水處理與能源整合的技術發展與潛力
在極端氣候的影響下，全球對於水資源、能源與原物料需求與日俱增。為確保未來供水，立法院已在今(2022)年四月通過《再生水資源發展條例》修正案，擴大產業使用再生水範圍，以利天然水資源優先提
供民生及農業使用。然而，近年來亦因全球暖化日益嚴重，為改善二氧化碳排放問題，各國開始制定更嚴格的排放量規定並積極發展再生能源。基於水資源的缺乏、能源成本的高漲和溫室氣體排放等考量，正迫使水科技的研究發展朝向提升水處理系統的能源效率和降低總體用水量。在現今科技快速發展下，永續水資源與能源的技術需求已是人類須正視的挑戰，面對被國際列為重要發展方針的2050年淨零碳排與ESG永續投資兩大議題，如何在使用水資源的同時獲取能源的雙贏方式，有效解決水處理過程中「水能交織」(Water-Energy Nexus)的問題，整合性「水電共生技術」已是未來水處理技術發展的一個最佳選擇。
近年來，氣候變遷與極端氣候影響日趨嚴重，全球多國為減緩此效應，皆以零碳排為重要技術發展指標，而綠色低碳能源即為其中重要技術發展方向。壓力遲滯滲透技術(Pressure Retarded Osmosis; PRO)係以半透膜兩側之鹽度差為驅動力，使水通過薄膜後產生水壓，進一步驅動渦輪進行產能的綠色低碳發電技術。「壓力遲滯滲透技術發展趨勢」一文針對PRO技術過去到現在的發展做探討，包括薄膜、模組程序與PRO的應用，也兼論PRO技術的現況與未來趨勢，包括單獨程序運作與結合其他程序有詳細的說明。PRO技術持續在材料、程序與薄膜方面開發以提高其功率密度，將提升未來之應用潛力。
全球能源消耗不斷增加，導致可再生能源的需求日益增長，鹽差發電藉由兩種不同濃度溶液之間的鹽度梯度轉換成電能，為一種無汙染的可再生能源，越來越受到科學界的關注。鹽差發電技術包含壓力遲滯滲透膜法(PRO)、反向電透析法(RED)、電容混合法(CAPMIX)、電容唐納電位法(CDP)和混合熵電池(MEB)，其中RED、CAPMIX、CDP和MEB為具新穎潛力之技術。「鹽差發電技術原理與發展現況」一文將針對這四種鹽差發電技術進行運作原理介紹，並著重於RED的發展歷程，包含模組系統設計和操作條件之影響產電效能關鍵的研究；最後介紹RED試驗工廠案例與RED的應用，例如：RED/脫鹽系統、使用熱解溶液的RED、微生物反向電透析電池。
微生物脫鹽電池(Microbial Desalination Cell; MDC)是一種依靠微生物反應驅動的多功能電化學程序，透過微生物分解廢水中所含之有機汙染物同時完成廢水處理、發電和海水淡化，其可發電又可產出淡水資源的技術定位勢必將取代高能耗的傳統海淡技術。微生物脫鹽電池技術架構可以充分體現出水–電重要的連結概念，同時被看好未來具有應用於海水淡化、廢水處理、有價物質回收與水質軟化之潛力。「微生物脫鹽電池技術之發展與未來」針對微生物脫鹽電池技術原理、近期發展與相關應用範疇進行詳細探討，並指出後續研究將針對MDC的操作程序提升效益、克服結垢障礙、利用數學模型預測MDC效能表現等目標進行。
有機廢水係指有機汙染物(碳水化合物、脂肪、蛋白、纖維素)為主的廢水，可由低碳廢水厭氧處理降解水體中的有機物質，同時產生沼氣(一種混合氣體，包括甲烷、二氧化碳、硫化氫及氮等)。沼氣發電能源化技術，透過有機物轉化產生沼氣，經由生物脫硫單元可去除硫化氫，再由發電機燃燒產生電力(綠色生質能源)。沼氣發電能源化技術可有效解決有價的有機廢棄物因露天堆置而衍生臭味與溫室氣體問題，同時產生創價的綠色能源以因應產業需求。「有機廢水資源循環再利用與沼氣發電能源化技術」一文，報導工研院對於有機料源進行產量與組成分析、提出沼氣潛能分析與共醱酵系統規畫建議，針對產業廢水處理，鼓勵以低碳處理單元取代現有高耗能的處理單元，以減少碳排放量；透過沼氣生質能源實績推廣，推動相關公協會、系統整合商、能源服務公司與場域業主等策略夥伴連結，帶動我國沼氣發電設備產業鏈蓬勃發展。
