廢熱回收及先進燃燒器科技節省能源

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

沿海濕地中的藻類、海草、紅樹林、鹽沼、和其他植物在生長過程中會吸收和捕獲二氧化碳。沿海和海洋生態系統捕獲和儲存二氧化碳的方式，稱之為「藍碳」。

被封存在海底的碳有一半以上來自這些沿岸的森林，它們捕獲二氧化碳的速度比傳統森林快了 4 倍，因為大部分的碳都進入幾米深的潮濕土壤中。以這種方式捕獲碳可以將之從大氣層中移除，降低空氣中二氧化碳的總含量。

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達 8 噸的二氧化碳，遠比 1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。

在過去半個世紀以來，世界上約 30% 到 50% 的紅樹林遭到破壞

土壤的碳儲存方式

土壤是有生命的。當泥土被無數的有機微生物寄居時，就變成了土壤，成為植物生長的重要基質。

土壤還將世界上大量的碳儲存在一種物質當中，也就是所謂的土壤有機質（soil organic matter，SOM）。有機一詞在此並不是指沒有化肥或殺蟲劑，而是指存在大量的碳。通常土壤有機質含有 50% 到 60% 的碳。大多數用於農業的土壤含有 3% 到 6% 的有機質。

當植物原料（如葉子或莖）凋零掉落到土地上時，會被土壤中的微生物分解，這個過程將植物轉化為碳，並產生有機質。碳被封存在土壤中，不再以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

犁田耕作會破壞土壤有機質和碳的儲存。耕地時，會使有機質暴露地表，更容易被微生物利用，迅速消耗土壤有機質，將二氧化碳釋放到大氣層中。每年由於耕作、侵蝕、或與氣候相關的土壤變化（如永久凍土融化），造成儲存在土壤中大約 10 到 20 億噸的碳，以二氧化碳的形式釋放回大氣層中。

土壤有機質可以保留或重建，使得大氣中的二氧化碳返回土壤長期封存。農民在施肥、將植物廢棄物（如玉米秸稈）留在田間進行分解、或種植覆蓋作物時，會增加土壤有機質。覆蓋作物是在生長季節過後、田間空無作物時種植，通常是草或三葉草，根部很深，能穿透土壤。如果在種植新的經濟作物之前讓覆蓋作物在田間分解，能夠顯著增加土壤中的有機質和碳。

最小化耕作（稱為保護性耕作）是另外一種防止土壤有機質流失（或使土壤慢慢再生）的方法。其中所謂的免耕種植，是指利用專門的播種機將種子放入一小塊翻鬆的土壤中，因此無須翻耕整片田地。

讓土壤恢復健康

泥土並不完全相同，土壤的養分含量會隨著時間根據其處理方式、和所處的環境而發生變化。

世界上三分之一的土壤已經退化到幾乎無法再支持動植物生存的地步。主要的一些原因是：

• 土壤耕作。
• 牛群過度放牧。
• 砍伐和焚燒樹木和植物（砍燒耕作法）。
• 未在冬季種植覆蓋作物。
• 覆蓋物不足。

亞洲、歐洲、北美和南美的大型工業化農場，由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品，因而加劇了土壤侵蝕。市場和債務的經濟壓力使可持續性農業做法在短期內難以實施。

從生產的食物品質到大氣中的碳含量，土壤健康都具有深遠的影響。土壤很健康時，可以平衡水循環、並發揮避震作用以防止洪水和侵蝕。1930 年代美國西部的沙塵暴侵襲（Dust Bowl）、和 2017 年波多黎各的洪水災害，都是氣候變化的災難性衝擊、和土壤侵蝕造成的自然災害實例。這些變化會對農業產生重大影響。

