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廚餘處理之能源再利用 Turning Food Waste into Energy

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廚餘處理之能源再利用 Turning Food Waste into Energy
國立臺灣大學環境工程學研究所許桓瑜

近年來,台灣積極推動垃圾減量化、資源化,根據環保署垃圾統計資料顯示,2013年全台灣垃圾產生量約為七百萬公噸,廚餘的回收量為八十萬公噸,回收率約為11%。「廚餘」包括三餐飯後剩下的飯菜、菜葉、果皮、食物殘渣等物質,台灣的廚餘回收將家戶廚餘分成兩大類,分別為「養豬廚餘」與「堆肥廚餘」,廚餘的回收減少了都市固體廢棄,也創造了廚餘的新價值,不只養豬、堆肥、還可以成為再生能源。

能將能源回收再利用有兩個主要的方法,分別為厭氧消化與廚餘焚化後能源回收。

  1. 厭氧消化
    廚餘與垃圾中有機物或下水道污泥混合,進行厭氧消化的過程中會產生甲烷,將甲烷經純化加壓後,可進行發電與能源回收的工作。沼氣利用在國內主要以禽畜糞便沼氣回收發電,已推廣多年,廢棄物厭氧發酵與沼氣利用,主要研究對象也是畜、農產廢棄物及垃圾掩埋場沼氣發電,目前已有高雄西青埔沼氣發電廠運轉。而掩埋場中沼氣的產生量主要來源就是廚餘,由此可知家庭廚餘沼氣發電回收能源,是相當有潛力的。

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    資料來源:(Khoo, 2010)

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以都市代謝理論探討都市發展對環境的影響 The Environmental Impact of Urban Development and Urban Metabolic Theory

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以都市代謝理論探討都市發展對環境的影響 The Environmental Impact of Urban Development and Urban Metabolic Theory
國立臺灣大學環境工程學研究所許桓瑜

一般對於都市的定義是指居住在十萬人以上的地區;而「代謝作用」(Metabolism)則是由生物學領域提出,強調生物的生存及生命力的維持,必須倚靠外界各種物質與能量的進入,在體內行各種化學反應,生產生物體所需之養分與能量。A.Wolman(1965)將都市代謝的需求定義為:「為了維持某都市之居民在家、工作、遊玩等活動所需要的物質與貨物,同時包含了居住及建設所需原物料的投入」。說明了都市代謝作用的意義,在於維持都市居民所需及都市發展之延續。

近年來「永續發展」的觀念,成為在面對全球環境變遷的最高指導原則,而近年環境的變遷,從工業發展、都市發展以來,環境已漸漸無法負荷我們所製造的污染,這些外部成本造成的生態與環境損害,來自於都市對物質與原料需求的消耗增加,以及消費過程中產生的廢棄物和廢熱(如圖1)。都市擴張所造成的環境影響,使人們不得不重視,如果說生物的新陳代謝可以維護生物體的健康,那麼都市的代謝也是對我們生活環境品質的維護。

都市代謝插圖-01

圖一:都市系統之輸出、輸入圖
資料來源:Sutton and Harmom (1973)

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相變材料與建築節能 (Phase-Change Material and Structural Energy Saving)

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相變材料與建築節能(Phase-Change Material and Structural Energy Saving)
國立臺灣大學土木工程學研究所鄭凱翔

由於科技與工業發展日新月異,大量商品的生產、人類生活品質提高、物質需求增加,導致資源與能源快速消耗,使得各種資源日益枯竭。尤其建築物為世界上最大能源消耗者之一,其消耗的能源佔全世界總消耗能源的25%到33%。而一般建築的日常耗能,空調佔很大比例,以夏季的耗電量而言,空調用電比例約佔40%~50%。為了降低建築耗能,建築材料的選擇亦是關鍵。「相變材料」即是一種藉由潛熱的吸收、釋放來延緩溫度上升、下降的物質。相變材料與建築物外殼結合,當日間陽光照射使建築物溫度升高時,相變材料會吸收熱量進而從固態熔解成液態,延緩熱量進入室內的速度。如此溫度上升緩慢,降低空調的負荷,便能達到節約能源的效果。

