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別用愛了,用冰發電吧!——可燃冰的發現、應用及油氣能源的未來

Chih-Chen Huang_96
・2022/02/23 ・6224字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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能源與環保間的平衡在全球一直都是十分火熱的議題。火力發電、核分裂發電等高效率的發電方式,或許會對環境及生物造成永久危害;風力發電、大陽能電池等綠能,受限於天候而無法廣泛應用;乾淨又有效率的核融合發電仍在開發階段,還不到可以商用的程度。那麼,通往乾淨能源的這條路,是否就這樣被插上此路不通的標示牌呢?當然不!因為可燃冰為我們另闢了一條蹊徑。

圖一 :正在燃燒的可燃冰。圖/參考文獻 1

那麼,可燃冰究竟是什麼呢?是否如同字面上,是一種可以燃燒的冰?如果是,是何種機制會使冰能被點燃;如果不是,那麼它是怎麼形成冰晶狀態的呢?若你好奇的話,請讀下去吧!本篇會從可燃冰本身、其應用與開採問題,全面地介紹這種新能源。

可燃冰的性質

可燃冰又稱為「天然氣水合物」,其中,甲烷氣體若佔總天然氣的 99%,則稱為「甲烷水合物」。直接觀察它被點燃的樣子,就像是一塊能燃起火焰的冰塊,這也是「可燃冰」一稱的由來。然而,確切來說,這顆「冰塊」其實是水和甲烷氣體在低溫高壓下混合形成的類冰物質。也就是說,可燃冰其實不是冰,而是由水分子組成的一個個「水籠」。如圖二,籠中包含大量的甲烷氣體,因此便不難理解它被稱為「甲烷水合物」的原因。或許你十分好奇水籠的模樣,不過在那之前,我們必須先談談組成水籠的柵欄——氫鍵。

圖二:可燃冰是由水分子組成的一個個「水籠」。圖/參考文獻 2

(一)、氫鍵

氫鍵為組成可燃冰結構舉足輕重之角色,而為介紹水籠及避免混淆重點,氫鍵概念皆舉水(簡式 H2O)為例。顧名思義,氫鍵是一種以「已結合 1 個氧原子的氫原子」為中心,與另一個氧原子所形成的「作用力」。沒錯,氫鍵並沒有產生實際的鍵結,本質上反而是一種電磁力。這個概念或許有點抽象,不過我們可以用小朋友吃蛋糕的例子來理解。

現在,老師分蛋糕給一群小朋友,高年級的小朋友可以分到比較多塊且口味不同的蛋糕,而低年級的小朋友則只有一塊蛋糕。分完蛋糕後,低年級的小朋友會跑去坐在大哥哥旁邊吃蛋糕,因為當他拿出一半的蛋糕分享時,大哥哥也會分享一半的蛋糕給他,如此一來,他們都能吃到 2 種口味的蛋糕。若低年級的小朋友還想再和別人分享一次,他就必須擁有第二塊蛋糕。然而,我們都知道他已經沒有多的蛋糕了,所以他會跑到另一個擁有蛋糕的大哥哥旁邊看著他,希望這個大哥哥能和他分享蛋糕。

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看完這個故事,我們可以把蛋糕替換成電子、低年級生替換成氫(價電子數為 1),而擁有很多蛋糕的大哥哥即為擁有許多電子的氧(價電子數為 6)。因此,如圖三(A)所示,當氫和氧各提供 1 個電子時,便會形成共價鍵。同時,已將電子用光的氫,會與另一顆帶有 2 個多餘電子——或稱作「孤電子對」(lone pair)——的氧形成氫鍵。

圖三(A):氫鍵結構。圖/黃之辰繪

其形成原因則如圖三(B),當氫用掉唯一的電子後,部分氫原子相對帶正電,會與另一個擁有孤電子對的原子互相吸引,故部分原子帶負電的氧原子互相吸引。這個吸引力就是氫鍵,並且由於其成因,我們可以說氫鍵就是一種電磁力。

圖三(B):氫鍵形成原理。圖/黃之辰繪

(二)、水籠

當許多個水分子以氫鍵結合時,水籠便形成了。

圖四:水分子間的氫鍵。圖/參考文獻 3

事實上,水籠分為許多種類,有結構 Ⅰ 型水合物、結構 Ⅱ 型水合物以及結構 H 型水合物。如下方圖五,在以單位晶格的尺度下觀察,結構 Ⅰ 型為的水合物是以 2 個五角十二面體(512)的小籠,和 6 個十四面體(51262)的大籠所組成。

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這時,你可能會好奇:為什麼是這個組合呢?讓我們來想想拼圖。當我們拿起一塊拼圖,會發現它會有凸出、凹陷,或是平平的不凸出也不凹陷等 3 種樣式的「邊」,或許是 4 個凸出、3 個凸出 1 個凹陷、2 個凸出 2 個凹陷,或是 1 個平平的邊加上 3 個凹陷……。這時,如果我們拿起一塊有「4 個凸出」的拼圖,那麼我們能把另外一塊也是 4 個凸出的拼圖拼在原本的那塊上嗎?