根據美國農業部的說法，農民可以透過 4 種方式創造更好的土壤：

盡量減少干擾

• 限制耕作。
• 使化學品發揮最大效益。
• 牲畜輪替。

強化土壤覆蓋

• 種植覆蓋作物。
• 使用有機覆蓋物。
• 保留植物殘留物。

強化生物多樣性

• 種植多種不同的覆蓋作物。
• 利用多樣化的作物輪作。
• 整合牲畜。

強化活根的存在

• 減少休耕。
• 種植覆蓋作物。
• 利用多樣化的作物輪作。

在地方層面，一般公民可以透過投票支持可持續性農業發展的立法和政策，以及購買可持續性農業經營的產品。

房屋所有者也可以透過全年種植多樣化的植物種類，讓自然生態發展，改善其房產周圍的土壤健康，這樣能強化活躍的根系、並創造生物多樣性。

大規模改變環境的「地球工程」

如果你生起營火、或是隨意處置一台冷氣機，那就是在用個人的行動改變環境。但是，當公司和國家有意大規模改變環境時，這被稱為「地球工程」（geoengineering）。

地球工程策略聽起來像是科幻電影情節似的：在太空中部署太陽遮屏，以使部分太陽能量反射回太空，或是從大氣中吸取二氧化碳，將之送入地下層變成石頭。科學家們正在探索更多這一類大規模修補地球系統的方法，使地球降溫，但迄今為止，許多方法都成本高昂、存在爭議、也充滿著風險。

以太陽遮屏為例，雖然聽起來像部署固體金屬片，但其實是模擬大規模火山噴發時的情況，在空中噴灑出濃密的灰燼和化學物質，進而阻擋太陽能量。可能在噴氣燃料中加入化學物質，以便高空飛行的噴氣機將之擴散到高層大氣中。

超級計算機預測，以這種方式噴射到平流層的反射硫粒子，可能會產生冷卻效果，當然，也會影響降雨、降雪和季節性溫度。目前還不清楚會到什麼程度，如果天氣變化太過劇烈，就不容易挽回損失，造成人人受苦。即使可以逆轉噴灑，停止這樣的計畫也可能造成危險，因為太陽射線突然少了阻擋而導致全球氣溫和溫室氣體驟升。

至於直接從空氣中吸取二氧化碳，將之儲存在地下岩層中，歐洲和北美已有 19 家工廠做到這一點，每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。沒有人知道這種方式可以安全地封存二氧化碳多久。

一旦出現洩漏，土壤、水和空氣可能會受到汙染，而從地下層收集氣體也可能引發微震和地震。不管怎麼說，這個過程若想要成功，也必須得降低成本、提高效率才行（目前每噸的成本高達 600 美元），我們將會需要相當多家的碳捕獲工廠，才可能有辦法消除每年所排放的數千兆噸二氧化碳，以實現 2050 年淨零排放。

不同於將二氧化碳儲存於地下岩層，鐵質施肥（iron fertilization）是以海洋為重點的選擇。這個過程是將硫酸鐵注入海水中，促進藻類大量繁殖以吸收二氧化碳，然後沉入海底。成功率參差不齊，有 5% 到 50% 的藻類增殖，沉入到足以造成封存影響的深海。然而，完全有效可能需要付出代價：過量的藻類或許也會引發有毒浮游植物的生長高峰，而將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。

地球工程是一個冒險的賭注，一些科學家表示，這對於全球氣溫的衝擊微乎其微，尤其是考慮到不採取行動造成不良後果的可能性很高。但也有科學家指出，仰賴快速的工業解決方案，可能會使人們和企業忽略對於實際減少碳排放、或停止使用化石燃料應付出的努力。

有無數的公司和國家正在單方面從事地球工程研究。預計這些實驗將在世界各地不同軌道上展開。

利用二氧化硫進行地球工程

有些工程師提出一種低成本又快速的方法來減緩氣候變化⸺整頓碳房，同時「擺脫困境」。

就像鏡子反射光線、黑色車道在夏日變得炎熱一樣，外層大氣從太陽反射的光熱，也會對全球溫度產生影響。

30 年前，菲律賓的皮納圖博（Mt. Pinatubo）發生了 100 年來最嚴重的一次火山爆發，所噴發的灰燼造成了驚人的影響：一整年地球的平均溫度下降了約 0.5° C。透過使地球大氣層反射陽光，而不是吸收，地球變得比較涼爽。

