｜光電廢棄物粉末資源化製造技術

摘要：中孔洞二氧化矽因其有高比表面積、高孔徑大小、高抗熱性與反覆再生能力，目前逐漸取代沸石與活性碳應用至二氧化碳控制。不過該類型材料價格昂貴且其製造過程亦較費時費能，產物取得較沸石與活性碳困難，故此，目前應用於二氧化碳控制之研究不若傳統沸石與活性碳廣泛。

為節省傳統奈米材料合成時所需高額化學材料成本，本研究利用TFT-LCD光電面版廠所產生之二氧化矽粉末廢棄物做為奈米孔徑材料合成之前驅物。由光電廢棄物萃取之無機矽源上澄液經由水熱法，製造類似於中孔洞SBA-15之材料，此類中孔洞材料由於合成時所使用之三崁式界面活性劑P123為中性，相對於合成M41S所使用之陽離子型界面活性劑（CTAB）不僅在價格上較便宜外，在環境汙染程度上也相對較低。研究結果發現以SiO₂: 0.02P123: 263H₂O: 16.2NaOH: 2.22 H₂SO₄可合成得到較佳之中孔洞材料WP-Nano-0.02，其比表面積為661 cm²/g、孔洞大小為9.1 nm及孔洞體積為1.5 cm³/g，而由氮氣吸脫附曲線及TEM之鑑定，更確認其為中孔洞吸附材；而於二氧化碳測試後，其在特定條件下之CO₂吸附量為80 mg/g，較利用化學品所得到之SBA-15及MCM-41之吸附量還高。在價錢成本估算部分中，使用廢棄粉末合成之WP-Nano-0.02相較於使用化學品合成SBA-15-0.02可節省約40 %的價錢，更僅為使用化學品合成MCM-41之四分之一的價錢。如此本研究所製得之奈米材料即可大量製造，並應用於捕獲CO₂溫室氣體上。綜合成本考量和後端二氧化碳應用，使用此材料在未來二氧化碳捕捉的應用上具有前瞻性

Abstract: Mesoporous silica materials with high surface area, large pore size and large pore volume are considered as good candidates for CO₂ capture. However, the requirements of tedious processing time and expensive manufacture costs strongly limited their applications. In this study, the extraction of sodium silicate from photonic industrial waste powder was firstly carried out via room-temperature alkali method. The obtained silicate supernatant was further utilized to replace the commercial chemicals as the silica source via either hydrothermal method or aerosol-assisted approach to synthesize mesoporous silicas. Nonionic surfactant of P123 was employed as structure-directing agents since they are more environmental friendly and cheaper than that of cationic surfactant, CTAB.

The results showed that mesoporous silicas, WP-Nano a can be successfully synthesized using photonic industrial waste powder as the silica source. It was confirmed that WP-Nano-0.02 with surface area of 661 cm²/g, pore size of 9.1 nm and pore volume of 1.5 cm³/g exhibited CO₂ adsorption capacity of 80 mg/g adsorbent, which is higher than that of SBA-15 and MCM-41 synthesized from commercial chemicals. In addition, the price of the obtained WP-Nano material is 40% lower than that of SBA-15 and 75 % lower than that of MCM-41. Consequently, the mesoporous silicas with high adsorption capacity and low manufacture costs are expected to be promising adsorbent for CO₂ capture.

關鍵詞：二氧化碳捕獲、中孔洞二氧化矽、光電廢棄物回收

Keywords：CO₂ capture, Mesoporous silica materials, Potonic industrial waste powder

前言
隨著全球資源越來越有限，以及氣候變遷等問題日益彰顯，“環境”與“能源”這兩大議題預期將越來越被重視。對我國而言，高科技產業一直以來是我國的重要產業命脈，但是其所衍生出的廢棄物問題一直困擾著高科技產業界。依據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，我國光電TFT-LCD製造業於96年度廢棄物總產生量為140,280公噸，而其中單僅一個工廠之SiO₂粉末廢棄物之每年產量就可達180公噸以上。此外SiO₂粉末廢棄物不僅在光電產業隨處可見，其也是半導體產業與新興能源產業中常見之廢棄物，由於SiO₂粉末廢棄物質輕難以運送處置，加上日益有限的廢棄處置場址與處置方法，使得此類廢棄物問題更顯嚴重。

而另一項備受矚目之議題為溫室氣體造成之氣候變遷，根據統計，溫室氣體主要包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氟氫碳化物、全氟碳化物及六氟化硫，其中又以二氧化碳對溫室效應之整體貢獻最大[1]。儘管隨著京都議定書正式生效，二氧化碳捕獲及封存技術2005年被聯合國之IPCC組織評估為可行之方式之一，而由文獻資料中[2-5]顯示，吸收、吸附與薄膜三大類型捕獲技術為目前常用之捕獲方法，其中最為成熟之醇胺吸收技術也仍有成本與耗能均高之缺點，因此二氧化碳吸附與薄膜技術之研究，其應用之效益可能日益增大。而文獻當中，最常用來作為吸附材之中孔洞材料以M41S和SBA-n[6]家族為主，但因其合成M41S材料需用及烷基類界面活性劑，此類界面活性劑價格昂貴又會對環境造成負面影響。

綜觀以上兩項重大議題及經濟成本考量，在未來新材料之開發上，若能以廢棄物資源化為宗旨，使用便宜且對環境友善之非離子型界面活性劑來進行中孔洞氧化矽材之合成，並以光電廢棄物純化獲得之矽酸鹽前驅物合成中孔洞材料，以減少廢棄物之處理問題；同時，將合成之中孔洞材料進行二氧化碳氣體吸附，以增加其附加價值。

目前文獻上所使用之含矽源廢棄物僅涵蓋火力發電廠底灰[7]、火力發電廠飛灰[8-10]、稻殼穀灰[11-14]製備MCM-41、MCM-48、SBA-15及SBA-16中孔洞二氧化矽材料；然而卻尚未見以光電廠廢棄粉末搭配低溫萃取出來之矽源作為類SBA-15中孔洞材料之合成方法來製備中孔洞二氧化矽。因此本研究將首度嘗試以萃取得之無基矽酸鈉取代傳統商用矽源作為矽源前驅物，藉此探討此使用光電廠廢棄二氧化矽粉末，經過低溫萃取之後，將萃取後所得之高純度矽源上澄液進行後續之中孔洞材料合成之可行性。