腐蝕防治材料與技術 綠能設施的幕後功臣
為落實政策規劃2025年再生能源發電量占比20%之目標，政府與民間積極以公私協力方式，投入綠色能源相關基礎建設。其中最重要太陽能與風力發電兩項，其主體雖為太陽能發電模組與風力發電機，然而其周邊基礎設施（如：太陽能支撐架、風力發電水下基礎設施）均需使用大量的鋼鐵與其他金屬材料。綠能設施帶動未來龐大的鋼鐵需求，讓低迷已久的國內鋼鐵業注入一劑強心針；但台灣多數太陽能與風力發電設施均設置於沿海甚至離岸，而台灣海域又位處全球最嚴苛腐蝕環境，屬於ISO 9223規範的CX等級。早期設置的太陽能電廠，其支撐架平均5~7年就有明顯腐蝕，遠遠不及設計服役的20年年限。由此可見，在積極推動綠能設施建置目標量的同時，確實需要更正確的腐蝕防治材料與技術注入，否則將為鋼鐵業與綠能產業帶來巨大隱憂。
太陽能光電為目前國家重點發展的產業，其除了需要精密高效率的半導體製程製造太陽能電池外，更需要耐久且可靠的金屬支架來支撐太陽能電池板。面對台灣高溫高濕環境及逐年惡化的極端氣候，支架防蝕絕對是重中之重。因應能源的轉型，國家電力建置需在短時間大容量興建，以烤漆保護支架成為較佳的選擇。「太陽能光電用支架烤漆塗裝探討」一文將深入探討台灣特殊腐蝕環境與塗料保護相互間的關係，以啟發更多的思考，並就台灣支架烤漆技術與現況作分析，盼其成為國內發展綠能計畫的參考。
隨著綠電潮流爆發，太陽能發電裝置成長逐年創下歷史新高。2016年政府拍板推動「5+2」產業創新計畫後，首波示範太陽能發電廠陸續落成，迄今運轉約5到7年，許多材料上的問題也相繼顯現。由於耐重與抗風壓等結構強度需求，加上應對台灣海島型長年高濕高鹽之腐蝕環境，太陽能發電廠普遍使用熱浸鍍鋅鋼材製品作為模組固定用支架，預期服役年限應滿足太陽能面板20~25年以上壽命。然而實際上僅僅不到5年的時間，多數電廠支架已產生規模不等的鏽蝕，造成太陽能運營業者非預期性支出。「太陽能系統支架修補塗料」一文針對太陽能支架所面臨的環境、鏽蝕發生機制與種類進行介紹，並說明塗料防鏽原理與如何應用。
政府近年來積極推動綠色能源，離岸風機成為一大熱門焦點。由於台灣地理環境特殊，腐蝕環境也相對嚴苛，因此整個離岸風機建設的防蝕極為重要。從「離岸風機塗裝系統認證及抗海生物塗料的開發」一文可知，離岸風電的塗料須通過NORSOK M-501的標準，取得DNV-GL的認證才能用在整個塔柱的塗裝。目前NORSOK M-501是參照ISO 20340來制定標準，每個部位皆有塗裝系統及所需通過的實驗。2018年ISO制定ISO 12944-9來取代ISO 20340，為離岸風機新增了CX與Im4區域，腐蝕環境更為嚴苛。另外，在利用海洋資源的過程中，船舶、採油平台、輸水管道和近年常見的離岸風機等設施，不可避免地遇到海生物汙損的問題，因此抗海生物塗料的開發勢在必行。現今抗海生物塗料可分為殺菌劑釋放型、不含殺菌劑型兩大類。期望人們在使用海洋資源的同時，能夠利用零汙染的技術來避免海生物汙損。
離岸風機下部基礎結構巨大、幾何尺寸及節點複雜，所涵蓋的腐蝕環境及類別廣泛，受到高溫、高濕、高鹽及高低潮位的反覆作用，鋼材遭受著電化學腐蝕、海生物腐蝕以及機械磨耗腐蝕等傷害，如不事先預防及保護，風機下部結構將因腐蝕降低其機械強度，使得風機在服役期間的安全性堪慮(颱風、地震等因素甚為關鍵)。「風機下部基礎結構之防蝕設計與檢測」一文蒐羅國內外的設計及運維經驗，運用腐蝕裕度、防蝕保護塗裝、陰極保護系統、腐蝕抑制劑等腐蝕控制和防護工法，因地制宜單獨(Solo)或共同(Multi)交互運用，綜整出最優化設計及檢監測運維規劃。
