玻璃面板二次利用 多孔性材質過濾電鍍廢水

記者 柳翰洋、施雁珊、李明岫/採訪報導

通訊科技的進步,電視、電腦抑或是手機等電子產品,已成為人們日常無法割捨的一部分。當全球進入資訊化時代,隨著顯示器電子產品的需求提升,它們在損壞或達到使用年限後所產生的巨量液晶面板垃圾,可能於不久的未來,將會對生態環境造成負擔,埋下汙染隱憂。

 

不過幸運地是,我國工業技術研究院近來研發出獨家科技,將玻璃面板轉化為可淨化電鍍廢水的特殊奈米材質,除解決原先擔憂的廢棄物堆棄及處置問題,同時開創出新一代無毒、無汙染的電鍍廢水處理法,毫無疑問為環境保育做出極大的貢獻。

工研院團隊研發出利用玻璃面板轉化材質來過濾電鍍廢水的技術,除減少對環境的污染外,也能將廢水中的重金屬物質分離出來並使其能再度使用。照片提供/工業技術研究院

常見電鍍技術 繁榮背後藏危機

門把、水龍頭、螺帽以及汽機車零件等金屬製品,被廣泛應用於民眾的日常用品中,讓現代人的生活變得更加便利。在陽光的照射下,零件耀閃出亮眼的光澤,它們之所以會有如此美麗且金屬感的質地,是因為這些製品都經過「電鍍」的工藝過程。

「電鍍」是五金製品在製造時的常見步驟之一。工業技術研究院材化所應用化學研究員杜子邦說明,五金廠商常會製好的零件依序浸泡在含有銅、鉻或鎳等金屬離子的藥水中並通電,讓鍍件的表面產生一層金屬薄膜,以使產品達到美觀、抗氧化和防磨的功效。1950年代,因台灣五金行業的興起,電鍍需求量大幅增加,電鍍工廠開始如雨後春筍般成立,甚至在部分中部地區形成產業聚落,成功帶動當地的經濟發展。

零件上之所以會有著金屬般的光澤,是因為它們皆有經過「電鍍」的過程。照片來源/Pexels

然而在電鍍產業蓬勃且繁榮地茁長,為台灣帶來上千億收入的同時,背後高汙染問題卻使水體和土地面臨被重金屬及有害物質所侵蝕的巨大險境。

電鍍廢水非法排放 成環境重大威脅

新北市政府環境保護局於深夜突擊搜查非法排放電鍍廢水的工廠管線。照片提供/新北市政府環境保護局水質保護科

走在新北市樹林區三俊街的巷弄中,一條溝渠緊鄰著附近住宅區。往渠內探頭一看,可以發現水體顏色已變為如孔雀石般、充滿金屬光澤的淡綠色,並散發著溫熱且難以言喻的腥臭。放眼望去,該溝渠完全沒有任何生物於此棲息,裡頭只有被汙染水體所染色的廢棄垃圾。而汙染此溝渠的元兇,就是連接在溝堤上,不定時被工廠非法排出的電鍍廢水。

大約50年前,台灣「家庭工廠」的工業型態盛行,許多家庭式電鍍工廠也在此時空背景下成立。只要擁有一台電鍍槽,隱身在住宅區中的透天厝便能搖身一變成為小型電鍍工廠,再加上利潤豐厚,非法的家庭式電鍍廠就如病毒傳播般林立。根據經濟局工業局的數據顯示,統計至西元1980年,全台3314家的電鍍工廠中就有近八成皆是無營運許可的非法電鍍工廠。

不過在家庭式電鍍工廠大發利市時,它們也開始面臨電鍍廢水及藥劑的處理問題。新北市政府環境保護局水質保護科技正鄭美炎表示,傳統電鍍廢水的化學處理工法需要廣大的占地來建設相關設施,並投入大量的操作人力、工安維護和金錢。再加上排放電鍍廢水需要取得政府的合法核可,繁瑣且高成本的廢水處理流程讓部分業者選擇以投機的方式,隨意將電鍍廢水排放至鄰近於工廠的河川或是溝渠內。

新北市環保局的專員正仔細檢查著電鍍工廠的廢水排放系統是否合乎法規。照片提供/新北市政府環境保護局水質保護科

鄭美炎提到,大多數的電鍍廢水都具有強酸、強鹼性及重金屬物質,如沒按照正規處理流程,恣意排放廢水至土地或水體中,將會為其造成不可逆的環境汙染。因此水質保護科也積極去查緝電鍍廠非法排放汙水的情況,並在事後持續追蹤並進行深度調查,阻止非法排放廢水再發生,願未來台灣的下一代都能看到充滿生機且美麗的水資源環境。

只是就算合法電鍍廠使用現今最為正規的化學沉降法來處理電鍍廢水,似乎也不是最佳的解決方式。工業技術研究院材化所應用化學組副組長呂健瑋說明,沉澱過程中所產出的重金屬汙泥除難聞外,更難以被回收,只能選擇焚燒、海拋或是掩埋處置,無疑對環境造成二度傷害。當一袋袋墨綠色的汙泥被貨車載往掩埋場,令人不禁懷疑,電鍍廢水是否還能有更好的處理途徑呢?

