農業廢棄物再生:智能感測與淨化工業廢水之研究

 

刊登日期:2020/11/30
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賴思年、陳俞綮、吳志明/清華大學材料系;呂奇明、蘇育央/工研院材化所
引言
科技研究始終離不開材料的選用,而環保意識的抬頭,則促使「永續發展」成為世界未來科技發展之主要策略綱領。基於此理念,滿足當代的需求並且不危害未來世代更顯得重要。本研究將鎖定環保材料與替代能源的開發,選用生物相容性材料作為研究母材。稻米為東方人的主要飲食習慣,因此水稻的種植在農業中佔有相當大的比例,稻殼即為主要廢棄物之一,佔了整體重量的五分之一,與同為廢棄物卻可以作為燃料再利用的稻稈相比,稻殼的體積龐大又占空間,不論儲存或運輸都會再帶來額外的處理成本。然而,稻殼含有大量高純度(20 ~ 30 %) 的二氧化矽(Rice husk SiO2; RHSiO2)並保有極其特殊的天然多孔形貌,只需要透過適當的處理便可成為非常有潛力的科研材料。
 
近年來智慧產品的市場飛速發展;從手機、手錶、汽車,甚至檯燈或空調等等的家電紛紛導入了智能元素,尤其隨著5G網路的發展,物聯網(Internet of Thing; IoT) 概念逐漸受到人們關注。其概念為藉由感測端接收與收集環境或外力給予的訊號,透過無線訊號傳輸整合進入遠端伺服器,最後藉由人機介面,讓使用者及時得到量化訊息,以達到監控與控管的目的。為了同時兼顧環境保護的目標,本研究特別採用回收農業廢棄物-稻殼,製備成摩擦式奈米發電機,將機械能轉變成電能訊號的能力,並設計成自供電機械力感測器,以達到循環經濟與減少生產汙染及電能消耗的目標;此外,現今紡織、皮革和造紙工業的快速發展,染料成為了廢水污染中最重要的污染物之一,酸鹼性、高化學需氧量(Chemical Oxygen Demand; COD)、高揮發性懸浮固體物 (Volatile Suspended Solids; VSS)以及大量懸浮固體物等特性亦為汙水處理難以克服的議題。全球每年所生產之染料種類將近10,000種,染料產量超過700,000公噸,物理吸附處理法是最為常見且快速的方法之一,利用多孔性吸附材料將水中汙染物透過凡德瓦爾力或靜電力吸附於表面,可達到去除之效果。因此,延續所選用材料RHSiO2,應用在常見的工業染料羅丹明B (Rhodamine B; RB) 的處理上擁有極佳的處理效率,同時達到了農廢再利用以及循環經濟的雙贏目標。
 
所謂摩擦式奈米發電機即為利用兩者具有不同電負度之材料進行摩擦,過程中電負度大之材料容易吸引電子,並令自身捕捉電子帶負電荷;反之電負度小的材料容易釋放電子令自身帶正電荷,而經過反覆摩擦的過程中,將於兩摩擦層背電極外電路之間形成連續的感應交流電路,本研究於第一部分,感測器開發結果顯示,當RHSiO2 與RHSiO2 - F (FOTS) 進行感應時,其達到最優化之電荷輸出效果(250mW/m2),並將RHSiO2 - F (FOTS)粉末封裝於石英盒當中,利用阻水/耐高溫之高分子塑料阻擋水氣,隨後對其設計電極以收集電荷(如圖一所示),而最終結果表現出此自供電震動感測器具有高敏感度與高穩定性,並克服了傳統TENG元件於高濕溫環境運作的困難;第二部分則利用RHSiO2 特殊的多孔結構與高比表面積特性,應用於工業染料RB物理吸附暨工業廢水淨化實驗,僅僅20min即達成吸附90 %相當優異的效果。
 
實驗步驟
本研究將實驗步驟分為以下5個部分,分別為:①稻殼粉末純化:為了得到高純度的RHSiO2粉末,首先將生稻殼材料浸於純鹽酸中2.5小時,藉以除去其內部之鉀離子(K+)、鈉離子(Na+)等天然金屬離子。接著,將粉末濾洗以完全除去殘餘鹽酸,並置於高溫管型爐中,以700°C持續3小時的高溫熱處理,自然冷卻至室溫後,即可得到高純度RHSiO2粉末;②高分子長鏈表面改質:將RHSiO2粉末浸於含2wt %各式長鏈高分子之酒精溶液中,並加熱至70°C持續3個小時,將其鍵結於RHSiO2表面,接著由水接觸角、XPS、KPFM等分析,以界定其表面改質之成分與物理性質;③摩擦式奈米發電機輸出分析:以PET(Polyethylene terephthalate) 作為基板,藉由---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖一、稻殼材料純化與改質流程示意圖
圖一、稻殼材料純化與改質流程示意圖

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