顯然無法。因此,如果我們要將拼圖拼起來,就需要拿出另外 4 片有凹陷的拼圖,各接在原本那塊拼圖上,才能逐漸將這副拼圖拼完。這個「拼拼圖」的概念也就是為什麼水籠結構會需要不同的立體形狀組成了,因為這些不同的形狀負責「鑲嵌」彼此,從而形成一個完整的、沒有空隙的拼圖,也就是這個堅固的水籠。

接下來讓我們繼續介紹另外 2 種結構。結構 Ⅱ 型則以 16 個五角十二面體,加上另一種十六面體(51264)的大籠結合而成;結構 H 型則分別由 2 種小籠—— 3 個五角十二面體,及 2 個十二面體(435663)——與二十面體(51268)大籠組成。其中,不論是大籠或小籠,每個籠中皆包含 1 個甲烷分子。

值得注意的是,甲烷水合物屬於結構 Ⅰ 型水合物,且其分子式為 CH4·8H20。理論上來說,一單位晶格內應含有 8 個甲烷分子與 64 個水分子。然而,由於可燃冰晶體中的水可與鄰近的 2 個水籠共用,因此一單位晶格內實際上只有 46 個水分子,而這也是當我們將可燃冰轉化後,可以產生大量天然氣的原因。

圖五:各類水籠結構及組成。圖/參考文獻 4

二、可燃冰的誕生

上文有提到水和甲烷能在低溫高壓之下生成可燃冰。那麼,是什麼環境才會包含大量的水、足夠的天然氣,同時又有低溫高壓的特性呢?沒錯,就是海洋!現在,我們已經有足夠多的水了,但要如何在海中找到大量的甲烷呢?以大西洋的布雷克海脊(Blake Ridge)為例,含有甲烷的沉積物稱為「氣水化合物穩定帶」(GHSZ,GasHydrate Stability Zone),大約厚 300 至 500 公尺,且位於約 190 公尺至 450 公尺的中深度範圍海域[參考文獻 5]。在這些沉積物的孔隙中,有許多以溶解狀態存在的甲烷。那麼,問題又來了,這些深海礦床是怎麼產生甲烷的呢?答案就是——細菌!

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在深海中存在著 2 種細菌:好氧細菌和厭氧細菌。從他們各自的名字來看,很明顯可以知道好氧細菌會進行有氧呼吸,也就是它們會以氧的化學反應來獲得能量。反之,厭氧細菌不用以有氧呼吸來生存,意即它們可以生存在沒有氧的環境中。

在深海礦床中,沉積物孔隙中的水在幾公分的深度便是缺氧狀態的,且由於這個區域的水域包含了沉澱率高、有機碳含量豐富、環境酸鹼值適中等條件,厭氧細菌便會開始作用在這些沉積物的有機碳物質上,並產生甲烷。 

事實上,大陸地區也可以生成可燃冰,但是蘊含量極少,大約只有 1% 的可燃冰儲存在陸域[參考文獻 9]。其原因或許和組成陸地的砂石成分有關,因為科學家採樣之後的結果顯示,這些生成於陸域的甲烷水合物僅會存在於深度 800 公尺以下的砂岩或粉沙岩岩床中。同時,存在於砂石縫隙中的化合物,會被熱力或微生物分解;然而,重量較重的烴類——也就是組成天然氣的原料,卻會在較輕的化合物被分解完之後,才有機會被分解[參考文獻5]。可以看出大陸生成甲烷水合物的條件極為苛刻,因此,以這種方式形成的可燃冰,目前只存在於西伯利亞和阿拉斯加的永凍土中。

三、能源議題的救世主?

可燃冰在近幾十年突然出現在人們的面前,一躍成為炙手可熱的能源議題新寵兒。事實上,人類早在 1810 年就已經於實驗室中發現天然氣水合物這種物質,只不過受限於當時的時空背景以及科學發展進程,1934 年才在美國的輸氣管道中,發現天然的甲烷水合物這種「可以燃燒的冰塊」。直到 1968 年,蘇聯科學家才終於在西伯利亞發現了天然氣水合物礦藏[參考文獻 6],而在此期間,人們普遍認為天然氣水合物大多只會出現在太陽系外圍的低溫區[參考文獻5]

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那麼,這種神祕的、甚至連科學家都還沒完全搞清楚生成機制的化合物,究竟是怎麼在這場能源大賽中「殺出重圍」的呢?這和可燃冰的轉化率、蘊藏量、能源危機,甚至人類環保意識的提升都有不可或缺的關係,可謂是天時地利人和的結果。

然而,目前可燃冰離完全商用仍有很長的一段路要走。先不提這個,我們來談談轉化率,顧名思義就是「可燃冰轉換成天然氣的效率」。前面有提到,當可燃冰轉化後,即可產生大量天然氣,而若我們精確地看數字,就可以發現 1 立方公尺的可燃冰分解後,可釋放出大約 164 立方公尺的天然氣[參考文獻 6]

