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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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紙渣、污泥搖身綠建材

賴麗秋

有一句廣告台詞這麼說:「天然的尚好」!
的確,就建築物來說,採用天然建材自然是最佳的選擇。
但是,地球只有一個,天然資源若不愛惜,終有開採殆盡的一天;
我們若要給後代子孫一個乾淨、富饒的生活環境。
利用紙渣、污泥、飛灰、爐石等廢棄物回收、再製、重生的綠建材,
這些原本無用的廢棄物,可以成為綠色城市中最美的拼圖!


傳說遠古時代有一位有巢氏,為了讓人們脫離穴居生活,於是教人構木為巢,自此人類始有了棲身之所。直至今日,遮風蔽雨的建築物,仍然是現代生活中極為重要的一環。而建材的演進,也從木桿茅草,進化至鋼筋混凝土,但是鋼筋混凝土,需要耗費大量的天然資源;在地球資源日益耗竭的情況下,開發更為環保的綠建材,也成為工研院一項重要的研究計畫。

四年前,在經濟部科專計畫支持下,工研院著手開發常溫節能的無機聚合物技術(Geopolymer),無機聚合物是綠建材的重要原料。計畫主持人,工研院南分院綠能生態中心資深研究員楊叢印博士回溯當初的發展過程時表示,製作無機聚合物時,高嶺土是其中非常重要的材料,由於無機聚合技術初始原料一定要有二氧化矽(SiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)來進行作用,高嶺土成份比例就非常適合,可以協助各材料無機聚合起來。

但台灣缺乏高嶺土資源,需要向外採購,因此研發團隊萌生一個念頭──是否可以找到得以取代高嶺土的原料?

研發團隊想到了一個方向:不論是天然或因工業生產而產生的廢棄物,日以繼夜地被製造出來,不僅破壞環境,廢棄物的處理對企業來說也是一大問題。於是他們開始進行包括飛灰、爐石、污泥等廢棄物的研究,希望可以取代高嶺土,既可以減少資源的消耗,還可以解決廢棄物問題。

不過依據內政部建築研究所綠建築標章的要求,無機聚合物的製造成分中,希望回收原料的使用比例必需占50%以上。而目前工研院已經可以將廢棄物引入的比例提升到60%,高於建築法規的要求,且就不同廢棄物的回收利用,工研院還有更優異的表現。楊叢印指出,以重量比來看,若採用飛灰為替代物,其所占的比例已可達70%;甚至製成無機聚合物粒料的紙渣污泥,後續塊材製造過程中會以水泥當膠結劑,目前技術可控制回收原料的含量超過80%都沒問題。

無機聚合技術 掌握核心配方

使用非均質的廢棄物製做成無機聚合材料,其實是極大的挑戰,因為它的化學組成十分複雜;為了增加無機聚合材料的特性與應用,必需在添加材料與比例上尋求最佳化。雖然楊叢印謙虛的表示,這個技術只是一項辛苦的粗工而已;實際上,因採用的廢棄物差異,以及在不同領域的應用,所有的再生綠建材,都必需通過各項品質檢測,因此製品的配方,必需要經過不斷的實驗、調整比例,才可得以完成;這正是工研院Geopolymer技術的核心。

楊叢印進一步指出,所有紙渣、污泥等廢棄物取得後,會先進行前處理步驟,例如:篩分、乾燥、改質等;乾燥主要是去除廢棄物所含水份,必需降至一定比例之後,方可進行配方的調製。之後視用途,進行後續的製程;如粒料產製,需要拌合適當的膠結材料,利用擠壓機擠出成型即可。如果要製成塊材,需要再拌合其他材料,如果污泥太多強度不夠,可添加飛灰,這就是複方概念。

除臭也是核心技術之一,有些紙渣或污泥因含水量高,且可能有微生物持續作用,必須進行除臭手續;除臭方法,通常採吸附及包覆的方式,最主要的就是要營造一個會抑制生物作用的環境,那麼臭味就不會再產生。

做中學的經驗累積

楊叢印指出,Geopolymer建材具有調濕機能、不易產生壁癌、防音與隔熱效果佳等優點,就特性上來說是很好的建材;如果再由環保角度看,Geopolymer建材生產過程產生的二氧化碳(CO2)只有水泥建材的一半,再循環利用的強度亦較水泥建材佳,可直接用於骨材。

利用Geopolymer技術將紙渣、污泥、飛灰等廢棄物回收再製成綠建材,可說是最符合當下環保理念,降低天然原料的使用,將廢棄物資源化,同時產製成具有競爭力的產品。內政部建築研究所自2004年開始推廣綠建材標章,再生綠建材也是其中之一,廢棄物變黃金不是口號,早已經是全球的趨勢。

