美科學家用CO2和廢稻稈做出可分解塑膠,成功打造「碳循環」經濟

美科學家用CO2和廢稻稈做出可分解塑膠,成功打造「碳循環」經濟
史丹佛大學研究中可重複使用的環保塑膠。圖片來源:史丹佛大學 Stanford University

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製造PEF需要的二氧化碳,可以從燃煤電廠或其他工廠排放的廢氣取得;PEF產品可以透過回收或焚燒而變成二氧化碳回到大氣,由植物再吸收,又可以製造更多的PEF。

王美禧編譯;蔡麗伶審校

今年1月的世界經濟論壇,揭露出塑膠產業的5大醜陋真相。美國史丹佛大學科學家如今藉由創新的研發技術,從二氧化碳和非食用性植物(例如農業廢棄物和草)製成可分解塑膠,或可大幅度降低塑膠產業的碳足跡。

史丹佛大學化學系助理研究教授卡南(Mattew Kanan)說:「我們的目標是用二氧化碳產製的塑膠取代石化產品,如果製作過程能夠減少不可再生能源的使用,更可以大幅度降低塑膠工業的碳足跡。」該研究團隊的成果刊登在3月9日的線上版《自然》期刊

改變塑膠公式

許多日常塑膠製品是從一種稱為PET(polyethylene terephthalate)的聚合物產生。每年全世界有5000萬噸的PET被用來製造如紡織品、電子、可回收飲料容器和個人照護用品等。

PET由兩個化合物組成——對苯二甲酸(terephthalic acid)和乙二醇(ethylene glycol)——這兩者皆是石油及天然氣再提鍊出而成,製造過程會產生大量助長地球暖化的二氧化碳。「使用石化燃料當原料,加上合併生產PET所需要的能量,1噸的PET會產生超過4噸的二氧化碳。」卡南說。

卡南和同事將目光集中在一種前景看好的替代物——PEF。PEF是由乙二醇和2,5-呋喃二甲酸(2-5-Furandicarboxylic acid,簡稱FDCA)的化合物組成。

卡南表示,PEF可以取代PET,因為FDCA可以取自有機物並取代石油;而阻絕氧氣的密封效果更好,也是PEF比PET優良的另一個原因。

永續生產成挑戰

儘管PEF有許多優點,塑膠工業仍然必須找到低成本的製造方法,FDCA的最大瓶頸在於商業上可行的模式,又能兼顧永續生產。

其中一個辦法是從穀類糖漿中將果糖變成FDCA。荷蘭一家公司Avantium已經和可口可樂及其他公司結盟發展這項科技,但是為工業生產穀物需要許多土地、能源、肥料和水資源。「使用果糖是很難處理的,因為生產果糖會衍生出大量的碳足跡,而且最主要的困難還是與糧食生產對抗。若從不可食用的有機物製造FDCA,例如草或收割之後的廢棄物就比較好。」卡南說。

為此,史丹佛大學研究團隊曾經實驗使用糠酫(C4H3OCH3),一種由農業廢棄物製成的化合物,幾十年來經過廣泛使用,每年生產40萬噸合成樹脂、溶劑和其它產品。但是一般由糠酫和二氧化碳製造FDCA需要昂貴且危險的化學製品,以及使用高耗能源(energy-intensive)。「這確實與我們的目標背道而馳。」卡南說。

回收「碳」 打造循環經濟

史丹佛大學團隊於是使用對氣候、土壤都溫和的化合物——碳酸鹽來解決這個難題。研究主要作者研究生班納吉(Aanindeeta Banerjee)嘗試結合二氧化碳及2-福喃甲酸C4H3OCOOH糠酸(糠醛的衍生物)。她將此混合物加熱到攝氏200度,形成已融化的鹽。非常神奇地,5小時之後,89%的溶化鹽混合物變成FDCA。

「下一步將FDCA變成PEF就非常簡單,其他研究者也已經研發出來了。」卡南說。

製造PEF需要的二氧化碳,可以從燃煤電廠或其他工廠排放的廢氣取得;PEF產品可以透過回收或焚燒而變成二氧化碳回到大氣,由植物再吸收,又可以製造更多的PEF。

史丹佛大學的團隊研究有可能大量減少溫室氣體的排放,因為「我們有信心解決PEF的難關。這只是第一步,我們仍然必須進一步了解,做許多研究看是否有發展可能,又能量化碳足跡。」卡南說。

