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塑膠回收之後還能幹嘛?煉成汽油獲新生

李赫
・2019/03/20 ・1976字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

塑膠的大量生產與廢棄傷害環境和生態

塑膠自問世以來改變了我們的生活,讓生活變得更便利。時至今日放眼生活周遭,隨處都是塑膠製品。但這樣便利的背後帶來大量的環境汙染問題。自 1950 年,塑膠首次大量生產,那一年總共製造出 200 萬噸塑膠。2017 年總量來到 83 億噸,2050 年預估將達到 340 億噸。

source:publicdomainpictures

英國衛報的調查揭露,全世界每分鐘購買 100 萬個寶特瓶,2021 年將增加 20%。但美國學術機構領軍的全球性塑膠生產總量分析研究發現,有半數塑膠在四年內就變成垃圾;研究也指出,2015 年共生產了 70 億噸的塑膠垃圾,只有 9% 被回收,12% 被焚燒,剩餘的 79% 通通進入了掩埋場或環境中,汙染全球的陸地、海洋,嚴重傷害環境和生態。但每年仍然有大量新的塑膠被產出。

那麼廢棄的塑膠要如何回收處理呢?是否有機會再利用?科學家一直在思考這個問題。首先先來理解一些關於塑膠的基本知識。

塑膠是怎麼來的 ?

塑膠的原料是從石油當中提煉出來。石油如果利用分餾的方式,可以依沸點不同而分離加工得出煤油、苯、汽油、石蠟、瀝青等產品。石油主要是由碳原子與氫原子所構成的化合物,僅由碳原子與氫原子所組成的碳氫化合物又統稱為烴,而僅碳氫作簡單直鏈狀排列的稱之為烷。

以汽油成分之一的「辛烷」為例說明,如圖一所示,辛烷的主要骨架由 8 個碳原子排列而成,周圍與氫原子形成鍵結,這樣的簡單排列稱為「烷」類。因為有 8 個碳,分子以天干(甲、乙、丙、丁…….)命名,數字 8對應的字是「辛」,所以稱為辛烷。

圖一:8 個碳原子與 18 個氫原子作簡單直鏈狀排列組成的辛烷。source:wikimedia

從石油到塑膠

由於石油裡面成分混雜,若要生產塑膠,需要先將石油的分子切成較小的片段,再將它組裝成較大分子的塑膠。在學術專業領域中,將分子切割成小片段的過程稱為裂解(Pyrolysis),而重組後具有大分子量的化合物稱為聚合物(Polymer)。

將從石油中得出的輕油在 800℃~900℃ 的無氧狀態(有氧氣就變成燃燒反應)加熱,分子的鏈段會局部斷裂,被裁切成好幾段,以小分子的組成存在,這個過程稱為裂解。再經過一連串的分餾程序,將不同的化學成分利用沸點的差異分離後,取得氫氣、乙烯、丙烯、丁二烯、芳香烴等一系列石化基本原料。而主要產品是乙烯,是塑膠的重要原料。裂解的產物有多種成分,在此僅以最重要的成分來進行說明。

圖二:分子的高溫裂解。source:wikipedia

石油裂解後產生的乙烯分子(如圖三所示),可以經由化學反應讓彼此連結起來形成大的分子鏈(高分子聚合物),這樣的反應稱為聚合反應。

圖三:石油裂解後可得到乙烯

以乙烯為基本單元聚合而成的聚乙烯(如圖四所示),由於加熱為熔融狀態,就可將之擠壓成型,形成塑膠製品。所以我們使用的塑膠是經過石油裂解後再聚合所產生的。

圖四:乙烯分子經過聚合反應成為聚乙烯(塑膠)。source:newsmov                   

廢塑膠回收裂解煉油,怎麼來的怎麼去

讀到這裡讀者可能會想到,如果應用前面提到的熱裂解方法來處理(如圖二),是否就可以將已經聚合的高分子裂解成小分子烷類燃料?答案是肯定的。

為了提高分解聚乙烯分子的效率,科學家在裂解過程中加入催化劑來幫助裂解反應的進行,在 400℃~500℃ 的溫度下進行無氧裂解,使其回到原始的氫與碳原子狀態,接著再重新排列分子組成,就可將廢塑膠轉換成有用的燃料與蠟。

不過分解過程中所需用到的催化劑原料銥(Ir)與錸(Re)金屬,價格並不便宜。科學家的目標將致力於改善塑膠與催化劑間使用量的比例,將催化劑的比例降低,或提高催化劑回收率;除此之外也研究以更低價格的催化劑來取代昂貴的金屬,並期望未來若技術更成熟進步,可以處理未經分類、特殊分類或複合材質的塑膠。

廢塑膠回收裂解煉油,約 80~85% 可轉化為燃料油,其餘 5% 為天然氣,10% 則為碳黑。這項技術為塑膠垃圾的處理提供了一個可行的方法,讓危害環境和生態的塑膠垃圾有機會變成有價值的資源。

回收的廢塑膠轉化成汽油 [1] 。source:america.aljazeera.com

參考文獻

  1. Ostashevsky, L. (2014, November 11). The afterlife of plastic. Al Jazeera America.
  2. Taylor, M. (2017, July 19). Plastic pollution risks ‘near permanent contamination of natural environment’. The Guardian.
  3. 全球塑膠生產總量分析 揭83億噸的「重量級」傷害。環境資訊中心。
  4. 塑膠廢料萬年不滅? 回收煉油再創資源價值。環境資訊中心。

文章難易度
李赫
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中央大學理學博士。為熱愛傳播知識與吸收知識的 作家/教育/研究學者。 對於居家設計與生活時尚亦有高度興趣 (FB作者專頁)。


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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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