這個轉化率著實驚人,因為若拿同等體積的天然氣和可燃冰相比,可燃冰能產出的能量是天然氣的 150 至 180 倍!所以,若可燃冰能順利轉為商用,無疑能使「運輸天然氣加蓋地下管線」、「天然氣存量減少以致價格上漲」等問題迎刃而解。 

不過,某種能源能是否能順利轉為商用,還有一個重要的條件——蘊藏量。目前,人類就正在面臨石化燃料存量枯竭的問題,然而人們的生活早已和石化燃料密不可分,小至織品原料,大至交通工具,或許都會面臨一場重大的革新,而這些無疑會造成經濟動盪,故這是十分棘手且嚴峻的狀況。

那麼,可燃冰的蘊藏量究竟能供人類使用多久呢?根據美國的天然氣需求量來看,僅開發美國本土外海的天然氣水合物,就足以供美國人使用 2000 年[參考文獻 9]!而台灣在西南海域發現的存量,可以供台灣使用約 40 年[參考文獻 10]!科學家也預估,可燃冰的天然存量大約是天然氣的 2 至 10 倍[參考文獻 5]

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由於可燃冰驚人的轉化率、龐大的蘊藏量,再加上燃燒後不會產生殘渣等特性,造成的汙染相較於現今正在使用的各種燃料來說減少許多。在人類盡力追求經濟產能與環保平衡的今天,無疑是救世主一般的存在。

四、如何開採可燃冰

可燃冰看似是目前能源議題的最佳解,但我們對它的瞭解仍遠遠不夠,因為我們還不知道如何快速、安全且大量開採。自 40 年前第一次發現礦藏至今,科學家不斷探索、採集並分析可燃冰這種新興燃料,即使瞭解仍十分有限,但也已經發展出一些鑑別以及開採的方法。除了以前傳統、直觀(但是相對來說更低效且粗魯)的加熱法及減壓法以外,甚至有了更新型的開採方法。不過,在介紹新型方法前,我們可以先從較傳統的方法開始,以便更加瞭解開採可燃冰最基本的模型與原理。由於此種方法較為直觀,篇幅會較為簡短。

以下分別介紹 3 種傳統與新型開採方法:

(一)、傳統——加熱法與減壓法

加熱法,顧名思義就是將可燃冰層以對流法、電磁加熱法[參考文獻 6]等直接升溫,將可燃冰分解為天然氣與水,並且直接以管線收集天然氣。減壓法則是以管線導出可燃冰層下方的氣體或流體,使可燃冰層的壓力變小。此時,可燃冰中的「冰」就會因為壓力下降而液化成為水,使得天然氣被釋放。

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(二)、新型——二氧化碳置換開採法

這個方法可說是傳統加熱法的進化型態,兩者都是以同樣的原理運作,即:使可燃冰升溫,讓水合物中的天然氣釋放出來,並加以收集。那麼,二氧化碳置換法為什麼是進階版的加熱法呢?原因就在於這種方法能在開採可燃冰的同時,將一部份的二氧化碳轉為水合物,封存在海底。以環保的角度來說,簡直可以稱得上是高收益。

此方法的核心概念是利用天然氣水合物和二氧化碳水合物保持穩定時的壓力差進行開採,意思就是,當我們把壓力控制在特定範圍下,天然氣水合物就會分解,而適合這個壓力的二氧化碳水合物就會形成[參考文獻 6]。圖六是二氧化碳置換法的示意圖,圖六(A)是開發前蘊藏可燃冰礦藏的海床。開採時,如圖六(B)所示,我們需要在可燃冰礦層的上方及下方都注入二氧化碳,下方那一層是主要運作的區域,而上方則用以阻隔並穩定海床。

接著,因為壓力被控制在適合二氧化碳水合物生成的範圍,因此當這種水合物逐漸生成並放熱時,最靠近底層的可燃冰就會被這些熱量分解,轉化出大量甲烷。此時如圖六(C),這些甲烷會被導管收集,所以下方的二氧化碳就會上移、填補空缺,然後持續生成二氧化碳水合物,使更多的可燃冰分解、釋放甲烷。在這種連鎖反應下,我們就可以達到在不斷釋放可燃冰中甲烷的同時,不斷(以水合物的形式)封存注入至海床中的二氧化碳[參考文獻 11]

圖六:以二氧化碳封存置換甲烷氣示意圖。圖/參考文獻 11

(三)、新型——固體開採法

最初的固體開採法是直接採集可燃冰固體,並將可燃冰固體移至淺水海域後加以分解,因為若是以物理或化學方法就地分解,會產生消耗能源,而且經費昂貴。之後,固體開採法也衍生出了另一種更進階的方式,稱為「混合開採法」。這種方法是將可燃冰就地轉為固體、液體混合的狀態,再將包含了可燃冰固體、液體及氣體的「泥漿」以導管傳輸至海平面上作業,藉此取得天然氣[參考文獻 6]。這種不用再將礦產運送至淺水區的方式顯然更加方便操作,且以導管運輸的方式能進一步減少可燃冰的損耗。

