目 錄 目 錄.. 1 一 研 究 背 景 與 動 機.. 2 二 作 品 簡 介 實 驗 裝 置 太 陽 能 聚 光 器 光 纖 反 應 器.. 7 三 實 驗 步 驟 聚 光 器 集 強 度 測 試 光 觸 媒 製

作 品 企 劃 書 Solar aquacleaner

目 錄 目 錄.. 1 一 研 究 背 景 與 動 機.. 2 二 作 品 簡 介.. 5 2-1 實 驗 裝 置.. 5 2-2 太 陽 能 聚 光 器.. 5 2-3 光 纖 反 應 器.. 7 三 實 驗 步 驟.. 9 3-1 聚 光 器 集 強 度 測 試.. 9 3-2 光 觸 媒 製 備 與 覆 膜.. 10 3-3 光 觸 媒 分 解 酚 實 驗.. 11 四 實 驗 結 果 與 可 行 性 分 析.. 12 五 未 來 展 望 與 對 東 元 競 賽 的 期 望.. 14 六 參 考 資 料.. 15 1

一 研 究 背 景 與 動 機 任 何 產 業 發 展 都 想 要 持 續 獲 利, 因 為 持 續 獲 利 的 保 證 往 往 是 經 營 者 考 量 的 第 一 必 要 條 件, 但 是 在 這 個 重 視 綠 色 能 源 的 時 代, 產 業 除 了 思 考 要 如 何 獲 利 外 也 必 須 加 入 節 能 減 碳 的 概 念, 以 求 達 到 永 續 經 營 的 理 念 所 謂 永 續 發 展 即 任 何 發 展 必 須 要 具 備 在 滿 足 這 一 代 的 需 求 時, 不 能 減 少 滿 足 下 一 代 需 求 的 能 力, 為 了 達 成 這 項 條 件, 綠 色 能 源 是 我 們 考 慮 的 首 要 能 量 來 源, 而 在 所 有 的 綠 色 能 源 中, 太 陽 光 取 之 不 盡 用 之 不 竭 鑒 於 近 日 各 項 有 關 氣 候 變 遷 造 成 糧 食 危 機 的 報 導, 以 及 中 國 印 度 崛 起 增 加 了 肉 類 性 蛋 白 的 需 求, 使 畜 牧 養 殖 產 業 受 到 全 世 界 的 重 視 然 而 由 於 近 年 來 的 濫 捕, 自 然 的 漁 業 資 源 逐 漸 枯 竭, 許 多 稀 有 的 魚 類 也 漸 漸 在 地 球 上 絕 跡, 故 人 類 在 漁 業 方 面 必 須 將 重 心 移 向 養 殖 上 面 也 是 因 為 如 此, 我 們 才 決 定 將 所 學 運 用 在 水 產 養 殖 業 上, 希 望 能 夠 盡 微 薄 之 力 讓 這 產 業 能 夠 更 加 地 永 續 化 水 產 養 殖 業, 如 同 其 他 農 漁 業, 對 水 土 資 源 也 有 密 切 的 需 求 及 依 賴 在 不 合 乎 永 續 概 念 的 經 營 下, 水 土 資 源 量 的 供 應 與 質 的 改 變 若 無 法 滿 足 產 業 的 需 求, 不 但 限 制 了 產 業 永 續 的 發 展, 甚 至 造 成 產 業 本 身 不 易 回 復 的 傷 害 同 時 也 因 水 土 資 源 未 能 有 效 利 用 或 被 誤 用 而 損 及 水 土 資 源 的 再 生 能 力, 並 對 環 境 生 態 產 生 負 面 的 衝 擊 及 潛 在 性 的 危 機, 這 些 都 已 使 得 水 產 養 殖 蒙 上 不 光 彩 的 公 共 形 象 [1,2] 對 於 養 殖 漁 業 而 言, 不 論 是 病 毒 感 染 水 源 汙 染 溫 度 控 制 等 等, 都 和 水 產 品 的 質 量 及 產 量 息 息 相 關 為 了 追 求 更 好 的 水 產 品 產 值 及 產 質, 完 善 的 水 質 品 質 控 制 是 很 重 要 的 我 們 企 圖 藉 由 光 觸 媒 能 幫 助 有 機 物 分 解 來 增 加 水 質 潔 淨 的 效 果, 也 希 望 能 引 導 太 陽 光 做 為 光 觸 媒 的 光 源 以 達 到 節 約 能 源 的 功 效 台 灣 由 於 土 地 資 源 有 限, 故 淡 水 養 殖 業 多 採 高 密 度 的 養 殖 方 式 但 是 這 種 高 密 度 的 養 殖 方 式, 會 使 得 魚 塭 中 殘 餘 的 飼 料 與 生 物 排 泄 物 量 大 增, 造 成 氨 氮 及 亞 硝 酸 氮 濃 度 明 顯 的 提 高, 導 致 養 殖 生 物 不 易 存 活 為 了 解 決 此 問 題, 業 者 須 不 斷 地 將 乾 淨 的 地 下 水 注 入 魚 塭 以 維 持 養 殖 環 境, 然 而 此 做 法 需 要 耗 費 大 量 能 源 在 抽 水 機 的 運 作 及 廢 水 的 處 理 上, 還 會 導 致 地 層 下 陷 破 壞 生 態 環 境 循 環 水 養 殖 法 是 另 一 種 養 殖 方 式, 可 以 解 決 在 高 密 度 養 殖 方 法 中, 需 要 大 量 換 水 的 缺 點 一 般 的 循 環 水 養 殖 系 統 使 用 沉 澱 池 及 物 理 過 濾 去 除 飼 料 殘 餌 及 魚 蝦 糞 便 後, 會 再 使 用 微 生 物 處 理 來 將 水 中 毒 性 較 強 之 氨 態 氮 及 磷 酸 鹽 的 去 除, 以 達 到 淨 化 水 質 的 目 的 然 而 就 微 生 物 處 理 來 說, 此 法 無 法 除 去 生 物 不 可 分 解 性 的 有 機 物 質 ( 如 酚 等 ), 而 一 般 處 理 有 機 物 質 的 方 式, 便 是 加 入 對 環 境 影 響 極 大 的 強 氧 化 物, 效 果 佳, 但 是 對 於 環 境 不 友 善 故 我 們 團 隊 期 望 可 運 用 無 毒 的 光 觸 媒, 在 陽 光 的 照 射 下, 催 化 分 解 這 些 微 生 物 無 法 處 理 的 有 機 物 質 [2,3] 2

