農業廢棄物到生質化學品
農業副產品(Agro-Waste, Agricultural By-product)是一個相當大的生質料源；依biomassfutures.eu推估，以全球50%採收穀物推算，每年即有相當於9千萬噸原油(90 MTOE)的產出量，這些副產品除了用於生產再生能源，如生質酒精外，亦可用於生產生質化學品、材料與肥料等。以循環經濟概念來看，農業副產品做為料源生產化學品與材料，可將經濟發展、人類福址與資源消耗產生一定程度的脫鈎。為避免對土地、生物多樣化及食物供應造成負面影響，因此需要將農業副產品系統化，且建立具
生態效益(Eco-efficient)的管理機制與轉化技術，以降低對土壤、水質與空氣的衝擊。歐盟展望2020(Horizon 2020)架構下的研發計畫－農業廢棄物全利用(No Agro-Waste; NoAW)即以此理念，整合13國32個單位，共同尋求解決方案，宗旨是為「零廢棄物經濟」做出貢獻，以因應當今社會日益嚴苛的環境問題。其依循環經濟模式，開發農業廢棄物全利用技術，包含：葡萄酒渣、秸稈和畜肥等，考量地域與季節變化，規劃價值創造最適化策略，獲取資源之最大使用價值。本期專題介紹全球廢棄物應用現況、東南亞生物資源及國內相關技術發展，包括：全球廢棄物發展生質化學品之現況與趨勢、棕櫚生物質資源化利用概況、農業與環保科技新指標—生物可分解農地膜的開發與應用、植物基多元醇發展趨勢四篇專文。希望藉此讓更多有心業者加入此議題的探討，共創更美好的明天。
目前生質化學品的生產主要以澱粉或蔗糖等為原料，但存在著與人爭糧、與糧爭地的疑慮。改以非糧食的農業廢棄物為原料生產，近年來被視為解決此疑慮的主流方向。除了以農業廢棄物稻稈、玉米稈、麥稈、蔗渣、棕櫚剩餘物的木質纖維原料來進行生質化學品的研發外，近期歐盟亦投入畜牧漁業廢棄物的開發。「全球廢棄物發展生質化學品之現況與趨勢」一文，分別介紹「KaRMA2020專案」，藉由家禽羽毛廢棄物提取角蛋白(Keratin)作為工業化應用，包括開發生物複合材料、功能性紡織品、包裝應用及農業應用。另外「EU FP7-N-CHITOPACK專案」鎖定魚產業廢棄物所衍生的天然幾丁質(Chitin)奈米纖維，其用於食品級的薄膜和硬質包裝，具有100%的生物可分解特性，也有較高的機械強度、抗紫外線和耐熱性。另外該文也與讀者分享運用蛋殼奈米顆粒增強生質塑膠性能、從橄欖油剩餘物生產綠色聚氨酯、龍舌蘭酒商與福特汽車合作開發生質塑膠材料等案例。
棕櫚在所有產油作物中，栽種土地面積占有比最小，僅4.5%；同時，占全球植物油產量的最大比例，超過36%。隨著棕櫚油需求日漸提升，榨油廢棄物產量也隨之增加，據Agensi Inovasi Malaysia預估，到2020年榨油副產物將由目前8.5千萬噸提高至1.1億萬噸。為消耗這些廢棄物，其資源化利用技術正急速發展中。「棕櫚生物質資源化利用概況」從全球棕櫚油業概況、棕櫚榨油程序分析，介紹由棕果生產的棕櫚油是棕櫚的主要產品，但除生產棕油外，棕櫚還有很多富含纖維的生物質，如樹幹、空果簇、果殼、果渣等，通過合理有效的全利用規劃，棕櫚將會成為世界上最為重要的綠色能源寶庫。
農地膜是應用於農業生產的塑料薄膜之總稱，主要用來覆蓋農田，以達到提高農地表面溫度、保持土壤濕度、抑制雜草生長、促進種子發芽和幼苗快速增長之作用。「農業與環保科技新指標—生物可分解農地膜的開發與應用」一文，介紹將生質材料如聚乳酸(Polylactic Acid; PLA)、聚琥珀酸丁二酯(Polybutylene Succinate; PBS)，透過添加農棄物麥粕，藉由天然相容劑的選擇與添加，改善其結晶性能，控制其材料加工性、機械物性，使其成為具生物分解性生質農地膜的原料成分，並利用吹膜製程製成具有百分百生物可分解的農地膜。控制農地膜分解時間，使其分（崩）解時間為三個月、六個月或其他時間，一方面減少環境、水質與土壤等污染，一方面經由農地膜達到促進植物生長、早熟、防蟲害、保溫、保濕、防凍等要求。
