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綠色化學–清潔劑、乾洗與二氧化碳的利用

綠色化學要求產品必須充分利用原料,慎重選擇化學反應物與反應程序來控制廢物的產生,以減少對環境的汙染。近年來,清潔劑的製造商為做到綠色化學的環保要求與能源的節省及回收,一直在改進清潔劑的化學成分。
 
 
 
我們的生活少不了衣食住行的掛慮,洗滌能保持衣服與身體的乾爽與衛生,工業界(尤其是電子工業)也常以氟氯乙烯(Freons)洗滌零組件,確保產品品質。近年來,清潔劑的製造商為做到綠色化學的環保要求與能源的節省及回收,一直在改進清潔劑的化學成分。

2005年,日本化學家野依良治(2001年諾貝爾化學獎得主)曾經指出綠色化學的3個重大發展:使用超臨界二氧化碳(supercritical CO2)做為綠色溶劑、過氧化氫進行清潔氧化反應、氫氣做不對稱合成。1996年,美國北卡羅萊納大學的化學教授德西蒙(Joseph M. DeSimone)發明利用超臨界二氧化碳流體當乾洗溶劑,外加聚合物而成為特殊綠色清潔劑。

小百科

衣服或手上的汙穢大多含有油質,一般都以肥皂清潔。肥皂是一種界面活性劑,主要成分是硬脂酸鈉,分子式是C17H35COONa。肥皂分子的一端是親水性的羧酸基(COO-),另一端是親油性的碳鏈。肥皂分子會降低水的表面張力,使水分子均勻地分布在待清洗的衣物或皮膚表面。

肥皂分子的親油部位能和油汙作用,親水部位則有助於肥皂分子與油汙作用後分散在水中,經攪動後會形成非常小的油滴,其表面布滿肥皂的親水部位,因而不易重新聚集為大油汙。由於油汙變成了微小的油滴,就可以輕易地被沖洗乾淨。但如果水中含有鈣或鎂離子(硬水)時,因鈣、鎂離子會使肥皂沉澱,使肥皂無法溶解在水中,當然就失去其清潔能力了。

乾洗是利用有機溶劑,如早期的四氯乙烯之類,使油汙溶解後移除掉。1996年,北卡羅萊納大學的化學教授德西蒙發明以超臨界二氧化碳流體當乾洗溶劑,並且研發「親CO2的肥皂」,不但節省資源,也減少碳足跡。

超臨界流體是一種物質狀態,當物質在超過臨界溫度及臨界壓力下,氣體與液體的性質會趨於類似。超臨界流體類似氣體具有可壓縮性,又兼具類似液體的流動性,密度介於0.1到1.0公克/毫升之間。由於具有液體般的溶解能力,因此超臨界流體可定義為具有可控制溶解能力的沉重氣體,或是一種無法區分其為液體或氣體的物質狀態。

2010年,英國的Xeros公司發明了新式洗衣機,利用特製尼龍小珠吸收油汙,而尼龍小珠可以重複使用,洗一桶衣服只須一杯水,洗完衣服也不用烘乾,真是既省電、省水又環保。

靈機一動與進展

西元前7世紀,古埃及皇宮中的一名腓尼基廚師不小心把一罐食用油打翻,為避免他人發現,便用灶爐裡的草木灰覆蓋,並把這些浸透有油脂的草木灰丟到室外。又為了洗淨髒手,他把手放到水中,發現只要輕搓幾下,便可洗掉手上的油膩,甚至還能去除以前的老汙垢。廚師於是讓其他的同僚也用這種物質洗手,發現淨手效果的確良好。

近年來,由於環保、節省能源及資源回收的要求日益迫切,清潔劑的化學成分有極大的改變。每年各公司都會推出新產品,如使用天然物代替化學合成的聚合物、使用酵素加強洗滌力、降低洗滌溫度節省電源等,以達到綠色化學的目標。美國化學與工程新聞周刊(C&EN)也經常把有關清潔劑的化學、廠商與發展當封面新聞報導。

據估計,如果5成的歐洲家庭能把洗碗機的溫度降低攝氏10度(即攝氏50到55度之間),每年可減少相當於338,000公噸CO2的釋放量,也相當於10萬輛中型汽車的CO2排氣。

