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高分子吸附劑 – 讓貴金屬的回收利用更有效率

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2014/01/15 ・1098字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

24貴金屬吸附劑報導/廖英凱

貴金屬,例如金、銀、鈀、鉑、銥……等,是今日許多關鍵產業不可或缺的重要元素,像是3C產業的混合積體電路、印刷電路板、汽車與石油化學工業的觸媒、汙泥磚、以及裝飾或保值用的貴重品等,均含有許多高價值的貴金屬。依據環保署事業廢棄物申報資料[1],台灣每年含貴金屬(金、銀、鈀、鉑、銥、銠、鋨、釕)之廢觸媒約250公噸,其中廢觸媒中貴金屬銠含量約為200 公斤/年,以近五年銠金屬均價新台幣180 萬/每公斤計算,回收廢觸媒中銠金屬產值約為3.6億元新台幣。再從礦產資源的生產與分布來看,台灣因地理資源的限制,而使相關資源必須仰賴進口。因此若能有效回收廢料中的貴金屬,對於降低經濟成本、廢棄物減量,乃至於資源儲備和環境保護永續發展均有著重大裨益。

目前從廢料中回收貴金屬的方式,大多以強酸溶出含有金屬離子的溶液,再以離子交換法、電析出、金屬置換法、電漿熔融等方法回收。常見的離子交換樹脂處理廢液雖是一種較有效的處理方法,也被廣泛用於淨化飲水。但此方法一次性投資成本高、操作要求及管理嚴格,離子交換樹脂的再生及老化等技術限制,以及製程中大量能源消耗和仍會殘留微量貴金屬,因此後續還需投入昂貴之精鍊與環境保護成本。以鈀金屬來說,鈀常被用做工業上的催化劑[2],另外在製造被動元件的晶片型積層陶瓷電容(MLCCs)會產生含鈀的廢合金複層材料。在目前的鈀金屬回收製程中,含有鈀的汙泥會先溶解至王水溶液,利用王水同時具有硝酸的氧化性和氯離子的強配位能力,而形成有鈀離子的王水溶液。再將廢液導入離子交換樹脂吸附鈀金屬。

而中科院所開發的高分子貴金屬吸附劑,是將高分子微粒經過特殊界面改質技術,使其表面具有可螯合貴金屬離子之官能基,利用官能基將貴金屬離子還原為貴金屬,並均勻批覆於吸附劑表面。因具有較高的比表面積(單位質量所具有的表面積)、較高的機械強度、孔結構的可調整性及容易再生等特性,最低可吸附濃度僅1ppm的貴金屬離子溶液。進一步可再利用真空精煉技術提煉出高純度的貴金屬。

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這項技術預期可應用在食品與製藥產業、合成化學和石化工業、廢料處理及環境保護等重要領域。貴金屬因其高單價、產地侷限,更有著環境汙染的危險,而有效提升貴金屬的回收效率,除了能減少對進口資源的依賴外,更能對環境保護有所貢獻!

資料來源:

  1. 事業廢棄物申報及管理資訊系統
  2. 鈀催化偶聯反應

技術專頁:貴金屬捕手

更多創新技術歡迎瀏覽解密國家寶藏

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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巴黎時裝週:噴霧製衣,一體成形
胡中行_96
・2022/10/03 ・2083字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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2022 年 9 月 30 日,[1]在巴黎時裝週 2023 春夏大秀上,近乎全裸的超模 Bella Hadid 緩步走上伸展台。她氣定神閒地,任由與法國時尚品牌 Coperni 合作的科學家們,用噴槍將液態布料覆蓋在她身上。[2, 3]經剪刀裁去布邊,並劃出高衩,一件服貼簡約的雪白平口洋裝,當場完成,驚豔全場。[4]