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五、台灣的可燃冰及各式能源之比較

相對於其他科技、科學競賽來說,台灣在可燃冰的發展上,雖然起步較晚,仍然有相當亮眼的成績。2018 年,科技部的第二期能源國家型科技計畫(NEP-II)就在臺灣西南外海採集到天然氣水合物。而誠如主導計畫的中央大學地科系許樹坤教授所說:「台灣因沒有自主能源,更顯珍貴。」教授說:「台灣是一個能源缺乏的島嶼,99% 的能源都仰賴進口。科學的新發現,若能配合工程技術開發,就能帶來新契機。台灣西南海域蘊藏豐富,預估可用上 40-50 年,目前日本和中國大陸都已試開採[參考文獻 17]。」若是台灣能成功開採並使用可燃冰,或許便能在這場白熱化的能源議題中,找到一線生機。

各式能源之比較表。資料來源/參考文獻 16
  1. Frozen Heat: Exploring the Potential of Natural Gas Hydrates.(2017, May).Office of Fossil Energy and Carbon Management.
  2. Sara E. Harrison. Natural Gas Hydrates. Physics 240, Stanford University, Fall 2010.
  3. Model of hydrogen bonds (1) between molecules of water. Wikipedia.
  4. Juwon Lee and John W. Kenney III. Clathrate Hydrates. IntechOpen.
  5. 甲烷水合物,維基百科。
  6. 可燃冰,百度百科。
  7. Kenneth C. Janda. Gas Hydrate Structure.
  8. 冰與火戰歌,經濟部石化產業高值化推動辦公室簡報。
  9. 解開可燃冰封印,科學人雜誌。
  10. 西南海域可燃冰若開採學者:可供台灣使用逾40年,國立中央大學。
  11. 以二氧化碳封存置換甲烷氣示意圖,中央地質調查所。
  12. 超流體,維基百科。
  13. 固液共存,百度百科。
  14. Coal – Types, Uses and Formation
  15. Table 8.2. Average Tested Heat Rates by Prime Mover and Energy Source, 2010 – 2020,SAS Output (eia.gov)
  16. 各式發電比較,國立交通大學。
  17. 重大突破!中大地科團隊首次在台灣海域鑽獲「可燃冰」,國立中央大學。
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Chih-Chen Huang_96
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目前就讀中央大學光電系。喜歡閱讀,還有邊境牧羊犬。

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從一片荒蕪到綠色星球:細菌與光合作用如何重塑地球——《你的身體怎麼來的?》
商周出版_96
・2025/01/27 ・3861字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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喜出望外

海中糟粕化為盎然綠意

這個星球現在仰仗光合作用運轉。

──史緹耶可.戈盧比奇(Stjepko Golubic)

四十億年前,地球的陸塊相當單調,黑色、褐色、灰色的岩石上一片荒蕪,火山朝著無氧的大氣噴發毒素,人類乘坐時光機回到那時間點會立刻窒息。當時地球上僅有的生命形態是細菌,以及比英文句號還小得多的單細胞生物。然而若往前快轉幾十億年,來到距今僅三億五千萬年前後,會發現大氣中氧含量接近人類已經習慣了的百分之二十一,這是個很奢華的數字。

那個年代,海洋中滿是巨大生物四處洄游,植物入侵陸地並為人類的演化鋪路。地球從無法居住的荒土蛻變為藍綠色的生命樂園,這麼戲劇性的轉折是什麼力量在背後推動?

種種因素之中有一項特別醒目:直到一九六〇年代人類才開始意識到光合作用的力量不下於各種地質學事件,改造這顆星球的手段神祕且驚奇,非常難以想像。

地球從荒土到生命樂園的蛻變,歸功於光合作用的出現。圖 / unsplash

改造過程中,光合作用或許曾經引發大規模生物滅絕。科學家一度認為其威力能夠與核戰浩劫相提並論,使這顆行星被寒冰覆蓋化作巨型雪球。但同時光合作用又輔助、甚至促成「不可能」的演化捷徑,進而提高生命多樣性,最終使植物甚至人類得以存在。科學家如何研究太古時代的自然變動?而光合作用又如何將地球鬧得天翻地覆?