而以低碳、可再生性的天然原材料取代傳統石化塑膠原料及產品，在業界已有相當多的技術及應用。但因價格過高、技術瓶頸、錯誤取代認知、政府沒有強制規範等種種原因，相關可再生原料及產業對傳統石化產業的取代率及滲透率，遠遠低於業界期待，也未形成產業規模。在科技進步、人們對環境議題的反思以及低碳環境趨勢下，以可再生資源所開發的生物基化學品及聚合物逐漸被市場重視，植物基多元醇也是其中一員。聚氨酯產品是多元醇主要的應用領域，隨著品牌的強力導入，植物基多元醇的應用技術逐漸成熟，也讓應用領域擴及到大部分的聚氨酯類產品。「植物基多元醇發展趨勢」介紹生物基聚氨酯在建築、汽車、電子、寢具及家具、緩衝包材等領域的應用概況與優勢，也分析植物纖維多元醇技術的發展方向及困境，相信隨著國際間對低碳環保議題高度重視，未來五到十年間，將是可再生材料蓬勃發展的黃金時期。
畜牧廢棄有機物醱酵再生能源
循環經濟為目前政府重要施政目標之一，透過重新設計產品和商業模式，促進更好的資源使用效率、消除廢棄物及避免污染自然環境。畜牧業所排放之糞尿以往皆以廢水、廢棄物處理為主要方向，而富含有機物、氮與磷等物質之畜牧業廢水，可透過厭氧醱酵技術，將其中之有機物質轉換為沼氣，氮與磷則存留於沼渣以及沼液中。沼氣可以進行發電或保溫使用；沼渣與沼液則可回歸農地，作為農作物之灌溉水及肥分使用，所產出之農作物又可供作食物，餵養人類與動物，達到循環經濟以及永續環境之目的。本期專題以我國養豬產業為例，介紹目前我國養豬場沼氣再利用之現況，並針對重點技術整合方向，包含厭氧醱酵槽、沼氣脫硫技術、沼氣發電機等進行探討，同時也整理國內/外先進技術作為參考依據。藉由本專題之介紹，期能整合國內技術，並輔以政府之相關補助措施，如躉購費率提高、設備補助、鼓勵再利用等，有效提升我國沼氣再利用比率，並開創新的營運模式。透過國內畜牧業之技術應用與營運基礎，未來將可望進一步拓展至東南亞等氣候條件與我國類似之地區，創造更大價值。
「我國養豬廢水沼氣發電之未來展望」一文指出，養豬產業為我國最重要之畜牧經濟項目，總養殖數約550萬頭。其中約30%養殖於小型養豬場（<1,000頭）；46%養殖於中型養豬場（1,000~4,999頭）；24%養殖於大型養豬場（>5,000頭）。目前僅少數大型養殖場設置有沼氣發電再利用之相關設施。為了提升養豬廢水沼氣再利用比例，包含農委會、能源局以及環保署等，明訂了各項補助措施。其中，大型養豬場規模較大，可透過業者自行投入以及相關補助達到沼氣發電之目標；小型養豬場可以透過集中處理方式，由鄰近大型養豬場之處理設施共同處理；而中型養豬場，經濟誘因相對較低且集中處理相對困難，因此需要整合目前國內相關產/官/學/研之技術能量，針對高效能厭氧醱酵單元、高穩定性脫硫單元、國產小型沼氣發電機、自動控制系統等，始可增加中型養豬場沼氣再利用之目標。