巴黎時裝週 2023 春夏大秀上,噴霧製衣的現場表演。影/參考資料 4

時裝秀的科技時刻

英國品牌 Alexander McQueen 也曾於 1999 春夏系列時裝秀中,讓超模 Shalom Harlow 在緊湊高亢的音樂襯托下,接受二支機械手臂的顏料洗禮,演繹出時尚史上經典的噴墨洋裝。[5]不過,這兩次乍看雷同的科技嘗試,其實有根本上的差異:Alexander McQueen 的做法,是把洋裝當作畫布,透過機械手臂在上頭忘情揮灑。放蕩不羈的風格,使模特兒的皮膚上沾染不少墨水,帶著一縷淒美的頹喪。[5]然而,這次巴黎時裝週的白色洋裝製作,則是宛如迪士尼動畫《睡美人》的情節。噴槍就是設計師的魔杖,妙手一揮便幻化出成品,整個過程乾淨俐落。做完馬上走秀,都不怕沿路滴水。[4]

這款神奇的噴霧布料,是 Manel Torres 博士研發的 Fabrican。[3]

Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀中,Shalom Harlow 與機械手臂演繹經典的噴墨洋裝。影/參考資料 5

Fabrican 噴霧的原理

來自西班牙的 Torres 博士,[6] 2003 年於英國倫敦創立 Fabrican 有限公司。他希望用皮膚般貼身的媒材,來製作衣服,並加速生產的流程。[7]一件 Fabrican 服飾的生成,從無到有約莫只要 9 到 15 分鐘,[1, 6]而且材質和顏色都有多元的選擇。[8, 9]無論是棉、毛、亞麻、尼龍或是奈米碳纖維等原料,[6, 9]加入特製的揮發性溶劑後,噴在人體上便會快乾成形。 [6]這種液態布料能做出一年四季的服飾,差別主要在於塗層的厚度。成品噴好後,不僅可以重複穿著和洗滌,也能以溶劑即刻還原再利用,[10]十分環保。

Torres 博士示範用 Fabrican 噴出T恤,女模表示會冷。影/參考資料 10

Fabrican 服飾的量產

Copern i 的二位品牌創辦人 Sébastien Meyer 與 Arnaud Vaillant ,在這次的巴黎時裝週開始前 6 個月,就已經緊鑼密鼓地和 Torres 博士,一起研究如何呈現這件白色洋裝。「我們不會因此賺錢」,回想秀場上的那一刻 Meyer 如是說:「但那是段美麗的時光 ── 一個創造情感的體驗。」[3]

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以人工一件一件地噴出衣服,並不符合經濟效益,所以除了上述量身訂做的方法,Torres 教授還開發出適合工業化量產的模式。這個概念有點類似 Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀的演出,不過要把那位面目驚恐,非常入戲的模特兒,換成冰冷的人體模型。如此一來,裝有噴槍的機械手臂以及負責運算的可程式邏輯控制器(programmable logic controller,簡稱PLC),便能以每秒 9 公尺的速度噴出原料,不眠不休無休地將已經設計好的服飾,精準地製作出來。由於針對不同產品,只要依照個別需求,微調程式或液態布料的成份,Fabrican 官網宣稱,這比起仰賴為數龐大的傳統機器,更適合剛起步的事業和開發程度較低的國家。[11]

Fabrican 的其他用途

此外,同樣的技術也能運用在汽車內裝,[11]以及醫療器材上。比方說,口罩、繃帶、藥物貼片、創傷敷料,[12]還有取代石膏的骨折固定器等。[13]比較出乎意料的是,據說 Fabrican 也有清除海洋汙染,例如:原油外洩等的功能,可惜相關的資訊不多。[14]看到如此萬用的布料科技,只能期望它無論如何都要打入一般市場,造福大眾。別像伸展台上的高級服飾,永遠那麼遙不可及。

Fabrican 可望取代醫療石膏。影/參考資料 13

延伸閱讀

蠶繭電池是綠能的未來?!

