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以廢止廢、點石成金 凌永健用綠色化學推動循環經濟

109/10/27 753
 
5G商轉即將到來,當科技巨擘相繼推出新型5G手機、各國緊鑼密鼓布建基地台,為下個通訊時代布局的同時,全球不得不正視通訊晶片對環境的污染。

5G通訊能順利揭幕,「砷化鎵」是背後最大的功臣。「砷化鎵」的材質特性能讓電子移動速度較快,是製作手機功率放大器(PA)的晶片原料;但是其中的「砷」也是致癌、有害環境的世紀毒物,古代殺人用的砒霜就是它的化合物,烏腳病也是「砷」污染水質所導致的。在通訊晶圓的製造過程中,若未妥適處理含砷的廢水或廢油,砷就會透過風化、溶解進入地下水系統,造成污染。

在通訊時代,處理「砷」污染已是全球顯學。長期專研綠色化學方法的清華大學化學系教授凌永健研究團隊透過「濕式冶煉(註1) 」,將含有砷化鎵的「廢切削油」裡頭的砷分離出來,處理過後的「無毒切削油」可經過純化處理,變成「碳量子點」生物體內影像檢測試劑的合成原料。讓廢油變成高經濟價值產物,凌永健團隊成功點石成金,達到資源再利用的目標。
 
 
 
繼2017年開發「廢油」處理技術後,今年團隊再下一城,透過專利開發的複合式淨水反應試劑,經過氧化、吸附、絮凝與沈澱等步驟,將10,000ppm的廢水含砷量降到0.1ppm,達到放流水標準。目前研究團隊正持續努力,希望將氨氮、鎵等污染物也降到放流水標準。
 
 
用綠色化學法解決化學污染

投入綠色化學、促成廢棄資源再循環,並不是凌永健早期的研究主軸。1989年自美學成返國至清大任教,他從事的是「分析化學」研究,常與環保署、消基會等組織機構合作,應用質譜分析法,揪出無良排放廢棄物的廠商、黑心食品摻偽業者,不過越深入第一線,他越能感受到廠商在廢棄物處理的無奈。

凌永健解釋,環保署核照的特定廠商才能處理「有害事業廢棄物」,但每間廠商都有特定的處理量,當廠商無法消化更多廢棄物時,半導體廠只能將高污染的砷廢棄物暫放工廠,一旦存放過量就會被開罰;還曾遇到廠商被勒令停工,連帶影響到iPhone的出貨。

「我們不只要看到問題,更要解決問題!」在2006年凌永健開始投入「綠色化學」的研究,為廢棄物處理打造一把再生鑰匙。
 
 
取代抗生素 用光熱殺菌更環保

1998年美國科學家Paul Anastas與John Warner提出「綠色化學」12項原則(註2),它的核心定義為減少化學方法對環境、人類健康與安全的衝擊,像是透過「光熱殺菌劑」取代化學藥物殺菌就是其中一項應用。

臺灣每年有9萬人需要血液透析(俗稱洗腎),密度居全球之冠。洗腎過程涉及血液抽出體外再回流,感染風險不低。凌永健研究團隊開發綠色材質「戊二醛官能化磁性還原氧化石墨烯(MRGOGA)」作為光熱殺菌劑,MRGOGA如同一艘奈米級的航空母艦,可在輸血管內巡航,且能負載不同的捕菌和殺菌武器。
 
一旦血液流過MRGOGA,裡頭的金黃葡萄球菌、大腸桿菌就會被戊二醛官能基捕獲,此時再用能穿過皮膚的近紅外光雷射一照, 石墨烯溫度上升,細菌就被殺死。在使用80ppm MRGOGA、近紅外光雷射照10分鐘內,殺菌率達99% (註3)。

這種方法降低了抗生素對身體、環境產生的副作用,也解決細菌抗藥性的問題。2013年研究成果便發表於美國化學學會的奈米期刊(ACS NANO),獲得近300次的高度被引用率,且獲得兩項美國專利,是利用奈米材料光熱殺菌劑取代化學殺菌劑的經典案例(註4)。
 
 
流體化學法 開拓綠色化學的商轉機會

無論是對付細菌、高度致癌污染物與無人回收的廢棄物,凌永健的綠色質譜實驗室總是端得出解方,但離實際商業運轉、大規模化應用就是差一段。

凌永健坦言,實驗室能透過精密化學法,將幾毫升的污染水做到流放流水的標準;但放大到一公噸的污染水時,干擾因素增加,受熱與攪拌能否均勻、反應物的增加比例等,都會影響處理的品質。此外,能否降低廢棄物處理與再生的成本,也是廠商關注的焦點。

為了解決擴大商轉的難題,近年實驗室導入「流體化學」實驗法。有別於傳統依照實驗方式,一毫不減地加入試劑,一秒不差地掌握攪拌時間,流體化學將「化學方法」變成「連續的生產線」,按下機器按鈕,反應物與催化劑投放、液體溶解、攪拌加熱等動作通通自動開始,結束後即可取得目標結果,是化學法邁向規模化生產的開始。

「這台攪拌器昨天做好,要攝影只有一次機會,不確定它靈不靈光。」實驗室同學沒什麼把握地說,原來「讀化學的要跨行搞機械實在不容易!」「我的實驗室是問題解決導向,綠色化學必須要結合綠色工程才有應用機會!」凌永健笑著說,好在同學都樂於接受挑戰,而透過科學來解決生活問題也比較有趣。
 
 
目前實驗室正進行保麗龍回收的流體化學實驗,保麗龍如浮冰似地沈入有機溶液劑中,連串反應自動開始,藉由「磺酸化反應(註5) 」所得的保麗龍片溶液,烘乾後變成小顆粒,可作為吸附金屬的水質過濾劑,對半導體製程的污水處理相當有幫助。
 
 
也許,未來我們能開著一輛「化學反應處理車」到海邊,將保麗龍就地處理、再生應用。預計今年退休的凌永健,仍持續與團隊擘畫著「以廢止廢」的綠色計畫,實驗室中許多「流體化學機組」的雛形,都是滾動循環經濟的新希望。

訪談尾聲,凌永健語重心長地說,臺灣目前仍著重於在生產獲利的「動脈產業」,但隨著資源日益匱乏,資源處理與再生的「靜脈產業」將越來越重要。期許政府帶頭整合學界的綠色化學法,與產業界合作推動「靜脈產業聚落」,讓研究不再紙上談兵,而有落地的可能。
 
註1:利用溶劑將貴金屬融解成離子態,再利用離子交換、置換等方法從淨化液中提取金屬,來達成貴金屬回收的目的。
註2:行政院環保署毒物及化學物質局。〈綠色化學定義及原則〉。取自https://topic.epa.gov.tw/greenchem/cp-302-8060-e6081-1.html
註3:此處的細菌是革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌、革蘭氏陰性大腸桿菌
註4:MRGOGA進行抗菌光熱處理的圖片版權資訊 Reprinted with permission from (Graphene-Based Photothermal Agent for Rapid and Effective Killing of Bacteria. ACS Nano 2013, 7, 2, 1281–1290). Copyright (2013) American Chemical Society
註5:利用硫酸將保麗龍(聚苯乙烯)苯環上的氫原子以磺酸官能基取代,該官能基能抓取水中的帶正電荷的離子,如銅、鎘、鉻、鎵金屬離子。
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