至於不同的廢棄物材料可以用於那些領域,這也是研發團隊重要的Know-how。楊叢印認真的說,這真的需要同仁的經驗累積,協助做出最佳的評估。他舉例說,回收的爐碴會先破碎,就會有細粒料、粗粒料,如何適性適地的找到不同粒料的最佳應用去處,有賴研發團隊的經驗。有經驗的同仁,會先思考可以做什麼,粗粒料製成建材產品,因為粒料間縫隙大,透水性較佳,易於排水,所以適合製成透水磚,在都市應用中,如庭院就可以多採用透水磚,易於營造生態環境。

協助企業找到廢棄物的最佳應用,了解不同廢棄物特性,與發展方向,是研發團隊一定要做的功課。楊叢印指出,他們不單要專注在技術的開發,對於不同行業主要發展廠商、市場機制、產生廢棄物及市場發展趨勢等,都必需有一定的了解,才可以在廠商提出輔導需求時,給予最適切的服務。

差異化提供客製服務

以工研院研發的Geopolymer技術為核心,楊叢印自信的說,他們可以提供客戶客製化的服務;實際上,因為廢棄物成份差異與應用需求,每家尋求協助的企業,也確實需要差異的客製化服務。

以Geopolymer技術為根基,工研院便與國內某大造紙廠合作,提供紙渣污泥與無機聚合物的複合材料及製法技術協助。楊叢印指出,該紙廠每年產生的紙渣污泥高達12,000噸,雖可用於堆肥或複合肥料製做,但僅能去化少部分的紙渣,剩餘的紙渣處理成了該紙廠的大問題。

工研院協助該紙廠,提供複合材料包括紙渣污泥與無機聚合物均勻混合技術。製作方法包括以鹼液將紙渣污泥中的纖維浸潤分散,形成纖維單離漿體,再將矽酸鹽溶液與纖維單離漿體混合,形成紙渣纖維與無機聚合物前驅物的複合漿體,之後再加入高溫相富氧化鋁質粉體材料進行聚合反應,最後形成紙渣污泥與無機聚合物的複合材料。

由紙渣污泥產生的基材,具有輕質性、隔熱性、隔音性、調濕性、防火性等功能,楊叢印指出,他們採用預鑄式,製成板材,用於牆璧具有良好的隔音效果;用於屋頂,具有絕佳的隔熱功能;由於紙渣含有木纖維,因此具有很好的調濕功能,也適合於室內隔間使用。

紙渣污泥異味招致抗議

提起紙渣污泥的應用開發過程,令楊叢印印象最深刻的便是,因為紙渣污泥屬有機物,含有高水份與微生物,持續有生物作用;記得污泥取回至實驗室後,實驗過程產生臭味引來整個樓層的同仁抗議。楊叢印笑說:「真的很臭,不得已只好將實驗移到工廠做。」

還記得當時合作的廠商在北部,當時同仁必需南北兩地往返,研發關鍵時期,同仁必需密集的一週內往反2到3天;產品必須情商工廠協助製作,還必需等工廠的空檔時間,抓緊時間進行試驗。

對於廢棄物轉化綠建材,雖是趨勢,楊叢印指出,在他們與輔導廠商往來過程中發現,廢棄物再生綠建材的推廣,是廠商面臨的另一個問題。再生綠建材一樣必須通過法令規範的所有檢測,在品質上毋需質疑;因此,還需要透過更多的市場再教育,還有法令的支持,提升民眾採用的意願。

水庫污泥變身人工骨材護河川

除了與協助造紙廠進行紙渣廢棄物的再生利用,台灣的水庫、水廠污泥的處理也是Geopolymer技術可以發揮的地方。大家都知道水庫淤泥是水庫最大的殺手,台灣大小水庫有超過70座,若因上游集水區水土保持做的不佳,大量泥土沖入水庫,已經影響到水庫的使用年限。

雖然政府編列預算針對淤積嚴重水庫進行清淤,可能因為淤積嚴重,清淤速度遠遠及不上淤積速度,也可能清淤之後挖出的大量污泥,需要暫時存放地點,可能引起二度污染的疑慮。

利用工研院的Geopolymer技術,水庫、水廠污泥,同樣可以用於綠建材,尤其適合用來產製可以代替河川砂石的人工粒料或輕質骨材。不論就廢棄物的回收利用,或是環境保護角度出發,降低對河川砂石的開採,把天然的資源留給後代子孫,就值得大力推廣。

再生綠建材,就是利用回收的廢棄材料經由再製過程,且所製成的最終建材產品,符合廢棄物減量(Reduce)、再利用(Reuse)、再循環(Recycle)等原則的建材。廢棄物並非一無是處,在Geopolymer技術的發展下,可以肯定只要善加利用,廢棄物可以創造出的價值與產值,有形無形的效益,絕對比黃金更寶貴。

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