參考資料

  1. Testa J. (02 OCT 2022) ‘The Best Moment of Bella Hadid’s Life’. The New York Times.
  2. Yang R, Chen L, Chiang R, Tseng R.(01 OCT 2022)〈巴黎時裝周2023春夏秀場盤點!Coperni現場噴墨製衣、Balmain邀請傳奇巨星Cher壓軸走秀〉Harpers Bazaar.
  3. Maguire L. (01 OCT 2022) ‘A spray-on dress and a solid gold bag: Coperni goes after Gen Z with novelty and fun’. Vogue Business.
  4. iDest. (01 OCT 2022) ‘Bella Hadid Closing Coperni Spring 2023 Collection’. YouTube.
  5. Couture Daily. (13 JAN 2013) ‘Alexander McQueen spring/summer 1999’. YouTube.
  6. Sample I. (17 SEP 2010) ‘Spray-on clothing becomes a reality’. The Guardian.
  7. Fabrican History’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022)
  8. FannVideo Best. ‘New Spray-on Clothing Future Technology’. (28 MAY 2013) YouTube.
  9. Fabrican Technology’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  10. New Scientist. ‘Spray-on clothing could be the future of fashion’. (17 SEP 2010) YouTube.
  11. Industrial – Industrial Application’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  12. Healthcare – Innovation, choice and flexibility in healthcare’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  13. fabricanltd. (15 MAY 2012) ‘Spray-on arm cast. Fabrican Ltd’. YouTube.
  14. Environmental – Protecting our environment from seaborne spills’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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臺灣整體空氣品質有變好嗎?有,但還需要解決臭氧這個隱藏角色!
研之有物│中央研究院_96
・2022/09/15 ・4323字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/陳儀珈
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

有變好,但還遠遠不夠好

空氣雖然平常摸不到也看不到,但是它大大影響我們的生存空間,例如每日上下班聞到的汽機車廢氣、巷口小吃店的油煙,以及其他隱藏在社區的 PM2.5 污染源等。這些年下來,臺灣整體的空氣品質是變好還是變壞?中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,請他深入談論空氣污染物 PM2.5 和臭氧的變化趨勢,以及都市區空氣品質的首要難題:「衍生型 PM2.5」。

臺灣的空氣品質到底有沒有進步?

2012 年 5 月,環境保護署發布「空氣品質標準修正草案」正式將 PM2.5 納入臺灣空氣品質管制,從圖表中可以看到,自 2012 年以來,PM2.5 的平均濃度的確有逐年降低的趨勢。

從數據來看,PM2.5 的平均濃度有逐年下降的趨勢,但是秋冬季節的污染衝擊依然顯著。圖中每個資料點代表一個月的平均值。圖/研之有物

PM2.5 除了逐年降低之外,大家也可以觀察到, PM2.5 其實有非常強的「季節性」。

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一般而言,秋天、冬天時,中西部大多位於中央山脈的背風面,風速微弱不易將污染物吹散,污染濃度相對高;反之春天、夏天時,因為擴散條件好,污染濃度就相對低。

因此,夏天時,臺灣各縣市的污染狀況差異不大,但一進入秋冬,污染濃度在空間分佈上就呈現出非常明顯的差異:中南部特別嚴重。

從數據來看,臺灣各縣市的能見度在夏天時差異不大,但是中南部在秋冬時的能見度仍然不佳。圖中每個資料點代表一個月的平均值。圖/研之有物

隨著時間推進,PM2.5 污染正在逐漸改善,但整體而言,污染情況還是很嚴重,尤以中南部更為嚴峻。我們可以說,臺灣空氣品質在眾人努力之下慢慢變好,但我們離好的空氣品質仍然有一段很遙遠的距離。

「在變好,可是遠遠不夠好」周崇光這麼說。

大家的濃度都在降,除了臭氧?

前面已提到 PM2.5 濃度逐年降低,其他空氣污染物諸如非甲烷碳氫化合物(NMHC)、氮氧化物(NOx)的數據都有逐年下降的趨勢,但臭氧(O3)一枝獨秀,不僅沒有變少,有時甚至還會有上升的跡象。

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這到底發生了什麼事?