乾洗的發明者是法國的一位染坊店主焦立(Jean Baptiste Jolly),有一次他的女僕不小心把煤油燈打翻,煤油(kerosene)灑到桌布上。他注意到擦乾後的桌布變得很乾淨,靈機一動就發明了使用煤油做乾洗的「溶劑」。

毛質或絲綢的衣服會吸收很多水,既不容易乾,也會變形,這類衣服必須用「有機溶劑」(非水性)「乾洗」。早期乾洗是以汽油、煤油做溶劑,但它們都有易燃的缺點,1930年代起就改用四氯乙烯。

後來四氯乙烯及含氯有機物被發現都是致癌物質,1980年代,便改用其他有機溶劑,如氟氯乙烯之類。但氟氯乙烯會破壞大氣層的臭氧,增加地面上紫外線的照射,提高皮膚癌的罹患率,因此2000年後又全面禁止所有含氯及氟氯乙烯有機溶劑的製造與使用。

用超臨界CO2當乾洗劑

我們呼吸排出體外的是二氧化碳,汽油燃燒後(汽車排氣)生成的也是二氧化碳。近年來過多二氧化碳進入大氣層,引起地球暖化現象,如何利用或回收二氧化碳以減少碳足跡,是當前急需解決的要務。

1996年,美國北卡羅萊納大學化學教授德西蒙發現二氧化碳的相圖(phase diagram)顯示,在室溫及將近100 bar的高壓下,二氧化碳會變成超臨界流體,因此提出利用超臨界二氧化碳當乾洗溶劑的構想。

但是超臨界二氧化碳流體本身並不能洗滌髒東西,普通肥皂又不溶於二氧化碳,德西蒙便利用他聚合物化學的專長合成出「特別肥皂」,這些「特別肥皂」的一端具親CO2性,另一端具親油性,而且可以溶在超臨界CO2流體中。

德西蒙曾經發明過可以溶解在超臨界CO2流體的乳膠(latex,一種聚合物)油漆,他就把這原理應用到乾洗上。他發現氟聚合物是親二氧化碳的有機物,又發現聚苯乙烯(polystyrene)也是親二氧化碳的物質,這些聚合物都屬於塑膠類。超臨界二氧化碳流體加上聚合物不但可以用來洗衣服,也可以洗滌電子工業的產品,充分取代了以前使用的氟氯乙烯。

最新洗衣機

美國《時代》雜誌每年11月都會評選該年度的50種重要發明,2010年的第二名發明項目就是新式洗衣機,用一杯水就可洗一桶衣服。

美國人每年洗衣服的用水量是3千3百億加侖。有鑑於此,英國的Xeros公司研發出一種新式洗衣機,不用肥皂,用的是尼龍小珠,它不但能吸收骯髒的汙垢,而且可以連續使用,只要用一杯水就可以洗一桶衣服。

這機器洗衣的步驟如下:洗衣機有二個滾筒,髒衣物放在中間,一開動,尼龍小珠與髒衣物開始混合;外滾筒停止轉動,尼龍小珠就被拋離衣服到外筒;幾乎只有1%的尼龍小珠會留在衣服上,拿衣服時,抖動衣服就可把小珠拋到回收櫃,以便下次使用;如果仍然有小珠貼附在衣服上,可用真空器吸掉。因為幾乎不用水,因此不用烘乾,省水省電。

掌聲回響

德西蒙能從實驗室的基礎研究成果推廣到實際的商業應用,真是難能可貴,他跟二位研究生馬克連(Jim McClain)和羅麥克(Tim Romack)一同創建了MiCELL公司,利用超臨界二氧化碳與聚合物為乾洗劑,第一年就有投資者贊助5百萬美元做基金。至今德西蒙已經獲得115項專利,另有70項專利在審查中。

德西蒙得過許多榮譽,如美國總統綠色化學獎(1997)、杜邦公司的卓越工程獎(2002),美國化學協會最有創造性的發明獎(2005),2005年41歲時更被選為美國工程學院院士,同年又入選為美國科學與工藝學院院士。2008年還榮獲Lemelson-MIT發明獎,得到獎金50萬美元。

深度閱讀
  1. McCoy, M. (2010) Chemical & Engineering News, Cover Story, 88(4), 12-17.
  2. The 50 Best Inventions of the Year, Time, p. 65, November 22, 2010.
  3. http://web.mit.edu/invent/iow/desimone.html
  4. http://www.desimone-group.chem.unc.edu
  5. http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid
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