相變過程即是物質由一個相態轉變成另一個相態,在自然界一般有三種狀態,固態、液態、氣態。熱能透過物質的「顯熱」和「潛熱」儲存;「顯熱」指物質透過比熱影響溫度變化所吸收、釋放的熱;「比熱」是指任何物體溫度上升一度所需的熱量,或下降一度所放出的熱量。「潛熱」則是在固定溫度下所吸收、釋放的熱。潛熱階段之所以會使溫度固定但熱量持續吸收、釋放的原因在於相態變化時,物質需要吸收或釋放能量來打斷或形成分子鍵結。圖1 為水溫度變化,其中ab段為顯熱、bc段為潛熱。

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圖1 水溫度變化

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牆壁也得皮膚癌!?-淺談壁癌

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牆壁也得皮膚癌!?-淺談壁癌
國立臺灣大學土木工程學研究所結構組葉智強

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圖二 一般住家常出現的壁癌情況
圖片來源:作者葉智強攝

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圖一 一般住家常出現的壁癌情況
圖片來源:作者葉智強攝

相信大家對於「壁癌」(圖一、圖二)這個詞都不陌生,可能發生在客廳,也可能會在浴室裡看到;或是某天靠在學校走廊牆壁上,一離開卻發現許多白色粉塵飄落,身上也沾白灰,以上都是壁癌存在的絕佳證據!既然如此常見,那麼它是怎麼發生的呢?

其實壁癌正式的名稱是「白華」(efflorescence),會在結構物表面形成一層白色的粉塵,基本上在「混凝土結構物」很常見。其成因和水泥水化物的組成很有關係,我們可以將水化作用(水泥+水→水泥水化物)的反應以下列式子表示:

C3S+H2O→C-S-H gel+Ca(OH)2

其中

  • C3S:水泥中參與反應的主要成分
  • C-S-H gel:水泥水化物膠體(即我們常見的水泥漿的主要成分)
  • Ca(OH)2:氫氧化鈣

而Ca(OH)2就是造成白華現象的兇手! 繼續閱讀 »

蟲癭(Insect Gall)

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蟲癭(Insect Gall)
中央研究院生物多樣性研究中心黃盟元博士後研究

癭(gall)是因為外來生物刺激,引起植物產生不正常生長及分化的組織,造成癭產生的生物包括病毒、細菌、真菌、植物、原生動物、線蟲、蟎蜱與昆蟲,而昆蟲為主要的造癭生物類群。昆蟲所刺激產生的癭稱為蟲癭,它是自然界中擴展表型(extendedphenotypes)現象中非常特殊的例子,雖然癭靠寄主植物組織而構成,但是調控機制卻受到昆蟲的影響。

寄主植物產生蟲癭的器官,從莖、葉、葉柄、芽、花、果等部位皆有發現,有些種類的蟲癭會同時發生於不同器官上,但接近百分之九十的蟲癭顯現有造癭部位專一(specific)的傾向,且超過65%是發生在葉片;而臺灣出現蟲癭的寄主植物已記錄多種,其中樟科植物無論蟲癭種類或寄主植物種類均佔最大比例。

昆蟲刺激植物產生蟲癭的調控機制目前並不十分清楚,研究中發現可能受到包含胺基酸、蛋白質、酚酸化合物、植物生長激素等的誘導,或是植物組織內基因受到昆蟲的調控改變。造癭昆蟲對其寄主植物組織造成的影響,包括組織中化學組成的改變,例如葉綠素、丹寧酸、花青素、類黃酮類化合物、酚類化合物、醣類、氨基酸和蛋白質等;水解酵素的表現,例如蛋白酶的表現;色素蛋白複合體的缺失,例如蟲癭葉綠體類囊膜上光系統的蛋白質產生缺失現象;光合作用機制的損傷,例如光合酵素含量產生變化;引起植物的過敏反應;及植物的防禦機制受到改變。 繼續閱讀 »

取代水泥的永續材料 (飛灰) Sustainable Cement Replacement Materials (Fly ash)

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取代水泥的永續材料 (飛灰) Sustainable Cement Replacement Materials (Fly ash)
國立臺灣大學土木工程學研究所結構組王又德