從數據來看,空氣污染物例如非甲烷碳氫化合物(NMHC)、氮氧化物(NOx)都逐年降低,然而臭氧(O3)濃度卻沒有變少的趨勢。圖中每個資料點代表一個月的平均值,「12 移動平均」表示污染物在該年連續 12 個月的平均值。圖/研之有物

若想要了解箇中原因,我們必須回顧臭氧的形成機制,與都市的光化學煙霧(Photochemical smog)有關(見下圖)。

首先,氮氧化物(NOx)和揮發性有機化合物(VOCs),是形成臭氧(O3)的主要前驅物。

二氧化氮(NO2)在紫外線的照射下(hν 表示能量),會分解成一氧化氮(NO)和一顆氧原子(O),當這顆氧原子碰到氧氣(O2)時,就跑出臭氧(O3)。

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當揮發性有機化合物(VOCs)碰上氫氧自由基(OH·)時,會被氫氧自由基氧化形成有機過氧自由基(RO2·),有機過氧自由基隨後會氧化一氧化氮(NO),並使二氧化氮(NO2)再生回來,由此可在大氣中循環產生臭氧。

光化學煙霧是空氣污染物的混合物,是由氮氧化物(NOx)和揮發性有機化合物(VOCs)與陽光發生一系列反應而成,而臭氧(O3)就在反應路徑中不斷循環。圖/研之有物

等等,那臭氧持續上升的原因是?

雖然 NO2 被紫外線分解後會產生 NO 和 O3,要注意的是 NO 碰上 O3 時,又會反應為 NO2,於是 NO—NO2—O3 在大氣中保持著動態的平衡關係,因此當我們減少一氧化氮的污染時,上述的光化學平衡就會有利於增加臭氧的濃度。

而在過去這些年,我國的污染防制使得大氣中氮氧化物濃度一直在減少,一氧化氮也相應下降,當一氧化氮越來越少的時候,也越來越少的臭氧會被轉化成二氧化氮,使得累積在空氣中的臭氧變多了。

因此,我們在下圖可看到,代表臭氧的紅線上升了,而代表二氧化氮的綠線下降了。

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臺灣的污染防制使得大氣中氮氧化物濃度一直在減少,一氧化氮也就相應下降,當一氧化氮越來越少的時候,也表示越來越少的臭氧會被消耗轉化成二氧化氮,使得累積在空氣中的臭氧變多了。圖中每個資料點代表一個月的平均值,「12 移動平均」表示污染物在該年連續 12 個月的平均值。圖/研之有物

既然無論空氣品質變好或變壞,臭氧的濃度都很高,甚至都會變高,那麼研究人員到底該怎麼確認整體空氣品質真的有所改善?

周崇光指出,事實上,只要將「臭氧和二氧化氮的濃度加起來」,統合為「大氣氧化劑的濃度」,並和其他污染物進行比對,就可以從數據中確認:即使臭氧的濃度上升,但兩者總和的數據是減少的、空氣品質的確正在改善!不過還要更加努力才能克服上述的困境,進而成功降低大氣中臭氧的濃度。

衍生型 PM2.5:都市空氣品質的挑戰

我們總是用 PM2.5 來統稱粒徑小於或等於 2.5 微米的細懸浮微粒,用 PM10 統稱粒徑小於或等於 10 微米的懸浮微粒,也就是說,它指的是粒徑在某個尺寸內的粒子濃度。

然而,你有沒有想過,這些懸浮微粒到底包含了哪些東西呢?

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周崇光笑著說,「裡面五花八門,什麼怪東西都有啦!」,懸浮微粒的成分可是高達上百種呢!

臺灣的 PM2.5 組成非常複雜,像是海鹽、元素碳(也稱黑碳,EC)、硝酸離子(NO₃-)、硫酸離子(SO₄²-)、銨離子(NH4+)、重金屬、以及各式各樣的有機化合物等等,不同縣市的組成分布也有所差異。

比較中研院過去(2003-2009)與環保署最近(2017-2021)各自調查的 PM2.5 化學組成,近五年來雖然臺灣 PM2.5 整體濃度下降了,但是 PM2.5 主要的組成分布則沒有明顯改變。

中研院與環保署調查了臺灣 PM2.5 整體濃度與組成,圓餅圖中心為該地區的 PM2.5 平均值,近五年來,同一地區 PM2.5 整體濃度下降,但化學組成無明顯改變。圖/研之有物

周崇光提到,要解決臺灣的 PM2.5 空污問題,減少衍生型 PM2.5 才是主線!

