環境復育新策略
103/02/06
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郭朝禎｜
《科學發展》特約文字編輯
由於農藥、含氯有機溶劑，以及食品工業溶劑的使用與管理不當，常因意外滲漏而造成嚴重的土壤及水質汙染。傳統環境工程對這種汙水或工業廢水的整治方式，都是以單一材料進行單一汙染物的處理，雖專一性高，但處理效率往往不如預期且易有殘留，而工業化時代所產生的汙染物逐漸增多，單一材料已無法滿足去除多汙染物的需求。
目前具有絕佳去汙功能及長時間使用後仍不會對環境產生危害的材料並不多，且使用上有相當大的限制。因此，要找到零汙染、低成本，又具高效率、可處理多汙染物的單一材料，有實際上的困難。然而，以不同性質的元素或化合物的單一材料，依適當比例結合所形成的複合材料，因具有高比表面積、反應快等優勢，在適當的催化劑作用下，可彰顯個別單一材料的特性並截長補短，充分達到多汙染物處理的目的，且能降低對環境的衝擊。
為因應綠色科技的目標，清華大學生醫工程與環境科學系董瑞安教授以傳統環境工程所使用的零價鐵及二氧化鈦為基礎，依據它們在去除汙染物的功能上各自扮演的角色，研發出奈米級新穎複合材料。
零價鐵是在無氧狀態下以還原作用去除含氯有機分子為主，而二氧化鈦是在光照條件下進行氧化作用以去除有機汙染物。因此，若使二氧化鈦附著在鐵的表面上形成複合材料，除了減少零價鐵的聚集並進一步提升零價鐵的反應外，還兼具有氧化、還原反應及去除多汙染物的特色，讓這材料的應用更加廣泛，特別是針對工業廢水中三氯乙烯及2,4-二氯酚兩種汙染物的分解。
三氯乙烯在食品工業上常做為大豆、可可、棕櫚等植物油的提煉溶劑或電鍍工業用藥劑；2,4-二氯酚則是做為農業用除草劑或石化工業用溶劑。這2種化學藥品由於用途廣泛且使用頻率高，造成嚴重的水質汙染。
然而利用此複合材料進行反應的瓶頸在於速度較慢，且三氯乙烯的分解效果比2,4-二氯酚差。因此，董教授的研究團隊多方尋找適當的催化劑來提升反應速率與分解能力，最終鎖定了鎳金屬。為什麼會挑選鎳做為反應的催化者呢？董教授打趣地說:「對環境產生汙染的工業廢水剛好含有催化性鎳離子，因而所需的原料無須自備，也不需再花錢購買，如此提升了材料的性能，但成本不變。」這樣的設計等於是以借力使力的方式，讓汙染物進行廢物再利用以對付其他汙染物，達到一石二鳥之計。
去汙性能的提升主要是在無氧光照的環境下，固定在二氧化鈦上的零價鐵把二價鎳離子還原成鎳金屬，再利用鎳金屬能夠催化含有雙鍵化學分子的特性，使三氯乙烯快速還原成較無害的乙烷。鎳的使用就是要讓它在二價與三價之間不停地轉變以形成動態循環，讓二氧化鈦在光照處理下所產生的電子與電洞無法再次結合，促使電洞把2,4-二氯酚氧化成酚，電子再把三氯乙烯還原成乙烷，因而達到多汙染物處理的效果。
用這種複合材料進行反應後所產生的二價鐵，可再次氧化形成三氧化二鐵並充當混凝劑及吸附劑，使廢水中的雜質聚集而加速沉澱，達到淨化功能。
這項成果提供了新型的環境淨化材料，不僅有獨特的物理化學特性且製備方法簡單，可具體提升氯化有機物的去除效率，且符合綠色化學的概念，很適合做為光催化材料應用於水體中汙染物的降解，是一種有效的長期汙染物復育策略。
