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CHAPTER 9Design for Environment

研究生 羅啟榮2005/04/23

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Outline

前言 綠色化學 拆解 / 拆除的設計 包裝 案例探討

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9.1 前言 蘇畢略塗裝公司 (Superior Coating Inc.) 至力於環保工作，其成功經驗是透過大量的試驗計畫，來決定每一個製程的成品品質、對生產速率之影響、預期與工廠排放污染有關的環境品質改善以及成本等。根據生命週期評估的結果，決定改用不會產生空氣、水質或有害廢棄物之污染問題的粉末塗漆程序；此乃許多公司基於環境衝擊決定更改產計的一個例子。

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X 之設計綠色設計 (green design)

由美國國會的技術評估辦公室 (Office of Techno-

logy Assessment, OTA) 為突顯一種設計程序而創造的名詞；在此一設計程序中，一個產品的環境特質被當做設計的機會 (design opportunities) ，而不是設計的限制。

目標廢棄物的預防 (waste prevention)

較佳的物料管理 (better material management)

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X 之設計 ( 續 )

X 的意義 一家公司可以經由幾種方案減少來自製造或使用所衍生的污染量。這些方案通稱為 X 之設計(Design for X, DfX) ，其中 X 代表著任何所選定的目標。其相關用語分類如下：

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X 之設計 ( 續 )

分類 簡稱符號 說明

環境 (Environment) DfE 執行污染預防、能源效率與其他資源節 約方法，以降低產品對人體健康與環境 之衝擊 製造能力 (Make) DfM 將產品的製造需求整合，納入該工廠的 製造與組合中 拆解 (Disassembly) DfD 設計產品，使它很容易拆解並且在結束 產品之使用其組件 / 材料容易再利用 / 循 環 循環 (Recycle) DfR 設計產品，使它很容易循環回收 服務性 (Service) DfS 設計產品使它很容易組立或修理 合法性 (Contract) DfC 產品使符合所有法規要求

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本章重點環境設計 (DfE)

定義 將環境考量納入產品與製程工程設計步驟的一種措施， DfE 與生命週期評估彼此密切相關，兩者都涉及到製程的改良，以減低製程或產品本身的污染程度。

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本章重點 ( 續 ) 產品設計 一個良好的產品設計包含之各種考慮因素如下圖

所示：

產品設計

後使用 ( 解體 ) 處置

再利用

拆解

加工

物料取得使用

製造

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本章重點 ( 續 )

其他減輕污染的設計策略 綠色化學 拆解與循環設計 包裝

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9.2 綠色化學

綠色化學 (green chemistry) 也稱為友善化學 (benign chemistry) 或清潔化學 (clean chemistry) ，它是一種能減輕人類與環境風險，在合成、加工與使用化學品方面的新興化學領域。其終極目的是研發與促成實現重要工業化學物質替代性合成，以防止環境污染。

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廢棄物的來源

產生源 ─ 化學工業之化學品的製造部門使用之原料 ─ 由石油或煤碳經煉製分離之碳 氫化合物化學物質合成反應 ─ 產生大量副產品

Ex ：

A + B → C + D

反應物

反應物

主產物

副產物

★減少製程廢棄物的方法1. 使用不同的合成途徑2.找出副產物的使用方式

( 回收或再反應 )

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廢棄物的來源 ( 續 )

「總統綠色化學挑戰」計畫 本計畫由美國總統柯林頓宣布，由美國環保署的污染預防與毒性物質辦公室領導推動。其目的乃「為了資源減量所使用的化學；它包括了減少或消除來自製程的有害物質之使用或產生一包括了料、反應劑、溶劑、產物與副產物在內」。這項挑戰確認並提升下列綠色化學科技：

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廢棄物的來源 ( 續 )

1. 為符合綠色化學所採用的替代性合成途徑 (1)催化 / 生物催化 (2) 自然反應程序 (3) 更新的替代原料2. 採用替代性的反應條件以符合綠色化學的要求 (1)採用對人體健康與環境較無負面衝擊的溶劑 (2)增加反應的選擇性並降低廢棄物量與排放量3. 化學物質的設計 (1) 使其毒性較目前選用的化學物質更低 (2) 在面臨意外事故之暴露方面，本身是較安全的