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疊層石背後的生命故事

十九世紀末期,有人找到能夠追溯光合作用悠久歷史的第一條線索。那時候沒有任何證據指向距今大約五億五千萬年的寒武紀之前有生命存在,然而一八八二年冬天美國大峽谷深處名叫查爾斯.沃爾科特(Charles Walcott)的岩石收藏家改變了一切,後來還當上史密森尼學會的主席。

沃爾科特的故鄉是化石天堂紐約州由提卡市(Utica)。小時候他生得瘦瘦高高,喜歡在父母的農場以及附近未來岳父擁有的採石場內找化石,十八歲離開校園之後先去五金行當店員,卻自己閱讀教科書、研究化石並撰寫論文、與著名地質學家通信來維繫心中熱情。他曾經蒐集古代海洋生物三葉蟲的化石標本,品質在全世界而言也是數一數二,後來慷慨出售給了哈佛大學。

沃爾科特的勘探技巧十分高明,也藉此就職於新成立的美國地質調查局。一八八二年十一月,地質調查局局長、同時自己也是探險家的約翰.威斯利.鮑威爾(John Wesley Powell)要求沃爾科特勘測迄今為止無法進入的大峽谷深處。

鮑威爾之前嘗試過,但只能乘坐小木舟趁漂流時稍微觀察最底層岩石,後來他就在偶爾有「刺骨寒霧、雪花飛旋」的地方紮營監督,帶人修建一條從峽谷邊緣延伸到下方三千英尺(約九百一十四公尺)處溫暖地帶的陡峭馬徑,並且讓時年三十三歲的沃爾科特帶著三名工人和足夠支撐三個月的食物、九匹上鞍的騾子沿著那條臨時小徑進入谷底。

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「高原之後就會積滿雪,」鮑威爾告訴他:「春天之前你和搬運工無法離開峽谷。希望這段時間裡,你能好好研究地層序列,盡量收集化石。祝好運!」

對沃爾科特而言,這是千載難逢的機會。他已經發現一些已知的最古老化石,例如神似甲殼類但奇形怪狀的三葉蟲。此外,達爾文發表《物種起源》不過四十年前,但因為缺乏最原始的動植物或細菌化石而遭到很多抨擊。批評者仗著沒有化石這點堅稱所有物種都是神造,懷疑論者也要求達爾文證明古代有過更單純的生物,可惜他只能委婉表示若生物體很小就不容易留下化石,希望有朝一日會出現。

充滿驚喜的山谷

沃爾科特深知達爾文的窘境。他沿著陡峭原始小徑下降到幾乎沒有生命跡象的大峽谷谷底,然後用心觀察周遭環境。山谷、懸崖,除了石頭還是石頭,但這一隅紅色天地很得他喜愛,不過同行的化石收集家、廚師和馱獸管理員就未必能夠分享那份悸動了。

他們沿著八百英尺(約兩百四十四公尺)峭壁吃力前行,其中一段就是現在的南科維山徑(NankoweapTrail),一般認為是大峽谷裡最危險的路線,河流地形坡陡水急即使沿岸也難以行走,有時候不得不自己開路以求深入。後來一頭騾子死亡、另外兩頭受傷。旅程中至少一次,沃爾科特筆中的墨水結凍了,但又必須在篝火邊融冰為水給騾子飲用。但最可怕的其實是死寂與孤獨,才三個星期就導致那位化石收集家夥伴憂鬱求去。但沃爾科特不同,能來到谷底他太興奮了,堅持了七十二天才踏上歸途。

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有一天他爬上爬下,對部分岩石中層層線條感到好奇,乍看很像切開的包心菜。這些圖案極不尋常,所以沃爾科特認定是生物,後來將其命名為藍綠菌(最初曾視為藻類)。他還聯想到自己在紐約州看過來自寒武紀時期的類似化石,取「隱含生命」的含義命名為隱藻化石(Cryptozoön)。然而大峽谷的情況有點不同,這些化石明顯可見,卻又位於更古老的岩層內,因此歷史比任何其他已發現的化石都久遠。

沃爾科特在大峽谷的古老岩層中發現了類似藍綠菌的化石,命名為隱藻化石,揭示比已知更古老的生命存在。圖 / unsplash

沃爾科特後來在蒙大拿州等地持續發現同樣古老的隱藻化石,接著其他古生物學家也在前寒武紀岩石內察覺到疑似化石的特殊圖案,種種線索指向最原始生命形式的證據可能保存在寒武紀前的石頭裡。即便如此懷疑論調不斷,尤其某個長期存在爭議的標本被證明了並非化石,而是火山石灰岩經過壓力和高溫形成獨特的礦物沉積。

隱藻化石的爭議:解鎖前寒武紀生命的證據

一九三〇年代,沃爾科特去世的四年後,劍橋大學最具影響力的古植物學家蘇厄德(Albert Charles Seward)決定加入辯論,卻在後來被古生物學家肖普夫(William Schopf)形容是「讓煮熟的鴨子飛了」。蘇厄德在史稱「隱藻化石爭議」的事件中嚴格審視前寒武紀化石證據,得出結論認為這完全是一廂情願,所謂的化石與現存物種之間沒有明顯關係,大型結構並未顯示出由較小細胞組成的特徵。

他主張沃爾科特在隱藻化石找到的環狀圖案可能是海底富含鈣質的淤泥沉積,人類本來就不該期望細菌這樣微小的生物會被保存在化石,最後又語重心長告誡科學家:有些尋找化石的人太過一頭熱,他們宣稱找到特別古老的標本時不能輕信。

