蔡振章 / 高雄大學應用化學系
本文介紹循環經濟下之沸石合成技術，藉由廢棄物資源化觀念，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，本文亦兼談研發策略分析，闡述提升研發計畫成功率的關鍵手法。
【內文精選】
沸石介紹
沸石又稱為分子篩(Molecular Sieve)，為氧化矽[Si(OH)4]與氧化鋁[Al(OH)4]-四面體組成之結晶型構造，其結構式為An+x/n[AlmSi12O2m+24]m-，形成特定之骨架結構。參考圖一，其中，四面體稱為一級結構，氧化鋁四面體為一種帶負電原子團，而氧化矽四面體會多於氧化鋁四面體，矽/鋁原子比值永遠大於1.0。沸石所形成之無機高分子，由二級與三級結構所構成。骨架結構帶有負電荷，擁有陽離子An+來平衡電荷，因此，骨架結構具有陽離子交換能力，可用來交換硬水中之鈣、鎂離子，為一種優越之水質軟化劑與水處理劑。
圖一、沸石種類之孔洞結構（一級、二級、三級結構）
LTA沸石是第一個商業化成功應用的合成沸石，其廣泛作為洗衣粉的添加劑，以改良水質、提升洗淨效率；作為吸水乾燥劑，更是大量應用於各行各業。沸石結構中的陽離子可被不同陽離子交換，分別交換鉀、鈉或鈣離子，即是3A、4A或5A沸石，具有不同之吸附性質。
以廢棄物資源化方法生產沸石
藉由循環再生概念，多種工業廢物可以應用到沸石合成(Zeolite Synthesis)程序，作為鋁源或矽源。以廢棄物為料源合成沸石，有多項實務問題需要評估，其中關鍵性議題在於需要克服廢棄物反應活性偏低問題。目前已知各項可行方案，大都採用兩段處理法，第一段先對廢棄物進行前處理，再進行第二段水熱反應長晶。廢棄物各項化學前處理方法全部採取酸/鹼前處理法，整理如表二，分述如下。
表二、各項廢棄物採用之化學前處理方法彙總表
資源化技術開發策略管理
在資源化技術開發策略管理的原理上，循環經濟(Circular Economy)可以將資源再利用，減少廢棄物，皆有利於產業經濟，獲取營運績效。但廢棄物再利用途徑，卻有一些流程項目會提高生產成本，阻礙技術開發。一般皆需要藉由優勢技術突破其中的成本限制，才得以有機會實現循環經濟理想，採收技術開發之果實。我們以沸石合成為例，來比較(a)、(b)兩種製程之競爭態勢，兼談產業技術研發手法。我們將製程(a)定義為化學級原料之水熱合成反應；製程(b)則使用廢棄物原料(Waste Precursors)。進一步定義兩種製程所製造之沸石產品皆需達到相同之沸石產品規範。在該種定義之下，製造利益可以表示為：
製造利益＝ 產品價格P－[原料成本R＋操作成本L＋操作成本H＋廢棄物處理成本W]
依據該項計算式，兩項製程之產品相同，兩者製造競爭力取決於原料成本、操作成本與廢棄物處理成本。對於製程(b)而言，採用廢棄物作為原料，可以大幅降低原料成本，但是必須付出額外的廢棄物前處理費用與可能之廢棄物處理成本（由於廢棄物原料內含有大量雜質與劣質原料品質）。另外，廢棄物原料之水熱反應性較低，其反應速率較低，可能導致反應時間變長、反應溫度變高等不利狀況，更遑論廢棄物原料可能導致沸石晶相變差或產品品質劣化等問題。上述所列各種不利影響需要依賴優越之前處理效能來克服，有賴於前處理技術、水熱反應技術等技術創新，才得以收到循環經濟利益。依據筆者的經驗，下列幾種研發手法有利於技術開發成功率，說明如下…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》421期，更多資料請見下方附檔。