全國中小學科展

環境學科

吹的涼涼、省的多多

由於近年來,氣候的變化變非常不穩定且極端化,為了能研究出兼具節能與環保的降溫設備,此研究整合了冷凍空調原理、電子學實習、3D列印機與網路上的相關資訊,利用蒸發冷卻特性當作水冷式風扇的基礎,僅須消耗風扇的功率(約5~6瓦)即可達到降低溫度的效果。

砷汙染終結者:中藥砷汙染的生物感測器與螯合器

背景:政府以ICP-MS檢驗海關抽樣中藥材的砷汙染,耗資費時,民眾沒有工具可以預防砷中毒。目的:開發解決砷汙染的快篩和過濾工具。方法: 利用合成生物學技術,將E. coli開發為: (1)產生螢光蛋白的GFP砷汙染感測器、(2)產生肉眼可見藍色沉澱的LacZ’砷汙染感測器、(3)產生金屬硫蛋白(fMT metallothionein)的fMT砷螯合器。對E. coli進行功能測試實驗和系統生物等量性分析,並設計具生物安全性的快篩裝置。結果: GFP和LacZ’砷汙染感測器能在5和15小時內偵測As(V),前者能偵測岩精含砷,兩種感測器對鉛與銅離子沒有反應,具專一性。ICP-MS測量出fMT砷螯合器在As(V)溶液五小時後的砷螯合量。快篩裝置用的洛神花有抑菌功能。結論:生物感測器可作為砷汙染的快篩器,生物螯合器可發展成過濾器。

廢棄香灰的環境污染與再利用之研究

廢棄香灰最常見的處理方法就是未經處理就直接丟棄或倒入水溝、河川之中,本研究實驗得知,廢棄香灰導致環境水質或土壤受到污染情形嚴重,並造成植物生長遲緩甚至枯萎死亡,對環境影響極大。對於廢棄香灰的再利用,本研究分析香灰成分,經過三角座標試驗及賽格式分析,成功將廢棄香灰使用於陶瓷釉藥中,並研究成功發展出青瓷釉藥,並與宋代釉色做比較,創造經濟及藝術效益,另外,香灰釉藥的生活陶瓷用具不僅有環保意識,心靈層面上更兼具神明保佑的作用。

捕光捉影—自製光譜儀的分析與應用

市售光譜儀已搭配整合電腦分析軟體以及較小型之實驗觀測槽,確實可應用在高中課程上,例如定量未知濃度之溶液濃度以及充當秒錶反應之反應終止判斷依據,而如要測定難溶性鹽類之沉澱速率發現沉澱太快且難定義沉澱速率,但是此裝置仍可以測量沉降速率。而自製幾種光譜儀確實亦都可以拍出各光源之光譜圖,但自製目鏡光譜儀模組更可輕易拍出光譜圖,此實驗測量模組實際應用上只要搭配相機、固定光源以及電腦軟體如Tracker、Excel等,即可成功定量在不同環境下可見光光譜各波長之相對強度,進而應用於環境光譜之監測,讓我們可以盡量避免空氣中細懸浮微粒之危害。

賣油翁

現在大量運用化石燃料,易造成大量環境汙染且其存量有限,所以引發我們對生質柴油的好奇。查資料發現:其可以大幅降低柴油引擎所排放的黑煙、未燃碳氫化合物、一氧化碳、以及多環芳香烴等毒性物質。生質能符合永續經營的理念,並非僅以處理為滿足,而是把生質物資源化與能源化,兼具能源與環保雙重貢獻。因此我們設計了幾個實驗想對生質能源有進一步了解。我們利用日常生活中易取得的油品,試著用其製造生質柴油,並尋找一個比例使反應最有效率轉換,使反應能有最明顯的轉酯化效果。接著依不同油種燃燒找出最好效能的油,再改變醇與油的比,提升反應產率,並測量產出的生質柴油熱值與價格,以方便我們未來可以運用。

臺灣常見菊科植物之應用

有許多昆蟲是人類或動物疾病攜帶者的主要或中間宿主。大多數的化學驅蟲劑對環境造成嚴重損害。因此,迫切需要開發新的無污染驅蟲劑和抗微生物劑。在本次研究,我們從臺灣常見六種菊科植物中,使用蒸餾水與絕對酒精來萃取花朵和葉子的二次代謝物,並針對原核生物種:大腸桿菌(Escherichia coli-DH5α)與枯草桿菌(Bacillus subtilis)及真核生物種:果蠅分別進行抑菌實驗及驅避實驗。結果顯示本實驗挑選之菊科植物:孔雀菊、長柄菊、南美蟛蜞菊、大黃菊(壽菊)的二次代謝物確實有殺菌及驅蟲之功效。研究目的是為人類開發以植物為主的抗菌與驅蟲物質以提供健康與環保無污染的新選擇。