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替代性合成途徑 (alternative

synthetic pathways)

在許多生產合成化學物質過程中，所遭遇的困難是來自所選用的反應途徑。藉著改變原料成反應初始物質，往往可以減少或消除掉許多不要的中間產物，也常常可以利用催化劑或生物催化劑提高產率。

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替代性合成途徑 ( 續 )

替代性原料 使用較具環境友善度的原料或是採用較有效率的利用方式，以減少所需要的原料用量。

催化 在化學製造中增加催化劑的使用在污染預防上產生了顯著的改善效果。催化劑也可以用在處理技術上，由製程或廢棄物流中除去污染物它們常常應用在NOX 與 VOCs 之去除，以改善空氣品質。

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替代性合成途徑 ( 續 )

替代性反應條件 選擇適當或使用替代之較具環境友善性質的溶劑

(solvents) ： 水溶性反應系統 (aqueous reaction system)取代

VOCs

無溶劑化學 (solventless chemistry)

離子液體 (ionic liquids)

Ex ： NaCl

超臨界流體 (supercritical fluid, SCFs)

Ex ：超臨界 CO2

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替代性合成途徑 ( 續 )

設計較安全之化學物質 綠色化學的第三類型是用新的、較不具有害性的化學物質取代有害的工業化學物質；符合安全與效用的使用原則。 構成化學毒性的基本條件

活體暴露在含該化學物質的環境中

該化學物質具有生物可用性 (bioavailability)

該化學物質本身固有的毒性

安全化學物質設計方法

減低毒性 ─ 改變其結構避免暴露途徑之接觸

結構 -活性關係 ─ 找出毒性效應與物質結構關係

退減代謝 ─ 利用去毒化代謝機制使形成無害之中間或最終產物

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一個產品所產生的主要環境問題往往是與最終處置有關的。所有投入產品製造的原料、能源與人力最後終結在垃圾掩埋場裡或是焚化爐中。而較令人擔憂的是，如果所要處置的成分是不利於環境的，可能構成對環境與人體健康上的傷害。因此我們需要在產品設計上做改變，並且增加物質循環再利用的人力。

9.3 拆解 / 拆除的設計

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循環與再利用

再利用 (reuse)

亦稱為拆解或再製造，是指在某一物品達到使用壽命後再增加其用途的做法。1. 過程 ─ 將原產品中之有價成分做收集、拆解、出售與再利用

2. 領域 ─ 不僅是物料的再利用其涵蓋了原產品設計 、材料科學、新科技與合作策略3. 拆解 ─ 是再利用的一個部分，係將原產品分解， 使其物料或成分可以應用在原有或其他的產品上4. 再製造 ─ 為拆解的一部分，係將原產品翻新

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循環與再利用 ( 續 )

循環 (recycling) 將一種回收的物質重新改變或再處理，然後用在一個新產品上。而大部分的循環發生在工廠生產製造過程中 ( 如下圖 ) ，包括未被使用之製程物質、回收溶劑、 製造過剩或不符品管等情況。

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循環與再利用 ( 續 )

輸入 製造程序 輸出

回流產品副產品空氣排放廢水固體廢棄物其他排放

原物料能源空氣水

典型工業製造流程圖

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採礦 /萃取

產品取回

產品製造

掩埋

資源

物質拆解

產品使用

產品拆解

行銷物質處理

由焚化回收能源由熱解獲得的清潔燃料

單體 /原生物質再生

製造

拆解

一個產品由原料取得到再生的生命週期圖

回收物質之再生處理

直接循環回收

組成分再製造

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循環 / 再利用的位階

減少物質含量

再利用 / 翻新組件再製造

循環物質

熱化、能源回收

掩埋

最佳

最差循環選擇方案圖

透過較佳的設計減少產品中物質的使用量

產品到達其使用壽命

不能直接再利用的產品或組件

不能再利用的物質

安全堆肥、有機物

不具價值之廢棄物

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循環的立法

德國取回法 (Take- Back Law) ─ 強制要求製造商在

產品到達使用年限時由消費者處取回所有的產品

循環回收與廢棄物管理法案 (The German Recycling and Waste Management Act) ─ 1991頒布，其應用在一個產品整個生命週期的準則，從物質離開地面一直到被回收為止，包括運輸所消耗的能源