參考資料:Phys.org(2016年3月9日),Scientists make renewable plastic from carbon dioxide and plants

本文經環境資訊中心授權刊登,原文發表於此

責任編輯:翁世航
核稿編輯:闕士淵


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瑞士洛桑管理學院(IMD)是一個長期研究國家與企業競爭力,在國際上具盛名及公信力的評比機構,並自1989年起發布「世界競爭力年報」World Competitiveness Yearbook,其評比報告與調查結果更是各國政府擬定相關政策之參考。IMD每年會定期公布兩份競爭力評比報告,其一是「世界競爭力年報」,每年在6月公布,2022年台灣在63個受評比國家中排名全球第7名。另一份報告為「世界數位競爭力評比」World Digital Competitiveness Ranking,每年在9月底公布,本篇文章引用的資料為這兩份研究。


也因為科技與國家發展息息相關,有哪些技術是台灣不為人知的優勢?或是未來產業可大力投資布局的領域?我們找出其中四大項與智慧國家最有關的科技,展現台灣具備強勁的科技能量,或許你已經受惠,也或許你能從其中找到發展的機會。

關鍵科技一、融合海陸空領域的多維通訊

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隨著國家管理範圍逐漸擴大,通訊範圍多元且彼此關聯,相關科技如低軌衛星、5G通訊、海底電纜等,形成環環相扣的多維通訊聯網。

仔細洞察2021年的IMD報告,台灣在「行動寬頻的用戶比例」這項指標,拿下全球第1的傲人成績。顯見台灣在通訊基礎建設的投資及普及率,是走在全球領先位置。

尤其5G/6G關聯科技更是未來多維通訊的具舉足輕重的地位,原因是5G衍生的價值鏈相當廣泛,舉凡從晶片、模組、終端、邊緣、系統、到應用服務,可形成完整生態圈。為了強健台灣5G專網的自主技術與供應鏈,從2018年先後成立5G產業發展聯盟、5G垂直應用聯盟、以及5G Open Networking平台,逐漸形成5G國家隊。

除了把5G領先國視為戰略目標,當創新技術落地,更能帶來龐大商機。根據工研院的預估,將5G的小基站、邊緣運算、網路虛擬化等關鍵產品、模組、元件加總起來,2025年的市場規模上看2,510億美元(約新台幣7.5兆元),其他國家還在積極推動5G聯網建設,顯見相關商機仍有相當大發展空間。

關鍵科技二、新型態數位經濟與網路服務

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邁向Web 3.0的交叉點,元宇宙被視為下一代網際網路的新機會,市調機構Gartner預測,2026年全世界將有25%的人口,每天至少有一小時投入元宇宙虛擬世界,進行工作、社交、教育、購物、娛樂等活動,並藉由虛擬貨幣、NFT進行數位資產的交易,虛擬經濟逐漸成形。

所謂元宇宙,需要以5G/6G高速網路為基礎,透過VR頭盔/眼鏡作為進入3D虛擬世界的載體,在元宇宙的各種互動體驗則需仰賴AI運算、雲端/邊緣儲存、區塊鏈等核心技術支援。人們在元宇宙內可以滿足從現實世界做不到的事情,形成穿梭虛擬、現實之間的生活體驗與商業模式。

近七成投入元宇宙相關應用的企業,認為元宇宙在未來5年一定會蓬勃發展,虛擬音樂會、虛擬時裝秀、媒體及產品聯名展示活動,將是元宇宙優先發生的商業體驗。

那麼台灣要投入元宇宙有何利基?解析元宇宙供應鏈版圖,主要可分為晶片、光電、通訊、AR/VR裝置、內容以及AI技術,台灣科技可從硬體方面,包含晶片、感測IC、光學零組件、伺服器等擅長領域切入。像是大家熟知的半導體大廠台積電,對於相關晶片的供應就至關重要,另外光電產業也有揚明光、玉晶光、中光電等企業,讓投影技術更精緻,再來連接元宇宙的通訊技術,也有聯亞來支援,而裝置軟硬體、AI技術則是有創意、世芯、智原等企業投入,最後想到AR/VR集大成者,就不能遺漏宏達電在這一塊的耕耘,同樣威盛電、佐臻、未來市(XRSPACE)等品牌也積極佈局,可見台灣已有完整的供應鏈,接下來有志於加入元宇宙的廠家,不妨從自身的專長去思考,相信不論是哪個領域的企業,都能有更多的創新、應用內容投入,完善整個元宇宙生態。