與黑碳、海鹽這些直接來自大自然或人為產生的「原生」微粒不同,大部分硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和有機微粒是在大氣中經過複雜化學反應「衍生」而成的,因此稱為「衍生型 PM2.5」。

衍生型微粒的生成,除了需要有特定的前驅氣體,例如:SO2 氧化後產生硫酸鹽、NO2 氧化後產生硝酸鹽,以及有機氣體氧化後產生有機微粒等;還需要有促成反應的大氣氧化劑,例如:臭氧(O3)和氫氧自由基。

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這顯示出臺灣的 PM2.5 跟臭氧是一體兩面的空污難題。

由於高濃度的衍生型 PM2.5 在人類肉眼來看宛若煙霧一般,再加上是由一系列光化學反應而成,因此又稱為光化學煙霧。

洛杉磯是受光化學煙霧汙染的著名案例,大英百科全書提到,光化學煙霧又可稱為洛杉磯煙霧(Los Angeles smog)。圖/photos_mweber

中研院團隊過去幾年持續在臺灣地區進行的 PM2.5 的化學特徵調查,研究顯示,衍生型 PM2.5 在細懸浮微粒污染中佔據了非常大的比例(>70%)。然而可惜的是,礙於儀器技術的關係,團隊無法在全臺灣遍布監測 PM2.5 成分的儀器。

若是想要將不同來源的 PM2.5 化學成分準確即時的分析出來,這樣的儀器造價不菲。因此周崇光表示,在光化學煙霧的議題上,大氣科學家的目標並非獲得長期連續的監測資料,而是在關鍵的幾個研究站中,致力於找出光化學煙霧的基礎理論架構和反應機制,並協助政府機關制定防制策略。

中研院 2019 年 3 月曾在高屏地區的都市區進行 PM2.5 的化學特徵調查,共取樣 8 個地點,平均結果如上圖。銨鹽、硝酸鹽、硫酸鹽和有機微粒這些衍生型 PM2.5 的比例佔了七成以上,可看到都市區的硝酸鹽和有機微粒的比例有明顯增加。圖/研之有物

就在臺中!全臺第一座都市空氣污染研究站

為了釐清城市臭氧和 PM2.5 濃度變異的物理化學機制,中央研究院環變中心底下的空氣品質專題中心於 2021 年底,在臺中建立了全臺第一座整合都市氣象學和大氣化學的研究站,是國內目前最完整的大氣物理化學監測站。

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在這個研究站中,大氣科學家除了可以即時監測 PM2.5 的濃度,也可以掌握懸浮微粒的化學成分,包括量測揮發性有機物、二氧化氮、二氧化硫、一氧化氮、臭氧等微粒前驅污染物的濃度變化,藉此釐清都市空品的關鍵因子,協助研擬污染防制策略。

然而,為什麼要將研究站設立在臺中呢?周崇光表示,「無論是人口、能源、地理位置,還是大氣科學的角度,臺中均有著特殊的價值和意義」。

在空氣品質不佳的中西部之中,臺中不僅是人口數最多的都市,地理位置也讓臺中的邊界層條件具有相當高的複雜性,若能破解臺中盆地大氣環流的詳細機制,將對都市氣象學帶來可觀的突破,而臺中火力發電廠的污染和牽涉的能源議題,更是國內社會相當關注的重要焦點,因此,中研院空品專題中心最終決定將研究站設立於臺中。

中研院空品專題中心預計在三年後(2025 年),於臺中研究站取得第一階段的經驗和資料,隨後延伸應用至臺灣的其他城市,希望能透過學術研究與各單位協作逐步解決都市空氣品質的問題,突破當前空氣污染防制的瓶頸。

中央研究院空氣品質專題中心於 2021 年底,在臺中建立了全臺第一座都市空氣污染研究站,希望找出臺灣都市區空氣品質的關鍵因子。圖/周崇光
研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook