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CHAPTER 9 Design for Environment

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  1. CHAPTER 9Design for Environment 研究生 羅啟榮 2005/04/23

  2. Outline • 前言 • 綠色化學 • 拆解 /拆除的設計 • 包裝 • 案例探討

  3. 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。

  4. 前言 2 / 7 • 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)

  5. 前言 3 / 7 • 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:

  6. 前言 4 / 7 • 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

  7. 前言 5 / 7 • 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。

  8. 前言 6 / 7 • 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: 物料取得 使用 加工 產品設計 製造 拆解 再利用 後使用(解體) 處置

  9. 前言 7 / 7 • 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

  10. 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。

  11. 綠色化學 2 /8 • 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 • ★減少製程廢棄物的方法 • 使用不同的合成途徑 • 找出副產物的使用方式(回收或再反應) 主產物 反應物 反應物 副產物

  12. 綠色化學 3 /8 • 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:

  13. 綠色化學 4 /8 • 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

  14. 綠色化學 5 / 8 • 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。

  15. 綠色化學 6 /8 • 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。

  16. 綠色化學 7 / 8 • 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

  17. 綠色化學 8 /8 • 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。 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 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

  18. 9.3拆解 /拆除的設計 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。

  19. 拆解 /拆除的設計 2 /18 • 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

  20. 拆解 /拆除的設計 3 /18 • 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。

  21. 拆解 /拆除的設計4 /18 • 循環與再利用(續) 輸出 輸入 製造程序 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

  22. 循環與再利用(續) 拆解 /拆除的設計5 /18 製造 行銷 產品製造 採礦/萃取 物質處理 直接循環回收 回收物質之再生處理 單體/原生物質再生 資源 產品使用 組成分再製造 產品取回 產品拆解 掩埋 物質拆解 拆解 由焚化回收能源 由熱解獲得的清潔燃料 一個產品由原料取得到再生的生命週期圖

  23. 拆解 /拆除的設計6 /18 透過較佳的設計減少產品中物質的使用量 最佳 • 循環 /再利用的位階 減少物質含量 再利用 /翻新組件 產品到達其使用壽命 再製造 循環物質 不能直接再利用的產品或組件 熱化、能源回收 不能再利用的物質 掩埋 安全堆肥、有機物 最差 不具價值之廢棄物 循環選擇方案圖

  24. 拆解 /拆除的設計7 /18 • 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

  25. 拆解 /拆除的設計8 /18 • 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

  26. 拆解 /拆除的設計9 /18 • 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。

  27. 拆解 /拆除的設計10 /18 • 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。

  28. 有效再利用 /循環的需求(續) 拆解 /拆除的設計11 /18 台灣回收標誌辨識圖

  29. 拆解 /拆除的設計12 /18 • 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。

  30. 有效再利用 /循環的需求(續) 拆解 /拆除的設計13 /18 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

  31. 拆解 /拆除的設計14 /18 • 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

  32. 拆解 /拆除的設計15/18 • 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

  33. 拆解 /拆除的設計16 /18 • 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

  34. 拆解 /拆除的設計17 /18 • 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

  35. 拆解 /拆除的設計18/18 • 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

  36. 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。

  37. 包裝 2 / 3 • 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: 減少包裝材料量(Reduce packaging) 包裝污染預防策略 物質替換(material substitution)

  38. 包裝 3 / 3 • 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。

  39. 產業減廢與資源化案例探討 茶飲料廠 原 料 製 程 填加料 水 減 廢 技 術 封蓋 充填 殺菌 調配 茶葉 過濾 蒸煮 萃取 成品 濕茶渣 濕茶沫 入倉 資源化產品 脫水 資源化 廢水 處理 排放 銷售 茶飲料製程流程圖

  40. 案例探討 2 / 3 脫水 茶液 茶渣 茶飲料 茶飲料製程 進料 混合 • 茶渣資源化(1) ─ 脫水乾燥處理 • 茶渣資源化(2) ─ 堆肥處理 填加料 乾燥 茶枕 脫水茶渣 再處理 豬糞尿 CO2排放 茶渣 篩分 二次發酵 破碎 混合 篩分 一次發酵 貯存 包裝 有機肥料成品

  41. 案例探討 3 / 3 廢氣 處理 排放 茶渣 電力或熱水 高溫廢氣 焚化 廢熱回收 • 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 灰渣 茶渣 裂解爐 瓦斯氣體 灰渣 粉碎 研磨 資源化 碳黑 水泥 事業廢棄物 茶渣 破碎 分選 固化 水泥磚 掺合 壓縮

  42. 謝謝指教