圖 一. 農 委 會 水 產 試 驗 所 之 室 內 超 集 約 循 環 水 養 殖 系 統 [4] 在 親 身 訪 問 過 北 部 幾 家 養 殖 漁 業 者 後, 從 中 了 解 目 前 養 殖 漁 業 的 水 質 淨 化 流 程 對 於 高 密 度 養 殖 漁 業 而 言, 要 如 何 將 有 限 的 水 資 源 重 複 利 用 是 個 十 分 重 要 的 議 題 據 我 們 整 理 資 料 後 了 解, 目 前 其 水 質 淨 化 流 程 大 抵 可 分 為 物 理 ( 固 體 ) 過 濾 有 機 物 分 解 活 性 碳 吸 附 過 濾 曝 氣 調 控 PH 值 打 氣 增 加 溶 氧 量 等 等 步 驟 儘 管 各 個 養 殖 場 的 水 質 潔 淨 步 驟 順 序 略 有 不 同, 以 上 幾 個 項 目 皆 是 不 可 或 缺 的 過 濾 大 多 使 用 沉 澱 法 或 機 械 過 濾 法 去 除 懸 浮 固 體 物 質 有 機 物 分 解 則 有 許 多 各 式 各 樣 的 選 擇 : 如 以 生 物 化 學 法 凝 聚 法 物 理 化 學 法 泡 沫 法 或 微 生 物 分 解 法 處 理 之 而 後, 以 活 性 碳 吸 附 農 藥 與 色 素 接 著 再 透 過 曝 氣 使 池 中 大 小 顆 粒 沉 澱 以 及 剩 餘 的 有 機 物 分 解 在 調 控 ph 值 之 前, 有 時 候 也 會 利 用 螯 合 劑 或 離 子 交 換 樹 脂 除 去 重 金 屬 離 子 最 後 再 調 控 ph 值 及 透 過 打 氣 增 加 溶 氧 量, 使 水 質 適 合 魚 蝦 們 生 存 繁 殖, 才 回 流 到 養 殖 池 當 中 [1.2] 然 而, 台 灣 大 多 數 的 水 產 業 仍 以 抽 取 地 下 水 作 為 主 要 水 源, 將 養 殖 用 水 重 複 利 用 的 循 環 水 養 殖 法 尚 屬 少 數 儘 管 如 此, 台 灣 養 殖 漁 業 已 屬 成 熟 的 產 業 前 述 水 質 潔 淨 的 種 種 步 驟 與 重 點, 大 部 份 的 技 術 皆 已 領 先 國 際 在 眾 多 造 成 高 密 度 水 產 養 殖 難 以 發 展 的 因 素 當 中, 與 水 質 淨 化 最 相 關 的 就 是 有 機 物 的 分 解 透 過 水 中 細 菌 的 培 養 及 生 態 系 的 建 立, 往 往 能 將 生 物 可 分 解 有 機 物 順 利 分 解, 但 是, 氨 化 物 亞 硝 酸 酚 等 生 物 難 以 分 解 的 有 機 物, 就 成 為 了 高 密 度 水 產 養 殖 業 的 一 大 阻 力 於 是 我 們 團 隊 希 望 利 用 光 觸 媒, 透 過 太 陽 光 進 一 步 分 解, 達 成 永 續 經 營 節 約 能 源 的 夢 想 當 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 受 到 大 於 二 氧 化 鈦 能 隙 寬 度 能 量 的 光 線 照 射 後, 電 子 會 從 價 電 帶 躍 遷 至 導 電 帶, 因 而 產 生 電 子 - 電 洞 對 其 中 電 子 具 還 原 性, 電 洞 具 氧 化 性, 電 洞 會 和 二 氧 化 鈦 表 面 上 的 OH - 反 應 生 成 氧 化 性 很 高 的 OH 自 - 由 基, 電 子 則 會 和 氧 分 子 結 合 形 成 超 氧 離 子 ( O ), 2 活 潑 的 OH- 自 由 基 和 超 氧 離 子 會 把 有 機 物 分 解, 生 成 二 氧 化 碳 和 水, 因 而 達 到 潔 淨 效 果 [1,2,5,6] 3