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地位如此卓著的人物提出警告,導致地質學家不願再從岩石尋找距今約五億年以上的化石,畢竟找到的機率幾乎等於零。久而久之許多人認定了生命在地球上的歷史很短,這顆星球的前面四十億年、其歷史的九成之中根本沒有生命存在。微生物學家史緹耶可.戈盧比奇指出許多科學家以「前寒武紀」一詞指稱生命尚未問世的太古時期,其實這是陷入「現有工具檢測不到就代表不存在」的思考偏誤,將缺乏證據直接視為否定證據了。

時間來到二十年後的一九五〇年代中期,澳洲年輕研究生布萊恩.洛根(Brian Logan)隨地質學教授菲利普.普萊福德(Philip Playford)探索了位置偏遠的鯊魚灣,也就是澳洲西北海岸一片孤立的鹹水潟湖。站在這兒的海灘,淺藍色海水退潮時會露出如夢似幻的奇景:數百顆三英尺(約九十一公分)高的圓柱狀岩石林立,彼此間距很小,彷彿堅硬粗糙如石塊的蘑菇聚集叢生。

兩人詳細調查了這片怪異石陣,然後意識到理解沃爾科特隱藻化石的關鍵。眼前這些不僅是活化石,還能回答一個經典謎語:什麼東西既死又活?石頭表面曾經活著,是藍綠菌累積起來形成網罩般的構造。海水進出時,這層菌網會捕捉沉積物。而藍綠菌死亡後,沉積物固定在原位如海綿狀的石塔,於是又有新的細菌附著其上、形成新的一層網罩。

細菌以同樣方式在太古海洋中創造出沃爾科特的隱藻化石,現在稱為疊層石,語源是希臘文stroma(層)和lithos(岩)。目前只有鯊魚灣等少數幾個地方能找到疊層石,環境對其他多數生物過於鹹澀無法生存。但另一方面,已經化石化的古老疊層石則在世界各地皆有發現。

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澳洲地質學家偶然發現還活著的疊層石,同時美國兩位地質學家史坦利.泰勒(Stanley Tyler)和埃爾索.巴洪(Elso Barghoorn)也宣布找到了蘇厄德口中不存在的化石標本,其中微生物有單細胞也有多細胞,藍綠菌絲也包括在內,而且這些化石都有大約二十億年歷史。「許多人很震驚的,」戈盧比奇表示:「原本以為生命在寒武紀才爆發,之前什麼都沒有。寒武紀應該是起點才對。」但現在普遍接受最古老的疊層石化石上微生物活在三十五億年前,依舊是地球誕生的十億年之後。達爾文和沃爾科特應該很欣慰。

哪種細菌造出最古老的疊層石?無法確定是已經會行光合作用的藍綠菌,抑或是它們的祖先。不過藍綠菌至少二十四億年前已經存在於海洋。

——本文摘自《你的身體怎麼來的?從大霹靂到昨日晚餐,解密人體原子的故事》,2025 年 01 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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一餐變災難:台北素食餐廳爆食物中毒,這些細菌你不可不知!
careonline_96
・2024/08/30 ・2532字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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北市素食餐廳的食物中毒事件已造成二死四危急,引發眾人關注。食物中毒可能是因為食物內含有細菌、病毒、或寄生蟲,當這些病菌持續在腸胃道理作亂、生長,就會引發不適。另外,食物中毒也可能與細菌製作出的毒素有關。

食物中毒的症狀

食物中毒算是個很廣泛的說法,包含了各種不同的細菌或病毒感染,多數在幫表現症狀的初期,我們還不知道究竟是哪一種細菌或病毒造成的,因為一般食物中毒還輕微的時候,就是腸胃炎的症狀。患者會肚子絞痛,想要跑廁所,開始有腹瀉症狀。這時要注意自己的糞便是純粹水便,還是含有血絲或大量的血便,這與猜測致病原有關係,要記得就診時告知醫師腹瀉的狀況。另外,還要告知有沒有發燒、嘔吐等情形。

另外,我們也需要注意這些噁心嘔吐及腹瀉症狀發生的時間點,不同的細菌或病毒造成症狀的時間不一樣,有的短至三十分鐘內患者就開始上吐下瀉,有的則是要過上一星期才發病。不過通常是吃到含有病菌的食物後一到三天發病。

多數的食物中毒症狀並不嚴重,很多人會覺得自己只是腸胃不舒服一下下,拉個幾次就會過去了。然而如果有以下狀況,最好趕快就診:

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  • 脫水嚴重:尿尿的量變少,覺得頭暈目眩,嘴巴很乾
  • 一直吐:什麼東西都吃不了,一進食就吐
  • 一直拉:成人拉肚子超過兩天,或是小孩拉肚子連續一天,就算是嚴重了。如果是新生兒,只要看到腹瀉,最好還是就醫。看到血便也是要就醫。
  • 肚子很痛或發燒
  • 家人發現患者意識狀況變差,或發現有複視皮膚變黃等等狀況。

