創新、高值、永續—光電/農業廢棄物之循環經濟案例
過去數十年，人們竭盡所能地發展工業技術以追求更舒適、便利的生活，卻忽略在開發各式各樣新穎材料或產品的同時，對環境所帶來的危害。隨著極端氣候發生的頻率越來越高，人們才意識到孕育我們的地球已滿目瘡痍，不僅人類生存的陸地堆滿垃圾，海洋亦充斥廢棄物，甚至連大氣都破了
洞。因此近幾年來，環保意識逐漸在人們心中萌芽，政府也開始推動相關環保政策，除了鼓勵一般民眾養成資源回收、節能減碳的習慣，更引導各產業由循環經濟開始邁向淨零碳排的目標。本期「循環再生的孔洞材料與應用」技術專題，主角「玻璃奈米孔洞材料」便是在這樣綠色氛圍下所誕生的創新材料。
2021年，我國遭遇56年以來最嚴重的缺水危機，讓包括產/政/學/研，均重新檢視各個產業工廠生產製程中的水資源利用狀況，節水及再生水如何在製程中實現，已成為產業未來發展的重要項目。「玻璃奈米孔洞材料於電鍍製程水循環利用之應用」報導工研院以專利奈米孔洞化技術，在回收的LCD玻璃上製造出無數個奈米大小、且具有吸附重金屬能力的孔洞，將其轉化為「玻璃奈米孔洞材料」，並應用於電鍍製程水的吸附處理。此技術不僅可將LCD玻璃轉化為高效能重金屬吸附材料進行高值再利用，更可協助電鍍產業建立更好的水資源循環方式，共同創造多方面的經濟循環新價值，達成資源永續使用之目的。
空氣品質優化可以減少黴菌、病毒等微生物所引起的疾病，並提供舒適及健康的室內環境。相較於電子類產品，開發奈米孔洞材料的機能化技術，以無耗能的自發性來調控空氣濕度及去除環境臭味，符合永續環境的理想目標。「玻璃奈米孔洞材料於空氣優化產品之應用」一文，介紹工研院材化所團隊研發表面改質與金屬嫁接技術，賦予LCD面板玻璃所製的玻璃奈米孔洞材料優異的調濕及除臭功能。此機能材料可以調控環境濕度於健康的濕度區間，並抑制黴菌生長，還具有臭味去除高達99%以上等優化空氣品質的功能。後續可應用開創玻璃奈米孔洞材料於空調產業的新興應用領域，拓展材料高值化循環，並以淨零永續的理念創造健康樂活環境。
在COVID-19的影響下，全球對抗菌相關產品的需求迅速增加，無機抗菌粉體可提供穩定且長時間的抗菌效果，並且能添加於塗料、塑膠、纖維等材料中使用，用途相當廣泛。「玻璃奈米孔洞材料之抗菌研究」介紹無機抗菌劑的市場現況、抗菌機制，以及銀、鋅、銅三種主流無機抗菌劑之最新研究，並說明工研院團隊以玻璃孔洞材料作為基材，負載金屬離子開發高效能防霉、抗菌材料的最新研究成果。研發團隊亦持續將負載銅離子的玻璃奈米孔洞材料添加至塗料、塑膠母粒、纖維等並進行測試，以期能進一步擴大玻璃奈米孔洞材料於抗菌產品的應用領域。
農業廢棄物製成的生物炭，可藉由負碳循環來減少溫室氣體的排放，目前已展現許多的環境應用。製成生物炭是一種經濟、有前景的農業廢棄物管理方法。「農業廢棄物製備生物炭於環境管理之應用」一文討論生物炭的製備方法與特性，以及製成生物炭所需之反應條件、對其物理與化學性質的作用。生物炭的獨特性質，如官能團、高比表面積、高孔隙率、優異的穩定性、金屬陽離子和礦物質的可用性、良好的陽離子交換能力，使其適用於各種環境管理的應用。文中亦探討生物炭應用於永續生態系統的機會，如土壤改良、固碳、空氣污染控制、農業廢棄物管理、水質淨化和環境管理相關之能源生產等功用。生物炭用於土壤改良對農業生態系統是有益的，亦可提高資源利用率。將農業廢棄物轉化為生物炭，可以達到永續農業和循環生物經濟之目標。
