5G商轉即將到來，當科技巨擘相繼推出新型5G手機、各國緊鑼密鼓布建基地台，為下個通訊時代布局的同時，全球不得不正視通訊晶片對環境的污染。
5G通訊能順利揭幕，「砷化鎵」是背後最大的功臣。「砷化鎵」的材質特性能讓電子移動速度較快，是製作手機功率放大器（PA）的晶片原料；但是其中的「砷」也是致癌、有害環境的世紀毒物，古代殺人用的砒霜就是它的化合物，烏腳病也是「砷」污染水質所導致的。在通訊晶圓的製造過程中，若未妥適處理含砷的廢水或廢油，砷就會透過風化、溶解進入地下水系統，造成污染。
在通訊時代，處理「砷」污染已是全球顯學。長期專研綠色化學方法的清華大學化學系教授凌永健研究團隊透過「濕式冶煉[1]」，將含有砷化鎵的「廢切削油」裡頭的砷分離出來，處理過後的「無毒切削油」可經過純化處理，變成「碳量子點」生物體內影像檢測試劑的合成原料。讓廢油變成高經濟價值產物，凌永健團隊成功點石成金，達到資源再利用的目標。
繼2017年開發「廢油」處理技術後，今年團隊再下一城，透過專利開發的複合式淨水反應試劑，經過氧化、吸附、絮凝與沈澱等步驟，將1萬ppm的廢水含砷量降到0.1ppm，達到放流水標準。目前研究團隊正持續努力，希望將氨氮、鎵等污染物也降到放流水標準。
用綠色化學法解決化學污染
投入綠色化學、促成廢棄資源再循環，並不是凌永健早期的研究主軸。1989年自美學成返國至清大任教，他從事的是「分析化學」研究，常與環保署、消基會等組織機構合作，應用質譜分析法，揪出無良排放廢棄物的廠商、黑心食品摻偽業者，不過越深入第一線，他越能感受到廠商在廢棄物處理的無奈。
凌永健解釋，環保署核照的特定廠商才能處理「有害事業廢棄物」，但每間廠商都有特定的處理量，當廠商無法消化更多廢棄物時，半導體廠只能將高污染的砷廢棄物暫放工廠，一旦存放過量就會被開罰；還曾遇到廠商被勒令停工，連帶影響到iPhone的出貨。
「我們不只要看到問題，更要解決問題！」在2006年凌永健開始投入「綠色化學」的研究，為廢棄物處理打造一把再生鑰匙。
取代抗生素 用光熱殺菌更環保
1998年美國科學家Paul Anastas與John Warner提出「綠色化學」12項原則[2]，它的核心定義為減少化學方法對環境、人類健康與安全的衝擊，像是透過「光熱殺菌劑」取代化學藥物殺菌就是其中一項應用。
台灣每年有9萬人需要血液透析（俗稱洗腎），密度居全球之冠。洗腎過程涉及血液抽出體外再回流，感染風險不低。凌永健研究團隊開發綠色材質「戊二醛官能化磁性還原氧化石墨烯（MRGOGA）」作為光熱殺菌劑，MRGOGA如同一艘奈米級的航空母艦，可在輸血管內巡航，且能負載不同的捕菌和殺菌武器。
一旦血液流過MRGOGA，裡頭的金黃葡萄球菌、大腸桿菌就會被戊二醛官能基捕獲，此時再用能穿過皮膚的近紅外光雷射一照， 石墨烯溫度上升，細菌就被殺死。在使用80ppm MRGOGA、近紅外光雷射照10分鐘內，殺菌率達99% [3]。
這種方法降低了抗生素對身體、環境產生的副作用，也解決細菌抗藥性的問題。2013年研究成果便發表於美國化學學會的奈米期刊（ACS NANO），獲得近300次的高度被引用率，且獲得兩項美國專利，是利用奈米材料光熱殺菌劑取代化學殺菌劑的經典案例[4]。
流體化學法 開拓綠色化學的商轉機會
無論是對付細菌、高度致癌污染物與無人回收的廢棄物，凌永健的綠色質譜實驗室總是端得出解方，但離實際商業運轉、大規模化應用就是差一段。
凌永健坦言，實驗室能透過精密化學法，將幾毫升的污染水做到流放流水的標準；但放大到一公噸的污染水時，干擾因素增加，受熱與攪拌能否均勻、反應物的增加比例等，都會影響處理的品質。此外，能否降低廢棄物處理與再生的成本，也是廠商關注的焦點。
為了解決擴大商轉的難題，近年實驗室導入「流體化學」實驗法。有別於傳統依照實驗方式，一毫不減地加入試劑，一秒不差地掌握攪拌時間，流體化學將「化學方法」變成「連續的生產線」，按下機器按鈕，反應物與催化劑投放、液體溶解、攪拌加熱等動作通通自動開始，結束後即可取得目標結果，是化學法邁向規模化生產的開始。
「這台攪拌器昨天做好，要攝影只有一次機會，不確定它靈不靈光。」實驗室同學沒什麼把握地說，原來「讀化學的要跨行搞機械實在不容易！」「我的實驗室是問題解決導向，綠色化學必須要結合綠色工程才有應用機會！」凌永健笑著說，好在同學都樂於接受挑戰，而透過科學來解決生活問題也比較有趣。
目前實驗室正進行保麗龍回收的流體化學實驗，保麗龍如浮冰似地沈入有機溶液劑中，連串反應自動開始，藉由「磺酸化反應[5]」所得的保麗龍片溶液，烘乾後變成小顆粒，可作為吸附金屬的水質過濾劑，對半導體製程的污水處理相當有幫助。
也許，未來我們能開著一輛「化學反應處理車」到海邊，將保麗龍就地處理、再生應用。預計今年退休的凌永健，仍持續與團隊擘畫著「以廢止廢」的綠色計畫，實驗室中許多「流體化學機組」的雛形，都是滾動循環經濟的新希望。
訪談尾聲，凌永健語重心長地說，台灣目前仍著重於在生產獲利的「動脈產業」，但隨著資源日益匱乏，資源處理與再生的「靜脈產業」將越來越重要。期許政府帶頭整合學界的綠色化學法，與產業界合作推動「靜脈產業聚落」，讓研究不再紙上談兵，而有落地的可能。
註釋
[1] 利用溶劑將貴金屬融解成離子態，再利用離子交換、置換等方法從淨化液中提取金屬，來達成貴金屬回收的目的。
[2] 行政院環保署毒物及化學物質局。〈綠色化學定義及原則〉。
[3] 此處的細菌是革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌、革蘭氏陰性大腸桿菌
[4] MRGOGA進行抗菌光熱處理的圖片版權資訊 Reprinted with permission from (Graphene-Based Photothermal Agent for Rapid and Effective Killing of Bacteria. ACS Nano 2013, 7, 2, 1281–1290). Copyright (2013) American Chemical Society
[5] 利用硫酸將保麗龍（聚苯乙烯）苯環上的氫原子以磺酸官能基取代，該官能基能抓取水中的帶正電荷的離子，如銅、鎘、鉻、鎵金屬離子。
※ 全文轉載自《科技大觀園》，原文標題〈以廢止廢、點石成金 凌永健用綠色化學推動循環經濟〉