關鍵科技三、疫後時代興起的智慧型代理人

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近年因疫情持續延燒,越來越多領域開始導入「智慧型代理人」,像是零售業者引進半自動化機器,協助人力處理訂單、點餐;又或是醫院使用機器人,藉由AI辨識功能分擔部分醫護工作。

所謂智慧型代理人,以它所知的知識範圍內,自主完成人類所給予的指令任務。智慧型代理人發展至今,能協助人類的廣度、深度越來越多,主要是受惠機器學習的技術更為先進,加上其他的自動規劃、互相協調等演算法的成熟,讓智慧型代理人成為下一波產業發展重點。

世界先進國家紛紛把AI納為國家產業重要發展策略,台灣從2018年就推出「台灣AI行動計畫」,全面啟動產業AI化。發展至今,AI應用已從測試階段逐步應用於各式產業,資策會統計發現,掌握AI技術的新創企業在台灣有300家,逐漸摸索出不同的商業策略與獲利模式。

尤其資通訊、醫療照護是台灣兩大擁有頂尖人才的雙軸產業,在疫情之下,就可以看到醫療+科技所衍生的智慧型代理人應用。像是過去為了解決醫療量能不足,開發「5G智慧防疫機器人」,用來隔離病房消毒、運送餐盒及藥品物資,比傳統人力消毒方式有效節省50%時間,還能降低醫護人員感染風險,讓醫事工作更有效率。

關鍵科技四、資訊安全網保護每個人數位資產

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我國面臨網路犯罪、駭客入侵政府、機關,甚至竊取個人資料事件持續增加,如何保護國民安心使用數位科技、保障財產安全將是未來重要方向。隨著AI普及所衍生的龐大資料量之隱私及資安問題,成為棘手的挑戰。從國際AI資安發展現況來看,歐盟在2021年提出人工智慧規則草案(Artificial Intelligence Act),鼓勵值得信賴且道德的AI進行研發與應用。微軟更在今(2022)年禁止提供AI推測情緒技術,並制定「負責任AI標準第二版」、Google則停止AI機器人具有自我意識、能與人類溝通等爭議事件,這些做法也都反映美歐在立法之際,業者也在努力自行節制敏感AI技術。

AI資安,是挑戰也是機會。未來,台灣政府與企業也須密切關注美歐相關草案的立法動態,找出AI規範的共同點,以此界定使用AI產品與服務之要求;因此,AI資安不僅需透過科技來防禦,更需要治理與法規,降低AI所帶來的衝擊。

另外,針對5G資安議題,台灣有展開大型科技防禦策略,包含5G資安防護系統、跨機關資安聯防。5G資安防護系統致力確保業者使用的5G系統具備安全、可靠、信賴,與國內5G專網業者進行服務驗證,以強化國產5G系統的整體資安防護能力。跨機關資安聯防的目標放在建立政府與民間的資安聯防體系,藉由橫向整合跨部會,全面提供威脅情資,減少機關隱匿資安事件,降低事件誤報與漏報。

持續提升台灣的科技能量 打造全方位的智慧國家

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圖片資料來源:IMD 2022 世界競爭力年報

台灣的科技能量持續提升,從2022年的IMD世界競爭力年報可發現,而且該報告還指出我國擁有高素質勞動力、經濟活力、企業治理能耐、高教育水準等優勢。上述四項與智慧國家高度關聯的新興科技,涵蓋「數位基盤、數位創新、數位包容」等元素,如何借助科技打造創新、包容的社會,在台灣強勁的科技應用產業鏈上,補強創新的能量,並延續發展優勢項目,將是台灣要持續努力的方向。

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