廢棄物資源化之多孔性吸附材

國內有學者從事將廢棄物資源化製成氧化矽基奈米孔徑材料 之研究。Wang 等人【52】首先利用稻穀飛灰做為矽源，混合氧化鈉 和含有胺基之有機物以及水後在高溫 170 ℃下進行水熱反應；其後，

以硝酸銨重複清洗樣品三遍後於高溫 750 ℃下鍛燒合成樣品沸石 ZSM-48。文獻當中並探討水熱時間對沸石 ZSM-48 結晶性強度之影 響；發現水熱時間如果高於 30 小時以上到 78 小時，能夠得到結晶性 強之 ZSM-48。此外，此研究也利用不同生質廢棄物(biowaste)前驅物 合成沸石 ZSM-5 和 ZSM-48【52】；在後續 XRD 以及 SEM/EDS 數據 可以知道使用此生質廢棄物(biowaste)合成之沸石 ZSM-5 和 ZSM-48 都有高結晶性之特質，並可以依照其矽鋁比(Si/Al)調整需要，產生不 同強度之酸性位置。但是由於沸石屬於微孔洞材料(D<2nm)，因此在 大分子催化以及諸多化學用途上會受到孔徑尺寸限制，使得微孔洞分 子篩在大分子催化上難度增大【53】。

2.8.2 廢棄物製造中孔洞材料

中孔洞矽為良好的催化劑以及吸附材的擔體，但受限於其製備所 使用的藥品以及化學品仍為昂貴，造成大量應用上的限制。另一方 面，固體廢棄物的棄置的議題一直受到廣泛的注視。若能將廢棄物資 源化，轉化為合成中孔洞材料的前驅物不僅可以降低合成中孔洞材的 成本，尚能解決固體廢棄物的處置問題，使得原本的廢棄物變為有價 值的資源。目前大宗的含矽廢棄物有以下幾項，且表 2-4 為其文獻彙 整.

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燃煤火力發電廠(Coal Combustion Power Plant)

燃煤發電所產生的電力約佔全世界的 37%，產生了 50 億噸的飛 灰(fly ash)【9】。另外底灰(bottom ash)也是燃煤火力發電廠的副產物。

這兩種廢棄物若直接進行掩埋(land fill)對於環境而言是一種危害。

雖然依照各地發電廠的飛灰或底灰其元素組成有些許的差異，然 而大致上都含有重量百分比上約 30~40%重量的矽元素以及 10~20%

重量的鋁元素。灰燼與鹼性物質如氫氧化鈉反應，可將當中的矽轉化 為可溶性矽酸鹽，用來做為合成 MCM-41【54-55】、SBA-15【55】、

SBA-16【55】等中孔洞矽材的前驅物。

稻穀灰(Rice Husk Ash)

稻穀殼是稻米研磨的副產物，全球每年產量約達一億噸。由於每 公斤的稻穀殼可以產生 1400 萬焦耳的能量，發展中的國家常以此作 為替代燃料【14】。做為燃燒發電燃料所產生的灰燼以往都是直接掩 埋，但卻會造成粒狀物飄散的問題【13】。因此若能使用高含矽量之 稻穀殼，即可大量萃取出矽源，進行中孔洞材料 MCM-41【56】、

MCM-48【56】和 SBA-15【56】等合成。

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表 2-4 使用含矽廢棄物合成中孔洞材料物化特性比較表

Silica Source

Mineral oxides compositions

Material S

(m

/g)

Pore volume

(cm

/g) D

Ref.

Coal fly ash (CFA) SiO2 65% MCM-41 740 0.42 2.3 【54】

Power plant bottom ash SiO₂ 40% MCM-41 847 0.70 4.0 【55】

SBA-15 746 1.10 8.5 【55】

SBA-16 603 0.60 8.8 【55】

Rice husk ash SiO₂ 93.2% MCM-41 1101 0.96 3.54 【56】

MCM-48 1124 0.98 3.89 【56】

SBA-15 712 0.68 5.82 【56】

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2.8.3 TFT-LCD 薄膜製程 CVD 蝕刻粉末廢棄物

台灣為一高科技產業發達之地區，而隨著資訊的快速成長，平面 顯示器產值日益增加。平面顯示器包含了以下幾種類型【57】:液晶 顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)、電漿顯示器(Plasma Display Panel, PDP)、有機電激發光顯示器(Organic- Light-Emitting Display, OLED)、真空螢光顯示器(Vacuum Fluorescent Display, VFD)、場發射 顯示器(Field Emission Display, FED)、微型顯示器(Micro Display)以及 薄膜電晶體液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display, TFT-LCD)。 工研院 IEK-IT IS 針對光電產業營運分析資料指出從 2006 到 2007 台灣平面顯示器(FPD)產業總產值成長了 37.6 %，達到 新台幣 1 兆 7501 億元，而 TFT-LCD 產業就佔了其中的 69.3 %。

TFT-LCD 為行政院兩兆雙星計畫的重點產業【58】及國家科學技術 發展重點之一【59】，而台灣在 TFT-LCD 投入的公司包括「友達光 電」、「中華映管」、「瀚孙彩晶」、「奇美電子」等【60】。

本研究所使用某光電廠 TFT-LCD 製程， 為 CVD 機台清洗所產生 的粉末廢棄物。根據廠方所提供的資料，CVD 機台所使用之反應物 包含了 SiH4、NF3和 NH3。而由經濟部工業局「工業廢棄物清除處理 與資源化輔導計畫調查」，台灣 TFT-LCD 製造業在 96 年度之廢棄物 總生產量為 140,280 公噸，其中 SiO₂粉末廢棄物在單一工廠內每年產 量可達 180 公噸以上。加上 SiO2粉末廢棄物質輕難以運送處理，加 上日益減少之廢氣處理場址和頇花費處理之經濟考量，使得此類之廢 棄物處理更顯重要。

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2.8.4 以廢棄物製造孔洞材料及其二氧化碳捕捉之相關研究

本研究針對廢棄物資源化製備多孔性吸附材料，進行二氧化碳溫 室氣體捕捉之相關研究。文獻顯示，最早利用廢棄物製造多孔材料以 吸附二氧化碳溫室氣體效應之資料為 Gray 等人在 2004 年發表之研究

【61】，其在 25 ℃、一大氣壓下，通入 10 %二氧化碳濃度進行吸附 由飛灰所製造的碳吸附材，對二氧化碳之吸附量只有 7.6 mg/g；而 Arenillas 等人【62】也進行相關研究，在操作溫度 75 ℃、一大氣壓 下，進行使用飛灰製造出之活性碳吸附材吸附二氧化碳之測試，結果 顯示可達 45 mg/g 之吸附量。而之後 Morato-Valer 學者等人【63】開 始進行另一研究，發現利用高含碳量之飛灰所製造之活性碳，經水蒸 氣活化之過程後，其可合成出 1075 m²/g 之高比表面積材料，而在後 續以胺基改質中孔洞後，發現在 70 ℃、一大氣壓下使用 99.8 %之二 氧化碳濃度有 68.6 mg/g 之吸附量。而於 2010 年時，Bhagiyalakshmi 學者等人使用稻穀灰當做矽源合成中孔洞材料 MCM-41、MCM-48 和 SBA-15，在 25 ℃、一大氣壓下進行 99.9 % CO2吸附，結果顯示，

其嫁接 TREN 有 60、70 和 50 mg/g 之吸附量，而嫁接 TEPA 有 40、

30 和 30 mg/g 的吸附量【64】。

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