主題專欄與其他
「高效率水氣分離技術」一文報導，世衛組織在2019年報告指出全球至少有20億人仍在使用被汙染的飲用水源，這意味著直到現在這項人權仍然需要良好的管理手段。工研院開發一種高效率水氣分離技術—Ubiquitous Water Wand (UWAW)，當濕空氣通過薄膜模組時，可一次性地分離並提取出符合飲用水標準的潔淨水源，而相對乾燥的氣流還能輸送入建築物協助營造健康舒適的室內環境。UWAW從你我呼吸的空氣中提取乾淨的水，是一種無需水源、冷卻介質或過濾消毒設備的造水技術，生產出來的水質已幾乎達到去離子水等級。根據市場調查，目前空氣造水機的全球產值約為20億美元，年複合成長率約為18%，五年後預期達到約62億美元。目前已有國內業者技轉該項技術應用於商品內，且開始投入打造高效率空氣造水設備，未來有望為世界提供生活所需的潔淨水源。
近年美麗產業風行「升級再造」(Upcycling)的概念，訴求世間無廢棄、萬物均有價值。不僅回收廢棄或副產物，由內料到包裝，也融入產品設計，以達到在地料源、綠色潔淨製程、與本土產業共生合作具有社會貢獻並與地方連結的訴求。「升級再造新美麗材料」一文首先說明升級再造原料的優缺點與挑戰，並介紹近年來包括油菜籽、咖啡渣、畜牧業回收角蛋白、釀造啤酒的副產物等生態新原料，就其主要來源、永續性訴求、功效與應用進行剖析。工研院材化所目前亦已開發數種副產物所衍生出之品質穩定、功效卓著且無防腐劑天然護膚原料，引入了一條不同的供應鏈，從而提供一個提高整個行業可持續性的機會，可供業者參考。
近年來由於海洋塑膠汙染問題日益嚴重，開發由生物可分解的生物循環材料備受關注。含有大量氣體的高分子發泡材料，可降低材料的使用量。高分子發泡材料根據其特殊性能可應用於各種領域，包括：隔熱、隔音、防震、緩衝、過濾/分離濃縮、汽車、建築/結構與包裝。生物塑膠在全球塑膠產能僅占1%~3%，仍屬於小眾市場，可朝高值化發泡材料發展。「生分解發泡材料技術與應用」接續上集，介紹幾種目前全球正在發展的環境友善生物可分解發泡材料，包括：多醣(如澱粉、纖維素/紙、甲殼素等)、聚乳酸、聚羥基烷酸酯以及聚氨酯，說明其材料特性，並進行其產品生命週期評估。
鈣鈦礦太陽能電池(PSC)因優良的光電性質、製程簡易、重量輕、可撓性、低成本與其材料可調控能隙等優勢，備受矚目且被廣泛研究。藉由調整成分、反溶劑的選擇、添加劑輔助、缺陷鈍化與界面工程優化，使其光電轉換效率在近幾年迅速上升，目前已超過25%。「鈣鈦礦太陽能電池之發展及應用展望」一文探討其缺陷的種類及其特性，揭示透過添加劑工程與界面工程的製程減少鈣鈦礦中的空位缺陷、間隙缺陷及反位缺陷等，再將不同能隙的太陽能電池進行串聯，有望突破32.5%之Shockley-Queisser理論極限。運用添加劑工程、界面工程以及串聯太陽能電池工程不僅提升光電轉換效率還能增加元件穩定性，隨著優化工程的進步、元件性能及穩定性技術的突破，PSC將深具未來願景。
「建築物外牆板材之新選項—高耐候型轉印建材」針對常見之金屬帷幕外牆，提出一個施作簡易且可配合建築師設計各式圖案之轉印材料與工法，此轉印材料具有卓越的耐候性能，如防鏽、防蝕及抗紫外線等。這項創新技術是將氟素原料、搭配高擬真圖案紋理印刷製成薄膜，再加上先進之轉印工法將圖案紋理轉印至金屬帷幕外牆。開發出之創新建築材料係使用符合美國建築師及製造者協會AAMA 2605規範之優質氟碳原料，實現美觀紋路與高耐候性及輕量化減碳兼具的優勢。並可因應建築規劃設計創新，達成低碳排放建築之目標。
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