圖 二. 光 觸 媒 反 應 示 意 圖 在 高 密 度 水 產 養 殖 漁 業 當 中, 水 質 的 潔 淨 與 否 即 是 該 產 業 生 存 與 獲 利 的 關 鍵, 為 了 兼 具 質 與 量, 甚 至 考 量 到 成 本 及 永 續 經 營 的 觀 念, 我 們 希 望 利 用 太 陽 光 聚 光 器 做 為 光 觸 媒 的 能 源 來 源, 不 只 是 兼 具 綠 色 能 源 生 態 保 護 及 零 污 染 等 優 點, 更 可 以 降 低 操 作 成 本 另 外, 考 量 到 商 用 觸 媒 粉 末 可 能 會 汙 染 養 殖 漁 池, 因 此 我 們 將 自 製 光 觸 媒 凝 膠 塗 佈 於 蜂 巢 式 載 體 之 中, 加 溫 鍛 燒 後, 於 蜂 巢 式 載 體 中 形 成 光 觸 媒 薄 層, 不 易 脫 落 的 光 觸 媒 薄 層 將 不 會 增 加 養 殖 池 的 固 體 懸 浮 物 含 量 在 本 創 意 研 究 計 畫 當 中, 我 們 選 定 酚 做 為 目 標 有 機 物, 希 望 能 利 用 光 分 解 反 應 降 低 其 濃 度, 在 遵 循 優 良 水 產 養 殖 場 作 業 基 準 下, 期 望 能 使 酚 的 濃 度 由 10ppm 降 至 1ppm 以 下, 符 合 地 面 水 體 分 類 及 水 質 標 準 達 到 一 級 水 產 用 水 二 級 水 產 用 水 等 用 水 標 準 [5,7,8] 在 實 驗 室 等 級 的 測 試 過 後, 希 望 能 取 用 室 內 觀 賞 魚 或 養 殖 漁 業 用 水 做 為 測 試, 更 進 一 步 的 將 此 一 技 術 發 揚 光 大 並 落 實 產 業 運 用 未 來 更 進 一 步 的 研 究 計 畫 希 望 能 具 體 降 低 養 殖 廢 水 中 的 BOD COD, 增 進 潔 淨 水 質 的 效 率 如 此 一 來, 可 以 縮 短 曝 氣 時 間 減 少 化 學 投 藥 量 及 養 菌 量, 利 用 太 陽 光 驅 動 光 觸 媒 即 可 減 少 養 殖 漁 業 用 水 中 的 有 機 物 濃 度 以 上 便 是 我 們 團 隊 的 短 期 目 標 為 了 將 這 方 面 的 技 術 有 效 地 與 現 今 養 殖 產 業 技 術 結 合, 使 得 台 灣 高 密 度 養 殖 產 業 更 進 一 步 領 先 國 際 我 們 的 長 期 目 標 便 是 尋 找 在 台 灣 的 高 密 度 養 殖 漁 業 與 其 合 作 之, 如 此 一 來, 就 可 以 更 加 確 認 本 實 驗 計 畫 的 可 行 性 及 實 用 性 4