傳統畜牧廢水採三段式處理，是以符合當時之環保放流水標準為目標。如今，現代循環經濟之思維則以應充分回收畜牧廢水中豐富之能、資源為新概念。由於台灣地區地處亞熱帶，大多數養豬戶仍以實心地面之畜舍為主，以水柱沖洗方式進行豬舍清潔，導致收集之豬糞濃度偏低。如欲進行豬糞之厭氧生質能產氣發電，前置濃縮程序有其必要性。「養豬場廢水生質能探討與厭氧醱酵模場案例分析」一文，利用屏東縣一養豬場進行模場試驗，以單一豬糞基質為進料，在高溫(55˚C)操作溫度，總水力停留時間12.5天，體積負荷約為5.23 kg VS/m3-day下，TCOD、SS、VSS之去除率分別為48.77%、43.93%及50.61%，平均日產氣量為5.88 m3/d，比產氣率為1.47 m3/m3-d。醱酵槽出流液中總氮、總磷濃度分別可達1,500 mg/L、1,000 mg/L，是沼液沼渣回歸農地時，其肥力價值最主要之考量。
台灣生質沼氣利用在過去二十年，因沼氣發電設備受沼氣中硫化氫衍生之酸性物質腐蝕而停擺，導致未能有效發展沼氣生質能源。近年由於歐洲生質能源應用迅速成長，沼氣發電相關技術漸趨成熟，並在國際環保意識提升與倡議循環經濟下，有機廢棄物轉沼氣生質再次受到重視。國內研究單位、學界與業界汲取過往經驗，明瞭沼氣脫硫是不可忽略之重要議題。「台灣生質沼氣脫硫技術發展與現況」一文對於近年沼氣脫硫技術發展簡述說明，並分析國內/外生質沼氣脫硫技術應用的可行性。建議開發能夠因應我國小場規模系統，發展成分散式模組，具成本競爭且能簡易持續穩定操作之脫硫系統，能協助近50%之禽畜養殖業得到完善的沼氣純化發電程序，也能穩定操作，將可解決多年來未能處理的問題，並發展台灣生質綠能產業。
目前常見的沼氣發電機主要有燃氣引擎發電機、微型氣渦輪發電機兩種。在大規模沼氣發電場所，可以利用併聯控制盤將輸出電力與市電併聯，將產生的電能賣給電力公司。發電機產生之廢熱，可採用熱交換器等裝置回收利用發動機出的餘熱，使發電機組總能量利用率達到65%~85%，廢熱回收裝置所回收的餘熱則可用來保溫厭氧醱酵反應槽或進行廢水污泥乾燥。「小型生質沼氣發電機組技術發展」主要介紹小型生質沼氣發電機組技術發展方向，由沼氣發電原理切入主題，將沼氣發電機組之組成區分為五大主要單元，分別是發動機單元、發電機單元、併網控制單元、熱交換器汽電共生單元、噪音防制單元，將分別透過兩期刊登，針對此五大單元技術進行探討，說明各功能單元技術趨勢、設計考量、應用情境、特性比較、整合方式等，系統性的介紹小型生質沼氣發電機的技術與應用。
主題專欄
Flexible AMOLED之軟性技術開發已成為商品化發展重點。不同產品樣態所採用之軟性封裝結構會有不同，目前在高階智慧型手機採用固定曲面之Flexible AMOLED面板中的封裝結構，跟未來發展之可彎曲、可摺疊、可捲曲產品所採用之軟性封裝結構，會有些許調整與修改，但核心技術將會是進階式發展而不會完全不同。光電/顯示專欄「Flexible Touch AMOLED封裝製程技術」一文將分期由目前在Flexible AMOLED面板上發展之軟性封裝技術談起，詳細介紹軟性LTPS TFT背板阻氣技術、OLED薄膜封裝技術、OLED上蓋板阻氣技術，以及工研院在Flexible AMOLED前瞻側向封裝技術與可摺疊觸控AMOLED面板技術之進展與未來挑戰。
光學式感測系統具備靈敏度高、體積小、質量輕、反應速度快、非破壞性等優點。因其具可撓性與適應性，可以在惡劣或特殊環境需求下做長期的監測，如工業管線偵漏、大面積氣體監測，動態即時量測與遠端監控量測亦非常適合。美國國家能源技術實驗室(NETL)將光學式感測系統應用於二氧化碳地質封存研究，可監測地表水體、地層內與地表漏出之二氧化碳，成本相對較低，頗符合長期監測與商業化需求。材料與技術專欄「二氧化碳光學式SERS感測材料製程與應用」一文介紹，將奈米金粒子混入HPTs，利用低耗能、低成本之溶膠凝膠法，開發常溫SERS二氧化碳感測材料薄膜塗佈製程，並成功放大單次材料產物重量，同時進一步於實驗室中製作感測材料薄膜，以光纖作為光學感測系統，在密閉式腔體內測試氣體感測靈敏度，結果顯示本研究所發展之高感度材料可用來檢視二氧化碳之較細微變化，因此有潛力應用於二氧化碳地質封存及敏感環境之監測用途。