引起食物中毒的知名病菌及其特色

接下來我們來看看幾個容易引起食物中毒的細菌或病毒。

  • 大腸桿菌(E. coli)

最常見的狀況是吃到沒有完全煮熟的絞肉,像是沒煎到全熟的漢堡排。不過大腸桿菌也會出現在受到污染的蔬菜(像是生菜沙拉)、水果、或生水之中。

  • 沙門氏菌(Salmonella)

沙門氏菌存在沒有煮熟的肉類與蛋類食物,或是喝到沒有完全經由巴斯德滅菌過程的乳製品。

  • 金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)

備餐的時候沒有先洗手,而處理食物後沒有再經過烹煮,像是切肉片肉排,切三明治或包裝三明治,就可能讓人因金黃色葡萄球菌而食物中毒。

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  • 產氣莢膜桿菌(Clostridium perfringens)

產氣莢膜桿菌存在自然界,可以形成具有耐熱性的孢子,有些甚至在沸水中仍能存活許久。因此,除了生肉、蛋類、奶類可能含有產氣莢膜桿菌外,土生土長的蔬菜、穀類也可能含有產氣莢膜桿菌。當燉煮的肉湯、肉汁放在室溫一陣子,沒有放到冰箱冷藏的話,可能會引起食物中毒。

  • 肉毒桿菌(Clostridium botulinum)

這屬於少見但容易致死的食物中毒。肉毒桿菌是存在自然界土壤與水源的常見細菌,如果沒有藉由煮沸煮熟來殺死肉毒桿菌的話,是無法停止其生長的。最容易造成食物中毒的狀況有兩種,一種是吃到沒有正確保存的醃漬物或罐頭食物,尤其是居家自己醃漬的小品,無論是醃菜、醃魚、醃肉,都可能會導致肉毒桿菌滋生。另一種傳染途徑是讓小於一歲的幼童吃到蜂蜜或玉米糖漿,裡面的孢子可能含有肉毒桿菌而造成幼兒食物中毒,記住記住,千萬不要以為讓幼兒吃蜂蜜很營養喔,會因為感染肉毒桿菌而致死的。

肉毒桿菌會影響神經肌肉的控制,造成的食物中毒特色是患者的視力出現複視,講話講不清楚,肌肉無力,無法吞嚥,有這種狀況務必趕緊就醫。

  • 李斯特菌(Listeria)

李斯特菌可以存在未經巴斯德滅菌過程的牛奶及乳酪中,也會存在於豆芽、瓜類、和香腸熟肉裡。

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  • 諾羅病毒(Norovirus)

諾羅病毒的傳染能力很強,只要碰到帶有諾羅病毒的餐桌表面、再將食物送往口中,就可能感染。因此只要有個人感染諾羅病毒,很容易在與他人共餐的同時藉由分享食物、備餐等狀況而傳給其他人。

預防食物中毒

  • 擤鼻嚏、咳嗽、抽菸、上廁所之後,請記得都要好好洗手
  • 如果是備餐的人,請好好清洗蔬菜及水果,用來備餐的表面及餐具也都要在準備食物之前好好清洗。
  • 肉類、蛋類等務必都要好好煮熟,不要讓生肉或未煮熟的肉或肉汁去污染到其他食物。
  • 不管是煮過的食物或生肉,不要任其停留在室溫內超過兩小時,放兩個小時後的食物都不安全,請儘早把食物冰到冰箱。解凍的食物要趕快煮一煮,不要放在室溫過久。
  • 保存食物的時候,生的肉類要與蔬菜水果、煮過的食物、或加工食物分開擺放。
  • 買含有沙拉醬、美乃滋的食物沒吃完一定要冰起來。
  • 不知道放了多久的食物請丟掉。一打開有味道,或是罐頭蓋子鼓起的一定要丟掉。

預防食物中毒的重點是自己常洗手,並好好保存食物,備餐時也要用心。

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改良天然氣發電技術不會產生二氧化碳?灰氫、藍氫、綠氫分別是什麼?
PanSci_96
・2024/02/11 ・5659字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放?這怎麼可能?

2023 年 11 月,台電和中研院共同發表去碳燃氫技術,說是經過處理的天然氣,燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒,減碳方式百百種,就是這個聽起來最怪。但仔細研究後,好像還真有這麼一回事。這種能發電,又不產二氧化碳的巫術到底是什麼?大量使用天然氣後,又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的?

去碳燃氫是什麼?

去碳燃氫,指的是改良現有的天然氣發電方式,將甲烷天然氣的碳去除,只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前,我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

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最近不論台灣、美國或是許多國家,都提升了天然氣發電的比例,但天然氣發電真的有比較好嗎?

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告,若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料,並以燃燒率百分之百來計算,燃料每釋放一兆焦耳的能量,就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣,則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳,大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中,不只有碳元素會提供能量,氫元素也會氧化成水並放出能量。

圖/pexels

除了碳排較低以外,煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質,燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ,或是溫室效應的另一主力氧化亞氮(N2O)。具體來說,產生同等能量下,燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然,也別高興這麼早,天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體,一但洩漏問題也不小。關於這點,我們放到本集最後面再來討論。

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燃燒天然氣還是會產生二氧化碳?