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循環的立法 ( 續 )

歐盟歐盟包裝及包裝廢棄物指令 (The European Union

Directive on Packaging and Packaging Waste) ─ 1994年通過，要求全部的塑膠、鋼、木材、玻璃與紙類必須回收至少 15%

雙重系統 (Dual-System or Duales System Deutschland, DSD) ─ 是一個非營利性組織，由事

業單位成立，負責收集與循環回收包裝材料及其他物質；合格的包裝材料會給予一個綠點 (Green Dot)的回收商標

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有效再利用 / 循環的需求 要使得再製造符合經濟性，產品必須設計成可輕易且快速拆解成組件的式樣，產品在設計時要具備將來要拆解開來以利循環 / 再利用的想法。

易於拆解 產品應能夠容易且迅速地拆解成各種組件，較可能再利用或再製造且容易拆解的設計也有利於使用期間的修理工作進行。基本的拆解做得愈徹底，所採用的分離步驟也就愈多。每一個分離步驟都會增加處理成本，必須衡量所回收物質的價值做適當調整。

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有效再利用 / 循環的需求 ( 續 )

組件簡化與標準化 產品應設計成容易接觸到內部的組件，因為較簡單的設計，其製造成本也較低。同時也要減少組件的形式與尺寸，也可以使得產品更容易回收。

物質辨識 物料辨識的標記工作應該有統一的標準，這個標準包括了所設計的符號要易於辨認，並且住在可以迅速觀察到的地方。它們也必須具有足夠的專屬性，以利分離、回收及循環系統與操作者適當地確認出所有的物質。

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台灣回收標誌辨識圖

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有效再利用 / 循環的需求 ( 續 )

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有效再利用 / 循環的需求 ( 續 )

使用相容的材料 回收塑膠時常常遇到的一個困難是有不同種類的塑膠混合在回收系統裡。因這些聚合物彼此的不相容，往往造成整批的回收塑膠無法使用。如果可能，設計設計者應該確定所有的材料可以輕易地分離出來，才不致在回收主要成分的塑膠時被少量不當分離的非相容塑膠污染。

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類別 名稱 簡寫 用途

1 聚乙烯對酞酸鹽 PET 蘇打汽水與水的容器、防水 包裝 2 高密度聚乙烯 HDPE 牛奶、清潔劑與食用油瓶、玩 具、塑膠袋 3 氯乙烯 / 聚氯乙烯 V /PVC 食物包裝、蔬菜油瓶、薄膜 包裝 4 低密度聚乙烯 LDPE 膠袋、縮小包裝、禮服袋 5 聚丙烯 PP 冷凍容器、某些種類的袋子、 大多數的瓶蓋、某些地毯與某 些食物包裝 6 聚乙烯 PS 用過即丟的用具、肉品包裝、 保護性的包裝 7 其他沒有回收的潛力，必須掩

埋或焚化者塑膠工業協會所定義的塑膠類別表

有效再利用 / 循環的需求 (續 )

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有效再利用 / 循環的需求 ( 續 )

材質選擇 適當選用產品的材質可以使得循環或再利用這種材質的工作變得容易許多。選擇材質應當在生命週期設計階段進行，其目標如下：(1) 將這種材料或物質對環境的衝擊減至最小，同時 又能維、產品的品質(2) 選擇容易循環的材質(3) 應選擇最廉價而又符合設計目的的材質(4) 設計人員應該選擇充足的、無毒的、未被規範的 天然物質