燃煤電廠排煙脫硫(FGD)廢水處理與回收技術
燃煤電廠製程中所排出的空氣污染物質在嚴格的法規要求下，須妥善移除。以SOx來說，國內電廠常以濕式洗滌方式，利用石灰將SOx轉化成石膏，其過程所排出的廢水即為排煙脫硫(FGD)廢水。排煙脫硫廢水的污染物組成，以氨氮、硝酸鹽氮、氟、硼以及微量重金屬等為主要物質。本期「發電廠排煙脫硫廢水處理」技術專題分別介紹：以經濟有效的生物硝化脫硝程序處理氨氮與硝酸鹽；依硼濃度不同，以化學氧化沉澱法與螯合劑法處理高濃度硼(>100 mg/L)、選擇性離子交換樹脂處理低濃度硼 (<100 mg/L)；以及選擇性電透析技術有效分離不同價數離子。相關技術與程序組合，均於國內發電業實際應用，學理與工程實務均可達到實際需求。由於燃煤電廠短期內仍需肩負國內電力要務，除了環境法規需要符合外，也應考量資源回收(如石灰、螯合劑、微量元素等)與水回收之效益。在資源匱乏的未來，透過新的研發與技術應用，可以確保燃煤電廠的運作並符合資源永續的目標。
國內發電廠在排煙脫硫廢水處理上，為因應環保法規對放流水氮系污染物之管制趨於嚴格，對於FGD廢水除氮技術需求與日俱增。「硝化脫氮生物處理技術應用於發電廠排煙脫硫廢水可行性與實廠案例」一文綜整國內/外燃煤發電廠排煙脫硫廢水處理程序優劣比較，檢視其法規、環境及經濟等面向所面臨的挑戰。同時，文中篩選出最適化處理程序，以國內燃煤電廠實際FGD廢水進行測試，主要針對物化處理前/後之水質對微生物所造成的影響，以及硝化脫硝系統在高導電度廢水條件下之處理可行性進行探討，並且在國內燃煤電廠進行實場驗證，為實務上可以導入工程應用的方案。
燃煤發電廠排煙脫硫廢水中，硼的去除透過化學處理方式，使用化學氧化沉澱法或螯合劑混凝法，都能有效去除主要硼污染物至40~80 mg/L，後段再以硼離子交換樹脂進行硼吸附，以達到放流水硼濃度低於5 mg/L以下之標準。「燃煤發電廠排煙脫硫廢水化學除硼程序可行性評估及實廠應用」一文研究，利用實際燃煤電廠FGD廢水進行化學處理模型廠試驗，以取得實廠操作參數，最終應用於實廠FGD廢水處理。以化學氧化沉澱法結果顯示，當pH值控制於10.5，雙氧水/鈣/硼莫爾比 3/3/1的兩段加藥操作條件下，具有較佳除硼效能，其處理後硼濃度約在90~150 mg/L範圍內；而以螯合劑混凝法操作，兩段1%加藥下，可穩定出水硼濃度<50 mg/L。在實廠應用上，透過化學氧化沉澱或螯合劑混凝整合硼離子交換樹脂，為一可行之排煙脫硫廢水除硼程序。
燃煤電廠排煙脫硫廢水除硼，因法規管制濃度需小於5 mg/L，實務應用上以除硼樹脂作為最終把關程序為建議方案。然而，除硼樹脂應用於水質複雜度高之FGD廢水在業界並無實際應用案例，因此「燃煤發電廠排煙脫硫廢水除硼樹脂可行性評估及實廠應用」針對實際FGD廢水進行相關測試，以獲得最佳之操作與處理效能。燃煤火力發電廠為因應用電需求，會進行發電量調節。由於燃煤來源多樣化，不同產區燃煤在品質上或多或少會有所差異，因此，FGD廢水本身水質、水量變異大，亟需倚重調勻池進行硼濃度調節。實務上，建議仍需維持除硼樹脂塔進流水硼濃度的範圍，才是確保除硼樹脂塔能長期穩定運轉，並且不需頻繁調整操作參數的關鍵要素。