廢棄面板重獲新生 助過濾電鍍廢水

位於彰化縣鹿港鎮的吉祥電鍍廠與工研院合作,利用玻璃面板將電鍍廢水進行過濾。照片提供/工業技術研究院

鮮豔多彩的電鍍廢水在電鍍槽內湧動著,這是每間電鍍工廠中都可見到的常見景象。但不同於其他工廠,位在彰濱工業區的吉祥電鍍廠槽內的廢水,會隨著設置管線流進數根巨大的藍色過濾器中。而在經過一段時間的過濾後,打開連接過濾器上的水龍頭,從中流淌出的居然是清澈乾淨的清水,原先廢水中的色彩與重金屬就像被施法般,完全失去蹤跡,令人嘖嘖稱奇。

而這些過濾器之所以能有如此驚人的成效,要歸功於裝於瓶內近百公斤的白色細顆粒狀晶體―由工業技術研究院新創技術所製造出的奈米多孔洞材質。奈米多孔洞材質因表面佈滿負電荷,所以能有效吸附廢水中帶有正電荷的重金屬成分,達到過濾的作用。且奈米多孔洞材質可抓捕特定的金屬分子,讓電鍍廢水中的每種重金屬皆能夠被單獨析出並二度利用,造就循環經濟。

奈米多孔洞材質能過濾出特定種類的重金屬,讓它們擁有能再度被利用的機會。照片提供/工業技術研究院

此外,奈米多孔洞材質的原料為現代民眾生活不可或缺,應用在多項電子通訊商品上的液晶玻璃面板。如何去化廢棄玻璃面板一直是台灣所遭遇的挑戰,除作為鋪設道路的水泥添加劑外,好似沒有其餘管道可利用。但奈米多孔洞材質技術的誕生,讓廢棄玻璃面板延伸出嶄新的再利用方式。

吉祥電鍍廠總經理蔡萬寶分享,過去工廠也是採取傳統的化學沉降法來處理電鍍廢水,不過考慮到該方法仍會對環境造成汙染,以及得知當時工研院正在招募一同實施奈米多孔洞材質計畫的工廠之消息,蔡萬寶認為這是一個轉型成新型態電鍍產業的絕佳機會,便答應了工研院的邀請。而現今吉祥電鍍廠因該過濾系統,除了大幅減少重金屬的排放,更將廢水過濾後重新運用,避免水資源的浪費也節省成本開銷。

 一個個破碎、被棄置的液晶玻璃面板,在工研院的研發下,幻化為能解決電鍍廢水問題的奈米多孔洞材質,重新被賦予價值。工研院將技術帶出實驗室,並推廣至多家電鍍工廠及面板製造商,不僅守護台灣環境生態,也讓台灣電鍍產業往綠色工業發展的願景得以實踐。

奈米材質多用途 循環科技達永續

由玻璃面板所製成的多孔性奈米材質除能吸附重金屬汙水外,還有許多其他的妙用。照片提供/工業技術研究院

台灣身為玻璃面板生產大國,勢必未來需面對其損壞、淘汰後所產生的大量廢棄問題。而工研院目前研發出相關技術,將廢棄的玻璃面板透過奈米孔洞化技術,在改質劑與高溫處理的工法下,轉化為特殊的奈米多孔洞材質。材質上的活性孔洞增添能夠吸收物質的表面積 ,使電鍍廢水中的重金屬可容易被吸附起來,除了避免造成污染,也讓分離的金屬物質二次利用。

奈米孔洞材質的妙用不只可以過濾廢水,還有其他多種功能用途,包括調濕、除臭、抗菌等。該材質能利用自身孔洞吸附空氣中過多的水分子,當環境中溼度過低時,水蒸氣便會從材料中釋放出來,以達到調濕的功能。

另外,如果在多孔材料上嫁接銅、鎳等過渡金屬元素,能有效撮合含有臭氣的化學物質或分子,達到吸附臭味的效果。抗菌的功能則是透過銅金屬嫁接於材質細小的孔洞上,因銅本身抗菌的特性,就可產生防止細菌滋生的功效。

製作成多孔性材質的玻璃面板來源,大多來自面板廠及市售的報廢品,目前工研院也與液晶面板廠合作,欲將該技術移轉給面板廠,讓工廠可以自行處理生產過程中產生的不良品,直接於廠內進行循環使用。此外,環保署也推動相關回收措施與政策,在法規及實質層面上,希望讓國內的廢棄物業者可以一同投入開發與研究新技術,共同解決國內面板廢品困境。

淘汰後的液晶面板原本只能透過掩埋、暫存以及焚燒的方式處理,經濟層面上沒有任何的效益外,還需另外負擔成本。從環保層面探究,面板中含有的液晶、金屬等材料,不管是進行掩埋或焚化,對環境皆有一定程度的傷害。

在工研院不懈的研究下,研發出把廢棄玻璃面板透過改質的方式,讓其華麗變身成用途極多的奈米材質,挖掘出更多的功能和價值。雖此循環技術還未被納入法規內,但在工研院與環保署共同努力下,希望能將此材質推廣至全國、甚至是全球,進而降低面板廢棄物的產生,讓面板產業可以實現綠色工業的永續願景。

工研院所研發的新創技術,讓未來的面板產業有機會能達到永續發展。照片提供/工業技術研究院

「完全回收系統」獨特技術 退役太陽能板何去何從?