鈦合金用於臨床已有半個世紀，由於鈦合金具有良好的生物相容性、重量輕、無毒、無磁性、耐蝕及高強度等特性，且鈦合金植入體內或與皮膚接觸，並不容易引發過敏及炎症，故廣泛運用於醫療領域。但許多臨床文獻報導，金屬植入物於人體內若釋放金屬離子、金屬磨屑可能引發軟組織不良反應，即所謂的金屬病變(Metallosis)，其誘發源是來自於鈷(Co)、鉻(Cr)金屬離子，透過血液和體液感染導致植入物附近的人體組織金屬病變。技術發表會專欄「生醫級鈦合金，你不能不知道的事！」一文分享不良的鈦合金雜質可能引發嚴重的金屬病變，選用高純度無害的Grade 23等級鈦合金才能保障病患健康。
傳統電鍍製程中，須使用大量酸、鹼和有機溶劑等化學藥品，尤其電鍍貴金屬(金或白金)時，為確保最佳電鍍品質，大多以氰化物為電鍍液，但這些化學藥品若處理不當，將對於環境及人體造成嚴重危害。「生物輔助環保電鍍溶液」介紹學界近期開發出的「生物輔助環保電鍍溶液」，此技術可成功電鍍出金、白金、鎳、鈷、銅、錫、鋅、銀等金屬。電鍍液主要配方是由離子液體(維生素B、植物生長營養劑)與生物菌(乳酸菌、酵母菌、光合成細菌等)組成，具有果香味、不刺鼻、不具腐蝕性(非酸、非鹼)及無添加水等特色，鍍液品質不佳時，只需用濾紙過濾即可再重複使用，完全符合綠能環保工業技術的需求。而反之，沿用此電鍍溶液，將金屬陽極端換成欲回收的金屬，陰極端放置欲沉積的底材，系統即可轉變成環保回收製程，應用在環保貴金屬回收。該技術可提升電鍍及表面處理產業的技術水準達到歐盟規範，並解決排放物汙染環境的問題。
材料補給站「國際產業中小能源用戶建築外殼節能改善措施之窺探」一文說明，美國、日本、英國、新加坡、中國大陸和台灣等皆針對建築節能展開規範管理，其中部分國家會對建築外殼節能進行熱性能規範，如屋頂、外牆、對外窗、窗玻璃等，文中對此類型建築節能規範應用於產業中小能源用戶節能之獎勵補助案例進行介紹，並建議政府除了提供空調與照明設備節能改善補助之外，或許亦能思考提供產業中小能源用戶之建築外殼節能改善獎勵補助措施，以達成帶動整體能效提升之政策目標。
根據全球空調系統趨勢調查，預估在2020年全球空調產值約1,500億美元，製冷系統約690億美元；2009年全球熱驅動製冷約占製冷系統銷售金額5.2%，推估2020年熱驅動製冷產值可成長至36億美元以上。現有空調技術為電力驅動製冷，若利用廢熱驅動吸附式製冷系統，可提高能源效率，並可以微電的方式產生空調，降低耗電量與二氧化碳排放量。吸附製冷技術近期受到國際普遍關注並投入發展，「吸附製冷技術專利分析」一文針對吸附製冷專利進行盤點研究，經專利分析顯示，吸附材料的研發將會是未來吸附製冷應用的關鍵之一。而新世代的吸附製冷系統將是由新穎吸附材料、高效率熱交換器及優化操作所組成。透過國際專利布局現況，將有助於國內產業及研究單位領先布局空調製冷相關應用。
本期也精選44項工研院材化所2017亮點技術，以及「OLED發光材料與元件」、「OLED照明之低偏色、高光取出膜」、「奈米碳球」、「高阻隔、低膜層節能玻璃」、「薄型壓電揚聲器」5項熱門專利組合，篇篇精彩，歡迎賞閱！
凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2017年12月號『工業材料雜誌』或參見材料世界網，並歡迎長期訂閱或加入材料世界網會員，以獲得最快、最即時的資訊！