菌活性與消毒效率〉
 
審閱:盧明俊
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