雞糞採礦—磷回收最佳化

磷在生活中不可或缺,而磷礦只剩下90年的含量,磷的回收對於環境的永續性有其必要。 本研究先以王水加入日本與臺灣的堆肥雞糞(CCM),使用感應耦合電漿原子發射光譜儀(ICP)測定CCM中的磷含量。以不同濃度及種類的酸進行酸溶鹼沉法的酸溶部分,將磷溶解並以ICP測定其含量,挑出最適合的酸種類及濃度。之後調整溶液pH值使磷酸鹽沉澱,找出最適合的pH值,讓Ca5(PO4)3OH的產量達到最高。 比較後,發現兩種CCM的組成元素含量不同,但費時差距不大,代表未來廠商能多方收購雞糞。酸溶實驗中,考慮HNO3(aq)帶來的氮汙染問題,最終決定以HCl(aq)為溶解用的酸。鹼沉澱的實驗中,本實驗將濾液加入CaCl2(s)使其沉澱,再溶解結晶並用ICP測其磷含量,最終日本CCM可回收92%的磷;台灣CCM回收90%的磷。

吸附金「薯」—馬鈴薯吸附重金屬

本實驗我們以馬鈴薯渣做吸附,馬鈴薯中含有澱粉、纖維素、蛋白質註1,這些成分具有可與金屬結合的活性官能基如羧基、氫氧基、胺基註2。 實驗中,我們不做化學修飾,以最簡單的方式吸附,在吸附法中,吸附的金屬種類、濃度、溫度、馬鈴薯使用的量和吸附時間,都會影響到吸附效果,所以我們以上述的條件做為實驗的變因,測量馬鈴薯渣的吸附效果,和以恆溫吸附方程式探討吸附原理。恆溫吸附法中我們以基礎化工課程內所提到的Langmuir方程式及Freundlich方程式推算出吸附原理。 在廢渣處理方面我們將廢渣放入高溫灰化爐中進行灰化後,取部分灰分在進行二次吸附以達到廢棄物再利用的目地且灰化過之灰渣不易脫附。

「氫」愛的,「ㄆㄨㄣ」把我電倒了─廚餘發電探究

現今環保意識逐漸高漲,全球各地皆不斷積極推動著生質能發電,將原本只能當作垃圾的廢棄食材變成有用的資源,既減少處理廢棄物的成本又提供新的綠色能源。而我國為達成2025年非核家園的目標,也以「再生能源發展條例」為推廣政策之法源,規劃2025年再生能源發電占比達20%,因此我們以廚餘發電為研究主題,藉由廚餘種類、改變其菌量、電極表面、反應時間、發酵時間、陰極水溶液濃度,探討各式變因對發電的影響。由研究可發現反應時間對發電影響無顯著差異;水果類發酵天數較適合為7天,鳳梨須加菌,芭樂則否;青菜類發酵天數較適合為14天,大白菜須加菌,高麗菜則否;混合組,發酵天數較適合為14天無須加菌;而電極表面(粗糙面)可幫助降低電阻來提高電功率,陰極溶液濃度越高越能提高電壓、電流,可做為日後建構廚餘發電的實際操作條件參考。

塑膠微粒對大型蚤生殖的影響

塑膠微粒常見於自然環境中,若攝入塑粒是否會對生物生存造成威脅?本研究以塑粒及小球藻餵食大型蚤(Daphnia magna),以螢光顯微鏡觀察大型蚤腸道並監測小球藻濃度以推測大型蚤攝食情形,並監測新生水蚤個體數。 研究發現大型蚤在濾食中會攝入塑膠微粒,在含0.08 mg/L塑粒的培養環境下大型蚤攝食量顯著減少。在含0.01mg/L的塑粒環境下大型蚤開始抱卵天數有延長、第一子代個體數會減少,且平均體長亦減少。若子代出生即放回無塑環境,可恢復生長情形。 在含0.01mg/L的塑粒環境下,族群大小有顯著減少且在0.08mg/L濃度下的族群在第七天全部死亡,也就是有塑環境對大型蚤生殖及生長確實造成影響。