二 作 品 簡 介 本 研 究 團 隊 的 創 意 作 品 如 下, 命 名 為 Solar aquacleaner, 意 義 為 使 用 太 陽 能 進 行 水 質 淨 化 綠 色 節 能 節 能 減 碳 是 作 品 的 核 心 概 念 以 下 為 示 範 模 型 各 部 位 詳 述 : 2-1 實 驗 裝 置 Solar aquacleaner 主 要 目 的 為 利 用 太 陽 光 分 解 養 殖 漁 業 廢 水 中 的 汙 染 物 為 了 能 將 此 循 環 的 使 用 能 源 降 至 最 低, 我 們 以 太 陽 光 源 為 動 力, 驅 動 光 觸 媒 光 催 化 反 應 因 此 我 們 設 計 出 的 實 驗 示 範 模 型, 如 圖 三 所 示, 主 要 分 為 三 部 份, 首 先 為 太 陽 光 能 集 光 器, 其 次 為 使 用 蜂 巢 式 載 體 覆 載 光 觸 媒, 並 嵌 入 光 纖 的 光 反 應 器, 最 後 是 魚 缸 ( 規 模 放 大 後 可 應 用 於 養 殖 漁 業 ) 圖 三. Solar aquacleaner 示 範 模 型 設 置 圖 (a). 太 陽 能 聚 光 器 ;(b). 光 纖 ;(c). 光 反 應 器 ( 光 觸 媒 蜂 巢 式 載 體 );(d). 魚 缸 2-2 太 陽 能 聚 光 器 太 陽 光 能 聚 光 器 是 利 用 回 收 的 市 售 碟 型 天 線 改 裝 而 成, 如 下 圖 四 圖 五 考 量 原 因 有 以 下 二 點, 第 一, 聚 光 器 材 質 為 鐵 質 鍍 鋅 ( 鐵 的 熔 點 :1538 ; 鋅 :420 )[9], 在 太 陽 光 照 的 高 溫 下, 化 學 與 熱 穩 定 性 佳 ; 第 二, 碟 型 天 線 的 焦 點 固 定 且 精 準 如 此 一 來, 便 可 集 中 光 能 於 準 確 的 焦 點, 避 免 光 在 反 射 過 程 中 的 能 量 損 失 而 在 碟 型 天 線 的 表 面 則 是 貼 上 市 售 PET 鍍 鋁 反 光 膜, 作 為 反 射 光 的 材 質 此 集 光 器 在 晴 天 進 行 光 反 射 聚 焦 實 驗, 可 於 一 分 鐘 內 將 置 於 焦 點 的 普 通 白 紙 加 熱 並 燃 燒 5

圖 四. 太 陽 能 聚 光 器 側 視 圖 圖 五. 太 陽 能 聚 光 器 前 視 圖 為 了 節 省 裝 置 使 用 之 空 間, 我 們 在 碟 型 天 線 焦 點 後 安 裝 一 個 直 徑 約 5~10 公 分 之 凹 面 鏡 ( 與 天 線 共 焦 點 ), 進 而 將 聚 焦 於 焦 點 的 光 以 平 行 主 軸 之 方 式 反 射 至 碟 型 天 線 之 凹 面 並 於 碟 型 天 線 焦 點 處 接 上 光 纖, 將 二 次 反 射 光 以 光 纖 傳 送 至 光 觸 媒 反 應 器, 太 陽 能 聚 光 器 運 作 原 理 詳 見 圖 六 6

太 陽 能 聚 光 器 在 這 個 實 驗 配 置 中 扮 演 提 供 反 應 所 需 光 源, 因 其 具 有 拋 物 面 鏡 的 結 構, 故 可 將 大 面 積 的 光 能 量 聚 焦 在 較 小 的 面 積 上, 使 得 聚 焦 處 得 到 很 高 的 能 量, 以 增 加 反 應 速 率 並 達 到 節 省 能 源 的 效 果 圖 六. 太 陽 能 聚 光 器 運 作 原 理 2-3 光 纖 反 應 器 蜂 巢 式 光 纖 反 應 器 是 整 個 作 品 的 核 心 要 件 蜂 巢 式 載 體 為 陶 瓷 材 質, 形 狀 為 圓 柱 狀, 長 5cm, 直 徑 4cm, 孔 徑 2mm, 用 來 作 為 光 觸 媒 的 載 體, 同 時 也 是 去 除 水 中 汙 染 物 的 主 要 反 應 處, 如 以 下 圖 七 至 九 我 們 將 載 體 浸 泡 在 光 觸 媒 ( 二 氧 化 鈦 ) 溶 液 中, 再 放 入 高 溫 鍛 燒 爐 鍛 燒 製 成, 之 後 光 觸 媒 可 以 在 載 體 表 面 形 成 薄 層 為 了 延 長 光 在 載 體 通 道 中 的 路 徑, 本 研 究 使 用 材 質 為 PMMA(Polymethylmethacrylate) 的 光 纖, 嵌 入 載 體 中 若 無 嵌 入 光 纖, 光 只 能 照 射 到 載 體 通 道 內 的 前 段, 中 後 段 光 觸 媒 會 因 為 無 法 照 到 光 而 不 能 進 行 反 應 相 反 地, 若 是 在 載 體 中 嵌 入 光 纖, 可 使 光 線 照 亮 整 個 通 道, 讓 中 後 段 的 光 觸 媒 也 能 和 欲 去 除 之 汙 染 物 進 行 反 應 選 擇 蜂 巢 式 載 體 是 因 為 流 體 流 經 時, 進 口 端 和 出 口 端 之 壓 力 差 小, 表 示 流 體 並 不 會 因 為 此 裝 置 造 成 太 多 的 摩 擦 損 失, 所 以 馬 達 不 需 消 耗 太 多 能 量 來 運 輸 流 體, 故 可 節 省 能 源 而 且 因 為 蜂 巢 式 載 體 為 多 孔 性 構 造, 故 可 增 加 反 應 的 表 面 積, 以 增 加 分 解 汙 染 物 的 速 率 4cm 5cm 圖 七. 蜂 巢 式 載 體 側 視 圖 7