飛灰(Fly ash),顧名思義為飛揚於空氣中的細微顆粒。根據工程會頒布之「公共工程使用飛灰混凝土作業要點」,其定義飛灰係指煤粉經由鍋爐燃燒,隨氣體排放,以集塵設備收集而得的粉末。在早期,工廠及火力發電廠等所排放的飛灰尚未被妥善處理,是空氣汙染的來源之一,大大影響生活品質。而在工程研究發現飛灰的再利用價值之後,如今飛灰已被視為相當重要的工程材料,隨著需求不同,可用於土壤穩定,或作為瀝青、混凝土的摻料等等。需求量日漸增長,甚至供不應求而使得價格日趨提高。

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圖1.水泥及飛灰外觀,來源:http://www.lehighnw.com/canada/Frames/index7ac.htm

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圖2.飛灰在電子顯微鏡下之影像(3000x),來源:http://www.caer.uky.edu/kyasheducation/flyash.shtml

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夫妻臉,其實是有科學根據的!

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夫妻臉,其實是有科學根據的!
高瞻計畫特約編譯 柯廷龍/國立臺灣師範大學生命科學系 李冠群副教授責任編輯

編譯來源:People more likely to choose a spouse with similar DNA, finds CU-Boulder study 

dna love

www.iflscience.com/ _photo credit: adapted from schulergd

根據以往的研究發現,人們往往傾向與自己具有相同性格、教育背景、經濟狀況、年齡甚或同樣宗教理念的另一半共結連理。在臺灣,不時也常能夠聽到人說某對夫婦有「夫妻臉」。現在科學研究證實了此說法並非無稽之談。 

在美國的科羅拉多大學博爾德分校(Corolado- Boulder),學者們針對825對非西班牙裔美國白種人做了一項耐人尋味的研究,研究由在博爾德分校任職的研究助理班傑明‧多名格(Benjamin Domingue)、助理教授傑森‧柏德曼(Jason Boardman)和其他同事們所執行。

專家們比對了每一對夫妻的基因以及隨機配對男女的基因,檢視了170萬個單核苷酸多型性(Single-nucleotide polymorphism, SNP)1,研究人員發現,有較多的夫婦擁有相似的基因, 繼續閱讀 »

走出派丁頓車站 —抗生素的未來(四) Out of London Paddington Station-The future of antibiotics (IV)

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走出派丁頓車站 —抗生素的未來(四) Out of London Paddington Station-The future of antibiotics (IV)
高雄師範大學生物科技系 許惇偉助理教授

連結:走出派丁頓車站 —抗生素的現在(三) Out of London Paddington Station-The present of antibiotics (III)

音樂家莫札特(1756-1791) 、舒伯特(1797-1828) ,小說家卡夫卡(1883-1924) 、歐威爾(1903-1950),詩人濟慈(1795-1821) ,數學天才拉馬努金(1887-1920) ,這些人有什麼共通點?有的,他們都活在前抗生素時代,而且都不幸的於盛年死於感染疾病,如果他們活在抗生素出現以後,或許能被治癒,活更久,影響世界更多。

然而人類創造出的這種抗生素時代造成的生存優勢,也很可能在人類不加節制善用抗生素的情況下接近尾聲。最糟的狀況下,我們將又回到前人面對感染病症無計可施的窘況,我們也稱之為「後抗生素時代」。

事實是已經有越來越多的報告指出,以前容易治療的結核病、細菌性肺炎、金黃葡萄球菌感染等等,現在已經越來越難被控制,而目前全球每年死於這些無法控制的感染症的人數已經超越癌症死亡人數。

世界衛生組織針對這問題,已經陸續執行更多節流開源的方式,希望能有效遏止力挽狂瀾。

首先是節流方面,是透過各種行政手段去限制並教育人們使用抗生素的正確觀念,以減少抗生素的使用規模與數量,往後隨意販賣使用抗生素的商業行為將受到更多約束(圖一) 。

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圖一 開發中國家不加規範的販售抗生素 也是促成細菌抗藥性提高的原因。(圖片來源 Science 509: 555-557. 2014)

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走出派丁頓車站 —抗生素的現在(三) Out of London Paddington Station-The present of antibiotics (III)

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走出派丁頓車站 —抗生素的現在(三) Out of London Paddington Station-The present of antibiotics (III)
高雄師範大學生物科技系 許惇偉助理教授

連結:走出派丁頓車站 —抗生素的過去 (二) Out of London Paddington Station-The past of antibiotics (II)

曾經是英國戰鬥機飛行員的羅達爾(Roland Dahl, 1916-1990)是極受歡迎的童書作家,他筆下各種奇幻故事不僅啟發孩童們的想像力,也會傳達一些簡單的科學知識,像搬上大螢幕兩次的《巧克力工廠的祕密》,就讓很多小孩透過巧克力了解食品工廠的運作過程。

《瑪蒂達》也是達爾很受喜愛的作品,幾年前搬上舞台,奇幻的舞台效果與朗朗上口的音樂,也成為一票難求的音樂劇。故事一開始描述瑪蒂達母親在矇矇懂懂的狀況下在醫院被告知懷胎九月,好玩成性不想再生育小孩的母親脫口對醫生說:「你們能夠拿掉她嗎?比如說,做個抗生素治療?」達爾的黑色幽默,凸顯了很多人對抗生素的誤解與濫用問題。

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圖一、葡萄球菌屬的細菌高解析圖,這種菌屬裏的金黃葡萄球菌已經發現多重抗藥性菌株,造成人類健康很大的危害。(圖片來源: Science 344, 967-968. 2014)

世界衛生組織(WHO)在2014年四月底發表了一份兩百多頁報告嚴正警告,指出自從抗生素開始使用以來,人類壽命雖然增加了二十年,但依照這幾十年來抗生素嚴重的濫用程度,幾年後當更多對任何抗生素都無所畏懼的超級病菌出現時,我們將會無藥可用坐以待斃。但是為何抗生素改變人類才一甲子光景,就已經走到生死存亡的關頭? 繼續閱讀 »

走出派丁頓車站 —抗生素的過去 (二) Out of London Paddington Station-The past of antibiotics (II)

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走出派丁頓車站 —抗生素的過去 (二) Out of London Paddington Station-The past of antibiotics (II)
高雄師範大學生物科技系 許惇偉助理教授

連結:走出派丁頓車站 —抗生素的緣起(一) Out of London Paddington Station-The origin of antibiotics (I)

當醫學界意識到盤尼西林的威力時,都躍躍欲試,希望能全面應用于各種感染病的治療。然而光是在牛津治療一個病人所需要的排尼西林用量,已經忙到整個團隊人仰馬翻,根本無力去應付大規模的需求。

限於當時歐洲處於二戰的紛亂,想大量培養青黴菌提煉更多的盤尼西林在英國風險又很大,因此這班盤尼西林列車繼倫敦至牛津後,接著開往當時本土未陷於戰亂,但科技能力又頂尖的美國,尋求大量生產的機會。

一開始他們雙管齊下,首先利用傳統方法大量培養青黴菌來提煉盤尼西林;另一方面嘗試去了解盤尼西林的詳細化學結構,企圖利用化工方法大量合成盤尼西林。

傳統方法上,首先找到條件更好的發酵方式,以利降低大量培養青黴菌的成本;同一時間他們也在全美各地尋找盤尼西林產量更高的黴菌種類,並將其改良成產量更高的突變種。在很短時間內(1942-1943),盤尼西林的產量已由之前珍貴到還得蒐集接受治療病人的尿液重新提煉殘存盤尼西林,到產量足以供給1944年諾曼地登陸作戰治療感染數萬傷兵之用。然而戰時產出的盤尼西林其成本還是不足以應付大量的醫療需求,合理的希望落在人工化學合成上。

然而,化學合成生產盤尼西林進展卻相對的緩慢,最大原因是盤尼西林的正確結構遲遲未確定,一旦化學結構不確定,根本無法知道要合成的產物是什麼。這問題後來才由牛津大學化學系的霍奇金(Dorothy Hodgkin, 1910-1994)利用X光結晶學的技術明白解決。

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圖一、 盤尼西林的化學結構圖

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