台灣於千禧年開始陸續裝設太陽能光電板,光電技術及應用也逐漸普及化,越來越多的產業與能源供給,藉著光電相關產品而蓬勃發展。而聯想到光電相關產品,整齊劃一地架設在田野、海岸,甚至是屋頂上的太陽能板可說是最具代表性的產品。乾淨無汙染、省錢且安全性極高的太陽能板發電,更是現今許多人選擇的發電方式。

由台南大學綠色能源科技學系教授傅耀賢所領軍的綠能團隊,研究出能將廢棄太陽能板「完全回收」的技術,增添循環光電產業未來發展的可能性。照片提供/台灣光華雜誌

但太陽能光電板的平均壽命為20年,時至今日已差不多達到汰換的年限,接下來台灣要面臨的便是大量的太陽能板廢棄物問題。根據環保署預估,台灣在2023年將會產生約一萬公噸的太陽能板廢棄物,到了2035年,每年則會有超過十萬公噸的驚人廢棄量。更可怕的是,在2050年,廢棄光電板將會占全球垃圾量的6.7%。

原本利用太陽能光電板打造可再生能源,並促進環境永續發展是件美事。不過隨著數量眾多且結構複雜的太陽能板即將退役,其難以分解回收的特性,將在廢棄後對環境造成難以想像的汙染及負擔,與當初為保育環境而被研發出來的理念背道而馳。

由台南大學綠色能源科技學系教授傅耀賢所帶領的研究團隊,領先全球研發出太陽能光電板「完全回收系統」,在光電產業鏈中建構出新型態的循環模式,讓台灣與全球光電產業的廢棄物處理看見一線曙光。

太陽能板的組成結構。圖片提供/傅耀賢

目前市面上大約九成的太陽能電池,是採用矽晶製作的矽晶太陽能電池。接著電池會被貼上EVA材質,並封裝在玻璃與含氟背板之間,最後再於四周裝上鋁框,一塊太陽能板便就此誕生。傅耀賢表示,一塊太陽能板的重量大約為20公斤,團隊的目標是希望在一塊太陽能板廢棄後,這20公斤的材質在回收後都能重新循環使用,延續其價值並根本上解決廢棄物產生的問題。

太陽能版完全回收的技術方法。圖片提供/傅耀賢

面對太陽能板廢棄物的處理,目前歐洲等國是採取「熱裂解」的方式。簡而言之就是在缺氧狀態下進行高溫燃燒,使得物體分解成其他由較簡單分子所構成的物質。在經過熱裂解的程序後,太陽能板上的材質會被轉化為焦炭或是氣體。

然而在熱裂解太陽能板的過程中,會因燃燒而產生大量會造成臭氧層破壞的氟,如果廠商要防止氟散逸至空氣中,需要花費更多的空間及成本去建設專業機器。雖然將太陽能板熱裂解既非完全對環境無害,且無法循環利用,卻似乎也沒有更佳的處理方法,所以全球大多都還是以熱裂解來進行回收,並間接使國際間太陽能板的廢棄費用持續地提高。

太陽能板「完全回收系統」的拆解機器。照片提供/傅耀賢

「太陽能板明明是環保產業,卻無法完全回收造成汙染很可惜。」投身光電產業20餘年的傅耀賢說。因意識到太陽能板廢棄問題嚴重性,傅耀賢開始研究太陽能板的廢棄處理。在歷經漫長的研究過程後,傅耀賢與其研究團隊最終共同研發一套「完全回收系統」,製作出最新的機械設備來拆除太陽能板,以減緩對地球的傷害。

「完全回收系統」既不需要增溫也不用破壞材料間原有的特性,就可將鋁框、矽晶、玻璃、EVA與PVDF等材質分別拆除,一層層完全的保留每個部分,並達到循環利用的效益。

從舊太陽能板回收下來的EVA經過特殊處理能製成鞋子、瑜珈墊,刨下的PVDF因為本身抗酸鹼的特性,未來用途的可能性無可限量。另外,傅耀賢特別提到,太陽能板當中占比最大的玻璃,除了能成為道路鋪面的材料之一,也可以重新成為另一塊太陽能板的面料,讓玻璃持續回收再利用。

談及未來,傅耀賢與團隊已共同研究太陽能板回收五年的時間,過程中雖遭遇瓶頸卻也幸運地遇到許多貴人相助,他們希望能把太陽能板的回收技術市場化並量產至全球,幫助台灣光電產業在國際舞台上占有一席之地,更重要的是達到環境永續發展。

台灣創新的太陽能板完全回收技術得以實現,讓循環光電產業的未來更添可行性。照片提供/台灣光華雜誌

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