4cm 圖 八. 蜂 巢 式 載 體 前 視 圖 圖 九. 蜂 巢 式 載 體 實 照 因 為 想 將 此 裝 置 應 用 於 高 密 度 養 殖 漁 業, 所 以 設 置 魚 缸 養 魚 來 模 擬 由 魚 類 生 存 所 需 所 製 造 的 水 污 染 物 質, 並 架 設 外 部 循 環 裝 置 潔 淨 水 質 魚 缸 大 小 為 內 層 長 43cm, 寬 28cm, 高 30cm, 厚 度 為 0.8cm, 可 裝 載 25~30 公 升 的 水 我 們 在 循 環 系 統 中 加 入 蜂 巢 式 光 纖 反 應 器 進 行 有 機 物 光 分 解 反 應 初 步 選 定 酚 (phenol) 做 為 標 的 物, 而 後 將 魚 缸 內 未 處 理 及 處 理 過 後 的 水 分 別 進 行 檢 測, 再 進 一 步 評 估 蜂 巢 式 光 纖 反 應 器 的 效 能 優 劣 8

三 實 驗 步 驟 作 品 想 法 很 重 要, 但 是 可 行 性 也 是 很 重 要 的 一 環, 為 了 分 析 本 作 品 之 可 行 性, 本 團 隊 做 了 三 個 部 分 的 實 驗 :(1). 聚 光 器 集 光 強 度 測 試 我 們 想 知 道 我 們 自 製 的 太 陽 能 聚 光 器 是 否 真 的 可 以 聚 集 光 線, 又 光 線 強 度 會 是 多 少, 是 否 足 夠 提 供 給 我 們 的 光 反 應 器 使 用 (2). 光 觸 媒 製 備 與 覆 膜 我 們 使 用 自 製 的 光 觸 媒 溶 液, 將 光 觸 媒 覆 膜 在 蜂 巢 式 載 體 上, 其 後 使 用 X- 光 粉 末 繞 射 儀 與 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 觀 察 光 觸 媒 的 晶 相 與 覆 膜 情 形 (3). 光 觸 媒 分 解 酚 實 驗 欲 得 知 光 觸 媒 分 解 酚 的 能 力, 我 們 使 用 光 觸 媒 粉 末 與 調 配 好 的 固 定 濃 度 酚 的 溶 液, 進 行 光 反 應 以 下 為 詳 述 三 個 實 驗 的 實 驗 參 數 3-1 聚 光 器 集 光 強 度 測 試 本 團 隊 以 碟 型 天 線 ( 盤 ) 做 為 太 陽 聚 光 器 ( 如 圖 十 ), 由 肉 眼 判 斷, 碟 型 天 線 的 鋅 質 塗 層 對 可 見 光 的 反 射 不 甚 理 想, 所 以 我 們 在 天 線 凹 面 處 貼 上 反 光 材 料, 用 來 將 太 陽 光 反 射 至 拋 物 面 的 焦 點 上 而 在 反 光 材 料 的 選 擇 上, 考 慮 用 以 下 二 種 便 宜 易 取 得 的 材 料 : 市 售 鋁 箔 ( 無 黏 貼 紙 ) 與 鋁 箔 貼 紙 ; 我 們 一 開 始 使 用 鋁 箔 時, 發 現 鋁 箔 對 光 具 有 不 同 的 反 射 方 向, 較 難 以 直 接 聚 集 到 特 定 焦 點 上 接 著 使 用 鋁 箔 貼 紙 ( 如 圖 十 一 ) 做 為 反 光 材 料, 發 現 其 對 光 具 有 一 定 的 反 射 度, 且 在 晴 天 艷 陽 下 ( 上 午 十 點 到 下 午 兩 點 期 間 ), 進 行 光 反 射 聚 焦 實 驗 其 後 使 用 光 強 度 偵 測 器 (photometer) 偵 測 焦 點 處 之 光 強 度 圖 十. 碟 型 天 線 9