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拆解策略 要有效地回收有用的組件、零件或物質，應先準備詳細規劃的拆解策略。拆解的分析方法可分三階段：

第一階段 物質回收機會之可行性研究 有多少重量比例的產品可以不做棄置 初步成本分析 ─ 回收與棄置之比較 其他抵讓之考量 ─ 學習曲線、自動化、償債分 析、消費者反應、法令趨勢

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拆解策略 ( 續 )

第二階段 產生最佳化的拆解程序 組件之間的空間分布關係 個別拆解操作的特性，例如工具選用與拆解標的組 件之可接近度 組件之整合 在順向拆解操作與回收的物質量方向取得最大值

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拆解策略 ( 續 )

第三階段 拆解之最佳化 確認那些組件是經濟上可回收的，那些不具 回收經濟價值，必須送去掩埋場 確認在拆解程序中，在那一操作條件下變得不具回 收價值 確認有那些組件設計限制原本經濟可行的物質回收 工作 確認有那些組件在應用拆解設計 (DFD) 的觀念下最 具獲利性

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廢棄物交換 廢棄物交換可以幫助事業單位找到市場或廢棄物最終的使用者。廢棄物交換是一種服務，它確定生產者與副產品的市場、過剩的原生物料以其他的廢棄物料。其有下列幾項好處：(1) 產生廢棄物的事業單位可以省下處置或運棄的費

用(2) 獲得廢物料的公司可以使用較廉價的原料與包 裝，以替代較昂貴的新物料(3) 廢棄物交換也減緩資源耗竭的壓力(4) 有害之廢棄物亦可交換

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9.4 包裝

進入掩埋場的固體廢棄物佔最大部分的是包裝材料。然而，在過去的十至二十年間，由包裝所涉及的廢棄物處置問題已引起關切，且大部分的包裝材料是由可再利用或循環回收的物質所組成。減少包裝材料量的做法應使用回收的材料到包裝材，或改用更容易循環回收或生物可分解的材料並且減少包裝材料可能具有的毒性物質進入環境中。

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減少包裝量 在包裝設計上要符合污染預防的需求有兩種策略：

包裝污染預防策略

減少包裝材料量 (Reduce packaging)

物質替換 (material substitution)

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可分解包裝 透過產品或包裝的重新設計以及實施循環回收包裝材料用量上仍然有其限制，因此從事研發可分解的包裝材料之目的是為了減少其拋棄後對環境的衝擊 。 塑膠包裝材的問題 由於塑膠質量輕、成本低的特性是被大量使用的包裝材料之一，但其分解速率緩慢，且分解的副產物可能仍存在環境上的問題。目前有關可分解包裝的主要研究係集中在可生物分解的塑膠上，但至今仍未研發出真正易於分解無害之塑膠。

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產業減廢與資源化案例探討茶飲料廠

蒸煮 萃取 過濾

資源化脫水

濕茶渣 濕茶沫

封蓋殺菌調配茶葉

排放 處理 廢水 銷售

入倉

成品

資源化產品

填加料水

充填

原 料

製 程減 廢 技 術

茶飲料製程流程圖

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茶渣資源化 (1) ─ 脫水乾燥處理

茶渣資源化 (2) ─ 堆肥處理

混合 進料 脫水 茶液茶渣 茶飲料製程 茶飲料

填加料

脫水茶渣 乾燥 再處理 茶枕

破碎 混合篩分

貯存包裝

篩分茶渣 一次發酵 二次發酵

CO2 排放

有機肥料成品

豬糞尿

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茶渣資源化 (3) ─ 焚化處理

茶渣資源化 (4) ─ 熱裂解處理

茶渣資源化 (5) ─ 固化處理

焚化茶渣 高溫廢氣 電力或熱水

灰渣

廢熱回收

處理

裂解爐

研磨粉碎

破碎掺合 分選

茶渣

資源化

水泥

水泥磚

排放廢氣

瓦斯氣體

碳黑

灰渣

茶渣 壓縮 固化

事業廢棄物

案例探討 3 / 3

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謝謝指教