地球工程學家正專注研究此一概念，在地球外圍創造一個人為的太陽遮屏。利用特殊裝備的大型噴氣式飛機，將不同的化學物質噴灑到高層大氣中，希望能一次改變地球多年的反射率，以人為方式降低地表的平均溫度。

透過地球工程，在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用：

• 散射太陽光。
• 讓天空更明亮一些。
• 反射部分太陽熱量。
• 讓地球更涼爽一些。

透過在大氣中注入二氧化硫、鈦、或其他化學或礦物質，可以增加行星反照率（反射率）。

太陽能地球工程透過改變地球的輻射平衡，來治療氣候變化的徵狀，這方面的科學研究稱為「平流層氣溶膠監測」（stratospheric aerosol modification，SAM）。

據估計，這種方法一年成本不到 100 億美元，在大多數的氣候變化因應措施當中只是九牛一毛。一些專家認為，只要動用幾百架飛機即可完成，而且可以比預期更早開始。

研究人員馬克．勞倫斯（Mark Lawrence）2006年指出，「對地球工程可能性的嚴肅科學研究，如克魯岑和西塞隆（Crutzen & Cicerone）發表文章中所討論的，完全沒有得到氣候和大氣化學研究界的包容」，然而，到了 2016 年，他總結道，「在這些文獻發表後的 10 年間，雖然氣候工程仍然是極具爭議性的問題，但是在更廣泛的地球科學研究領域，那種禁忌感基本上已不存在」。

這種方法，還是有許多未經測試的現實問題：

• 這些化學物質將會使臭氧層出現什麼反應？
• 該由哪些國家規範這個過程、又該如何決定干預措施的地點和程度？
• 有什麼辦法能阻止組織和國家單方面進行？若有國家想要暖化加劇、或是有億萬富翁只是想要名利，該如何處理？
• 這將對人類、動物、植物、和海洋的健康造成什麼影響？
• 我們準備好長久持續進行了嗎？如果沒有，一旦陷入了相對低成本和快速的解決方案，又該如何下決心停止呢？

——本文摘自《圖解全球碳年鑑：一本揭露所有關於碳的真相，並即時改變之書》，2022 年 9 月，商業周刊，未經同意請勿轉載。

碳捕捉：把電廠排出來的二氧化碳再抓回去！

一九九〇年代，尚未開發出風能和太陽能，當時對氣候變遷的擔憂日益增加，因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳，如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣（flue gas）中的二氧化碳分離出來，然後再將其壓縮液化，泵入地下洞穴，例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術，不過前提是碳價要夠高，超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而，即使在龐大的歐盟市場，碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力，而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

即使如此，捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法，在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣，這還能用於加熱和製造燃料電池，或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性：直接從空氣抓？多種一點樹？

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性，因為目前我們所面對的現實非常危險，即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法，但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐，用於種植大豆、棕櫚油和其他作物，以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10％ 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

此外，封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一，需要超過六年，甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟，每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10％ 排放量。

而在成長期過後，還需要更換樹木，因為在建築中也會使用到木材。有人建議，可以燃燒林業的廢棄物來產生能量（熱或電），並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議，必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放，而不是增加碳的排放量。此外，這種方法尚在開發中，可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

不過，可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳，這種方法比生質能源更緻密、更可靠， 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司（Origen Power）正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合，這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法，是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀，形成碳酸鈣，然後將其加熱，釋放出二氧化碳，進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估，以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值，可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合（比方說以再生電力來電解水，製造出氫氣），這可用來合成低碳燃料，取代汽油、柴油或航空燃料，這樣一來，其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳，電力成本會增加約 60％，而使用再生能源來發電，成本則低得多。

然而，隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資，再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳，以及重新造林，預估到二〇五〇年時，碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10％。

到二〇五〇年，再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90％，透過碳捕捉，全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力，電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數，因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課｜再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。