圖 十 一. 貼 有 鋁 箔 貼 紙 的 碟 型 天 線 3-2 光 觸 媒 製 備 與 覆 膜 TiO 2 覆 膜 溶 液 的 製 備 方 流 程 如 圖 十 二 所 示, 取 莫 耳 數 比 1:6 的 鈦 酸 四 丁 酯 (Titanium tetrabutoxide,tbot) 與 硝 酸, 將 鈦 酸 四 丁 酯 緩 緩 滴 入 0.1M 的 硝 酸 溶 液, 加 熱 至 80 o C 後 添 加 適 量 之 增 黏 劑 聚 乙 二 醇 (Polyethylene glycol,peg), 持 溫 於 80 o C 並 攪 拌 8 小 時, 使 TBOT 緩 緩 水 解 其 後 便 可 以 得 到 白 色 透 明 之 溶 液, 使 用 含 浸 塗 佈 法 (Dip coating) 將 光 觸 媒 覆 載 於 蜂 巢 式 載 體, 並 使 用 高 純 氮 將 因 毛 細 現 象 而 留 在 蜂 巢 式 載 體 孔 洞 中 之 溶 液 吹 出 後, 觸 媒 溶 液 便 會 在 載 體 表 面 上 形 成 微 米 等 級 的 觸 媒 層 含 浸 後 的 蜂 巢 式 載 體 以 80 o C 烘 乾 8 小 時 後, 用 每 分 鐘 5 o C 的 升 溫 速 度 升 溫 至 300 o C, 持 溫 3 小 時, 目 的 是 為 了 去 除 所 添 加 的 PEG 接 下 來 以 每 分 鐘 5 o C 升 溫 至 500 o C, 持 溫 3 小 時, 目 的 是 使 觸 媒 形 成 銳 鈦 礦 (anatase) 的 晶 相 藉 由 溶 液 填 滿 載 體 表 面 孔 洞 並 形 成 光 觸 媒 薄 膜 於 載 體 上, 重 複 浸 泡 與 烘 乾 鍛 燒 可 以 讓 載 體 表 面 上 覆 載 上 大 量 觸 媒 本 研 究 使 用 X- 光 粉 末 繞 射 儀 (X-ray Diffraction, XRD) 檢 測 光 觸 媒 的 晶 相 10

圖 十 二. TiO 2 溶 液 製 備 方 式 3-3 光 觸 媒 分 解 酚 實 驗 由 於 酚 紫 外 光 - 可 見 光 (UV-Vis) 光 譜 中, 在 270nm 處 有 明 顯 吸 收 波 峰, 所 以 本 實 驗 選 用 紫 外 光 - 可 見 光 光 譜 儀 (UV-visible spectrometer,varian Cary100,λ =200~800nm) 作 為 分 析 儀 器 反 應 前 均 使 用 光 譜 儀 量 測 溶 液 的 吸 收 波 峰 強 度, 讀 取 波 段 200 至 500nm, 觀 察 270nm 處 的 光 譜 吸 收 強 度, 即 可 得 知 光 觸 媒 是 否 能 將 酚 分 解 本 實 驗 調 配 濃 度 為 20ppm 的 酚 溶 液 6mL, 加 入 0.02g 的 Anatase 晶 相 的 TiO 2, 使 用 波 長 為 320 至 500nm 之 紫 外 光 照 射, 使 用 的 光 強 度 為 1.25 2.5 10W/cm 2, 照 光 時 間 為 1 小 時 11