雖然比較少,但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式,不才是我們的終極目標嗎?別擔心,為了讓產生的二氧化碳量減到最小,我們可以來改造一下甲烷。

圖/unsplash

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下,甲烷就會和水蒸氣反應,變成一氧化碳和氫氣,稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上,都是用此方式製造的,也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳,還可以在銅或鐵的催化下,與水蒸氣進一步進行水煤氣反應,變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純,只有氫氣與二氧化碳,因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少,也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼?

圖/pexels

即便我們能將甲烷蒸氣重組,但只要原料中含有碳,那最終還是會產生二氧化碳。那麼,我們把碳去掉不就好了?去碳燃氫,就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣,而留下來的碳黑,也就是固態的碳,可以做為其他工業原料使用,提升附加價值。

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在氫氣產業鏈中,我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫,而搭配碳捕捉技術的氫,則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫,例如搭配太陽能或風力發電,將水電解後得到最潔淨的氫,則稱為綠氫。而介於這兩者之間,利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫,則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫,重點是如果真的不會產生二氧化碳,那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術,聽起來應該也不會太難吧?畢竟連五◯悟都可以一分為二了,甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳?

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢?

很簡單,加溫就好了。

圖/giphy

只要加溫到高過攝氏 700 度,甲烷就會開始「熱裂解」,鍵結開始被打斷,變成碳與氫氣。

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等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解,划算嗎?

甲烷裂解確實是一個吸熱反應,也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式,一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量,才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後,會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對,直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況,中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電,與先去碳再燃氫的方式相比,發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳,發電量下降了,但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢?

在近二十幾年內,科學家嘗試使用各種材料作為催化劑,來提升反應效率。最常見的方式,是將特定比例的合金,例如鎳鉍合金,加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金,與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實,鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下,轉化 95% 的甲烷。

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中研院在 2021 年 3 月,啟動了「 Alpha 去碳計畫」,進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現,盡管在理論上行得通,但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣,熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體,不斷從表面冒出,需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此,即便理論上可行,但熔融合金的催化方式,還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎?

有趣的是,找了好一大圈,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊,你卻不知道它正在等你的那個催化劑,碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年,才有韓國團隊,嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

圖/pexels

他們在高溫管柱中,裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現,在 1,443 K 的高溫下,能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一,因此整個裝置除了碳鋼容器以外,只有碳與氫參與反應,不僅成本低廉,要回收碳黑也變得容易許多。

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目前這個裝置需要加緊改良的,就是當碳不斷的積蓄,碳粒顆粒變大,反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料,會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後,我們回頭來談談,在去碳燃氫技術逐漸成熟之後,我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主,還是雙面刃?

去碳燃氫後的第一階段,還是會以天然氣為主,只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺,氫氣則為每秒 2.9 公尺,有著更劇烈的燃燒反應。因此,目前仍未有高比例氫氣的發電機組,氫氣的最高比例,通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連,使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠,使用 5 % 氫氣的示範計畫,並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計,光是 5 % 的氫氣,就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

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但隨著天然氣的使用量逐步提高,我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應,是不可忽視的!

根據 IPCC 2021 年的報告,若以 20 年為評估,甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍,以 100 年為評估,效果為 29.8 倍,是僅次於二氧化碳,對於溫室效應的貢獻者第二名。這,不可不慎啊。

圖/unsplash

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏,加上運輸時的洩漏,如果沒有嚴格控管,我們所做的努力,很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究,發現從 2012 到 2018 年,全球的甲烷排放量增加了 60 % ,從煤炭轉天然氣帶來的好處,可能因為甲烷洩漏而下修。當然,我們必須相信,當這處漏洞被補上,它還是能作為一個可期待的發電方式。

圖/giphy

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明,以長期來看,由煤炭轉為天然氣,確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒,天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源,千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜,為什麼不直接發展綠氫就好了?

確實,綠氫很香。但是,綠氫的來源是電解水,而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水,因此若要大規模發展氫能,通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外,綠氫本來就是屬於一種儲能的形式,在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前,當然直接送入電網,還輪不到拿來產綠氫。

圖/unsplash

相比於綠氫,去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排,並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備,就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然,除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等,都還沒介紹呢!

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外,也可以觀看這個介紹白氫的影片,一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它,會是下一個能源救世主嗎?

最後,也想問問大家,你認為未來 10 年內,哪種氫能會是最有潛力的發展方向呢?

  1. 當然是綠:要押當然還是壓最乾淨的綠氫啦,自產之前先進口也行啊。
  2. 肯定投藍:搭配碳捕捉的藍氫應該會是最快成熟的氫能吧。
  3. 絕對選白:連比爾蓋茲也投資的白氫感覺很不一樣。快介紹啊!

什麼?你覺得這幾個選項的顏色好像很熟悉?別太敏感了,下好離手啊!

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