排煙脫硫廢水主要由Ca2+、Mg2+、Na+、SO42-、Cl-及B 等離子組成，一般廢水處理方法為化學混凝法，其為針對硼離子進行化學沉降，然而沉降的穩定性受水中的離子強度影響，如常見的助凝劑為氯化鈣，而廢水中氯離子為大宗物質，容易因系統循環而累積，導致硼去除率降低。「電化學離子分離技術於電廠燃煤機組脫硫廢水資源化應用」透過電透析技術將水中氯離子利用電場分離出，即可減少水中離子強度、穩定化混處理效果，並利用單價離子交換膜僅讓一價離子通透之特性，可產出高純度氯化鈉，經由電解系統再製為可再利用之次氯酸鈉副產物，透過廢水處理系統整合，可同時達到污染物去除與有價資源循環再用之雙贏效益。
主題專欄與其他
台灣為全球半導體生產大國，一個月產生的矽晶圓廢料超過5,000噸，從矽晶棒到矽晶圓製程晶片的過程中，經過長晶、切割、拋光、清洗等步驟，在製程過程會有大量的廢棄矽晶切削邊角料、切削矽泥、氧化矽殘渣、切削油等污染物產生。在永續發展的願景下，為了能使矽資源永續發展，循環經濟專欄「循環矽材—碳化矽之開發」一文介紹廢棄矽晶回收方法、碳化矽粉末製備方法，並探討碳化矽元件應用及市場趨勢，說明循環矽材之碳化矽材料的應用潛力與未來發展。期望提升相關研發能量、培養人才、實現國內原物料之自主性，並建立產業聚落，達到循環材料之高值化目標。
「循環經濟下，淺談沸石合成技術」藉由廢棄物資源化觀念，介紹循環經濟下之沸石合成技術，利用不同之廢棄物分別作為鋁與矽原料，透過水熱反應生成不同沸石結構，藉以降低原料生產成本，創造廢棄物價值。由於廢棄物的反應活性較低、成分複雜，其中涉及之關鍵技術在於廢棄物的前處理，對廢棄物表面結構進行修飾，以提升反應活性與選擇性，進而提高沸石合成的效率。此外，本文亦兼談資源化技術之研發策略分析，闡述提升研發計畫成功率的關鍵手法。
複合材料專欄「制振奈米複合材料於機械手臂之應用」一文，探討輕量化制振奈米複合碳材於重型機器手臂之應用，包括制振材料原理與鑑定、碳纖複材制振機械手臂製作與功能量測驗證。工研院材化所開發之機械手臂結構件(2-3軸)原型品經振動衰減測試、實機動態分析、運行速度驗證，性能都有顯著提升，研究結果顯示，這項技術可提高碳纖複材之阻尼，並提高其共振頻率，有效縮短重型機械手臂運動周期，進而提高其效率與節能目的。在車用零件、高壓管件、金屬零配件加工、3C產業、五金分類/裝箱、水五金閥芯組裝整列、自動化焊接、機械元件拋光研磨等多種領域之機器人需求市場，深具發展商機。
少量多樣、產品週期短、人機共工需求高為目前產業製造方向主軸，因此，手眼協調機器人成為全球趨勢。手眼協調機器人核心技術包含自主學習AI、3D視覺能力、力量控制能力，其中3D視覺能力占機器手臂關鍵組件50%以上之產值，為市場競爭核心。國外技術受限於體積大、速度慢、調校不易，僅應用在金屬重工業。智慧感測專欄「工業級微型3D Eye-in-hand感測模組技術」報導工研院突破技術瓶頸研發手眼協調機器人之3D視覺能力，未來可標配於協作型、輕量型智慧機器人，打入電子製造、電商物流等新興潛力市場(預估未來占比90%以上)。
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