四 實 驗 結 果 與 可 行 性 分 析 實 驗 結 果 顯 示, 單 一 蜂 巢 式 載 體 約 重 56.2 克, 經 過 覆 膜 程 序 之 後, 重 量 變 為 56.7 克, 可 得 TiO 2 覆 膜 重 量 約 為 0.5 克 使 用 X- 光 粉 末 繞 射 儀 (X-ray Diffraction, XRD) 也 發 現 光 觸 媒 均 為 Anatase 晶 相 反 應 前 酚 濃 度 為 20ppm, 在 經 過 1 小 時 光 照 強 度, 不 管 強 度 是 1.25 2.5 或 是 10W/cm 2, 反 應 後 濃 度 使 用 UV-Vis 儀 器 偵 測 均 可 發 現 酚 的 濃 度 在 偵 測 極 限 之 下, 表 光 觸 媒 用 於 分 解 酚 的 能 力 良 好 又 本 實 驗 以 自 製 聚 光 器 發 現, 在 上 午 十 點 到 下 午 兩 點 期 間, 在 焦 點 處 收 集 到 的 介 於 250nm-600nm 的 光 強 度 已 大 於 11.51 W/cm 2, 而 UVC 的 含 量 也 超 過 UVC 偵 測 器 的 偵 測 極 限 (>20mW/cm 2 ) 故 可 得 知 太 陽 能 聚 光 器 所 聚 集 的 光 強 度 是 足 夠 供 應 光 反 應 器 去 進 行 分 解 反 應 的 圖 十 三. 酚 於 紫 外 線 - 可 見 光 譜 儀 之 吸 收 波 段 根 據 現 有 資 料, 養 殖 漁 業 因 魚 病 而 造 成 的 損 害 占 總 生 產 額 的 8.3%~8.5% 而 當 魚 群 染 病 時, 常 會 投 抗 生 素 治 療, 這 方 法 的 花 費 及 殘 餘 藥 物 排 放 對 環 境 所 造 成 的 破 壞, 與 改 善 水 循 環 系 統 中 水 質 相 比 其 成 本 高 出 不 少 在 蜂 巢 式 光 纖 反 應 器 中 我 們 使 用 的 光 觸 媒 除 了 在 處 理 生 物 可 分 解 或 不 可 分 解 的 有 機 物 都 有 相 當 的 成 效, 且 具 有 殺 菌 之 功 效, 還 能 夠 提 高 水 的 品 質 外, 最 重 要 的 是 其 並 不 會 耗 費 額 外 的 能 源 亦 無 操 作 成 本, 相 當 具 有 市 場 發 展 潛 力 [10,11] 經 過 團 隊 多 次 討 論 與 修 改 後, 最 後 決 定 材 料 之 固 定 成 本 如 下 表 一 : 12

表 一 創 意 作 品 固 定 成 本 分 析 品 項 材 料 價 錢 光 觸 媒 自 製 TiO 2 ---g*- 個 *--( 元 /g)=-- 元 聚 光 器 碟 型 天 線 - 個 *---( 元 / 個 )=--- 元 蜂 巢 式 載 體 陶 瓷 製 D40X50mm 孔 徑 2mm --- 元 / 個 *-( 個 )=--- 元 四 角 孔 導 光 光 纖 ------( 元 / 個 )*-( 個 )=---------- 元 光 纖 PMMA ---(m)*----( 洞 )*--( 元 /m)=----- 元 反 光 材 料 鋁 箔 貼 紙 --- 元 / 捲 *( -- 捲 )=---- 元 總 計 ------------- 元 由 於 此 反 應 器 不 需 操 作 成 本, 單 算 其 折 舊 的 費 用, 與 投 藥 花 費 相 比 實 在 便 宜 許 多 而 單 以 目 前 選 定 的 材 料 而 言, 由 於 是 利 用 光 觸 媒 照 光 來 分 解 水 產 養 殖 汙 水 中 汙 染 物 ( 本 實 驗 以 酚 作 為 指 標 ), 以 技 術 層 面 而 言, 如 果 系 統 能 提 供 足 夠 的 光 強 度, 並 且 找 到 適 當 的 光 觸 媒, 配 合 實 驗 裝 置 的 話, 應 可 達 成 有 效 降 低 水 中 的 酚 濃 度 以 達 到 規 定 的 濃 度 之 下 在 考 慮 未 來 量 產 下, 可 以 將 佔 材 料 花 費 較 高 的 碟 型 天 線 改 成 壓 克 力 膜, 只 要 支 付 一 次 的 開 模 費 用 ( 約 ---------- 元 ) 便 能 降 低 價 格 並 且 將 實 驗 室 用 的 光 纖 換 成 較 便 宜 的 商 業 用 光 纖 的 話 將 有 機 會 將 成 本 大 幅 度 壓 低 此 外, 碟 型 天 線 在 使 用 時 須 貼 上 鋁 箔 貼 紙, 以 人 力 成 本 而 言 大 致 需 要 --- 小 時 才 可 以 仔 細 地 貼 完 全 部 表 面, 為 減 少 人 力 拼 貼 反 光 材 料 於 凹 面 膜 上 所 耗 費 的 時 間, 可 以 改 用 鋁 鍍 膜 的 方 式 以 提 高 產 量 13

五 未 來 展 望 與 對 東 元 競 賽 的 期 望 我 們 團 隊 參 與 東 元 競 賽, 是 期 望 能 將 所 發 想 的 創 意 成 品, 結 合 東 元 科 技 的 力 量, 將 節 能 減 碳 綠 色 能 源 的 創 意 設 計 發 揚 光 大, 並 進 一 步 做 國 際 化 的 交 流 在 這 個 能 源 需 求 成 長 快 速 且 環 保 議 題 越 來 越 被 重 視 的 情 況 下, 我 們 團 隊 對 於 乾 淨 能 源 的 利 用 與 環 境 的 關 懷 都 十 分 重 視 東 元 集 團 的 精 神 TECO GO ECO 也 與 我 們 的 願 景 相 同, 所 以 我 們 在 思 考 競 賽 題 目 時, 也 都 以 環 保 為 中 心 去 發 展 我 們 認 為, 除 了 期 望 東 元 競 賽 能 帶 給 我 們 好 的 影 響 以 外, 我 們 也 要 思 考 能 為 東 元 做 到 什 麼 樣 的 承 諾 因 此, 我 們 在 準 備 競 賽 過 程 中, 所 有 的 資 料 收 集 會 議 記 錄 實 驗 數 據 等 各 式 文 件, 均 上 傳 至 google 線 上 的 共 享 系 統 ( 只 有 受 邀 的 隊 員 可 以 看 見 ), 有 新 的 想 法 就 可 以 即 時 分 享, 修 改 文 件 也 直 接 線 上 修 改 即 可, 表 示 我 們 無 論 在 討 論 或 是 紀 錄 上 都 不 會 使 用 真 正 的 紙 張 我 們 對 於 作 品 的 核 心 觀 念 是 綠 色 環 保 節 能 省 碳, 這 不 僅 是 表 現 在 最 終 的 成 品 設 計 上, 在 設 計 討 論 的 過 程 中 也 都 遵 循 著 這 樣 的 觀 念 而 在 設 計 各 項 實 驗 時, 每 周 一 次 的 討 論, 也 增 進 了 隊 員 間 的 互 動 默 契 與 團 隊 合 作 的 精 神 利 用 自 製 的 聚 光 器 收 集 太 陽 能, 搭 配 光 纖 反 應 器, 用 以 淨 化 養 殖 漁 場 的 水 質, 是 我 們 的 研 究 目 標 最 後, 為 了 將 本 團 隊 的 創 意 確 實 與 現 今 養 殖 產 業 技 術 結 合, 使 得 台 灣 高 密 度 養 殖 產 業 更 進 一 步 領 先 國 際, 甚 至 解 決 未 來 糧 食 短 缺 之 問 題 我 們 會 積 極 尋 找 台 灣 的 高 密 度 養 殖 漁 業 與 其 合 作 之, 如 此 一 來, 就 可 以 更 加 確 認 本 實 驗 計 畫 的 可 行 性 及 實 用 性 除 了 用 於 台 灣 水 殖 業, 中 國 大 陸 的 水 產 養 殖 業 也 十 分 興 盛, 我 們 也 期 望 可 以 透 過 東 元 競 賽, 與 中 國 大 陸 進 行 兩 岸 科 技 的 交 流 與 互 動 14

六 參 考 資 料 1. 台 灣 地 區 水 產 養 殖 水 回 收 再 利 用 之 探 討 ; 工 研 院 能 資 所 / 陳 仁 宗 盧 文 章 徐 宏 良 2. 養 殖 產 業 之 新 契 機 循 環 水 養 殖 系 統 ; 立 德 管 理 學 院 / 林 淑 真 地 層 下 陷 防 治 服 務 團 / 陳 建 銘 3. 養 殖 漁 業 與 超 集 約 循 環 水 養 殖 工 程 ; 台 大 生 物 產 業 機 電 工 程 學 系 / 方 煒 4. 農 牧 產 業 自 動 化,http://agriauto.bime.ntu.edu.tw/Result/fish.htm 5. 因 應 日 本 實 施 藥 物 殘 留 檢 驗 新 制 宣 導 講 習 教 材 水 產 品 篇 ; 行 政 院 農 業 委 員 會 漁 業 署 ; 民 國 95 年 4 月 6. 光 觸 媒 (Photocatalyst) ; 蘇 俊 鐘 ; 民 國 92 年 7. 優 良 水 產 養 殖 場 作 業 基 準 ; 民 國 93 年 1 月 30 日 行 政 院 農 業 委 員 會 農 授 漁 字 第 0931340220 號 令, 民 國 94 年 5 月 26 日 行 政 院 農 業 委 員 會 農 授 漁 字 第 0941340555 號 令 修 正 名 稱 及 修 正 規 定 ( 原 名 稱 : 優 良 水 產 養 殖 場 設 置 基 準 ) 8. 地 面 水 體 分 類 及 水 質 標 準 ; 民 國 七 十 四 年 九 月 二 十 五 日 行 政 院 衛 生 署 衛 署 環 字 第 五 四 七 三 二 七 號 令 訂 定 發 布, 民 國 八 十 二 年 八 月 二 日 行 政 院 環 境 保 護 署 環 署 水 字 第 三 一 二 三 號 令 修 正 發 布 9. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/main_page 10. 行 政 院 農 業 委 員 會 水 產 試 驗 所 網 頁 11. 養 殖 漁 業 與 動 物 藥 品 之 使 用 http://www.360doc.com/content/10/0407/21/48454_22007475.shtml 15