組 別：□大專組；■研究組 隊伍名稱：調濕除污綠建材
主 題：無機廢棄物循環產製兼具調節濕度及降解甲醛的綠色塗料
摘要
隨著科技的發達，傳染病肆虐(例如COVID-19)，人們待在室內環境的時間超過80 %，導 致室內空氣淨化與濕度調整的議題備受關注。根據統計指出甲醛是最常見的室內空氣污染物，
其來源主要是家具、黏著劑、油漆等。若長期暴露於低劑量甲醛，會對人體健康帶來危害，
甚至是癌症。此外，在海島型氣候的台灣，年平均濕度高達 75%以上，進而導致黴菌滋生及 呼吸道疾病等問題產生，因此，為了追求更佳的室內生活品質，室內相對濕度的控制及空氣 污染物的降解皆被視為一大考量。目前市面上相關的調濕塗料大多是以矽藻土（珪藻土）作 為原料，而這些原料主要來自於日本進口，高成本造成這項產品無法普及大量應用。本團隊 的目標是以無機廢棄物循環產製兼具調濕及降解甲醛之綠色塗料，研究結果顯示調濕效能可
達29.20 g/m2 (相對溼度50～75%)，優於市售塗料3至4倍；在模擬室內環境中，以室內照明
降解甲醛效率高達73.40 %，淨化空氣能力優於市售塗料兩倍。
壹、動機
本研究主要針對無機污泥(ESF)及石油煉化裂解廢觸媒(sFCCC)兩種廢棄物進行再利用，
兩者為傳統產業的製程廢棄物，其以非晶型二氧化矽組成，且具有中孔結構；sFCCC具有高 比表面積、微孔多等特性，以類沸石結構作為主體。而無機性泥渣（如焚化灰渣、淨水污泥、
廢矽藻土與煤灰等）每年在台灣的產生量極大，估計至少有 550 萬噸，但每年的回收利用率 低，並因其成份以無機為主，故而無法使用焚化處理方式進行減量，所以大部分會以掩埋的 方式來處置它們。如此大量的廢棄物進入掩埋場勢必會加快掩埋場飽和的速度，若未能妥善 掩埋，甚至可能對生態環境造成嚴重的影響。因此，處理無機性泥碴類廢棄物是刻不容緩的，
本團隊將研究無機性泥碴廢棄物資源再利用並開發高質化技術，以透過簡易且低耗能之合成 技術研製具備功能性的綠建材產品，可將循環資源大量轉化成具多功能性調濕除污塗料，可 應用於調節環境溼度及潔淨室內空氣污染物，兼具快速、降解效率高、所需設備小、操作程 序簡單、能量消耗少及可利用自然光等優點。團隊研發的塗料為透過廢棄物作吸附載體，將 自製之光觸媒作為空氣淨化的功能材，並搭配其他無機礦物以製備出具有中孔(2 nm～50 nm) 結構的環保綠色塗料。其作用機制是藉由甲醛吸附於塗料表層並進行光降解，並利用材料的 多孔特性進行毛細管作用以利水氣吸脫附。後續將最佳樣品與目前市售的商業塗料進行性能 比較，以確定本研究製備的塗料具有經濟可行性且於實場應用的潛力。將廢棄資源以低耗能 方式循環成高價值之室內多功能建材，並用於提高人們居住環境品質的提升，同時減少除濕 機(冷氣)等耗電量高之家電用品的使用，產製之多功能綠色塗料在生命周期結束後又可循環 回到原料端，是兼具節能、潔淨及資源永續的綠色產品。期許此綠建材塗料能為居住空間帶 來更舒適且健康的環境品質，同時將廢棄物轉化成高價值的材料，符合資源循環的理念，為 推廣循環經濟的範例。
簡易且低耗能
循環資材 調濕除汙綠建材
再循環
貳、目的
• 能源有效運用，減少耗能產品（如除濕機及空調）的運用。
• 除去日常生活中易產生的空氣污染物。
• 藉由廢棄物循環再利用成高價值的材料，並添加光觸媒讓產品有更多功能性。
• 塗料的製備程序以簡單、低能耗等方式去生產。
• 打造健康舒適的居家環境。
參、設備及器材
藉由圖1之恆溫恆濕機調整濕度，並測量塗料之水氣吸脫附性能。而圖2之批次反應器 為模擬實際室內環境，並使用可見光進行照射，將污染物甲醛進行降解。
圖1恆溫恆濕機示意圖
圖2模擬室內環境之批次反應器
肆、過程或方法
一、製備流程
主要製備過程如圖3，首先會先將廢棄物進行前處理(如烘乾、破碎、過篩等)，並進行特 性分析，同時進行光觸媒製備，以利於後續的添加。接著進行參數的調整，本研究將分成三 大系列的配比，並將製備好的樣品進行測試與分析，最後與目前市售的塗料進行性能比較。
圖3製備流程
二、濕度性能測試
本研究將以日本產業規格(JIS)之規範進行調節濕度性能測試，主要分成 JIS-A 1470-1 中 濕度範圍（50～75%RH）及JIS-A 6909高濕度（50%～90%RH）進行效能測試。
(一) JIS-A 1470-1 吸放濕試驗
依濕度變化進行吸放濕性能測試，根據下表 1 顯示，我們採用中濕度區域進行試驗（相 對濕度範圍50～75%）。而水分吸附量（Wa）可以通過公式(1)計算，水分吸附量（Wd）可以 通過式(2)計算，水分存儲量可以通過式(3)計算。該測量結果以圖4表示，吸附過程持續24小 時，脫附過程持續24小時。
𝑊𝑊𝑎𝑎 = 𝑚𝑚𝑎𝑎−𝑚𝑚𝐴𝐴 0 式(1) 𝑊𝑊𝑑𝑑 = 𝑚𝑚𝑎𝑎−𝑚𝑚𝐴𝐴 𝑑𝑑 式(2) 𝑊𝑊 =𝑊𝑊𝑎𝑎 式(3)
表1吸放濕試驗的相對溼度設定(JIS-A 1470-1)
圖4水分吸脫附曲線 (JIS-A 1470-1)
(二) JIS-A 6909 吸放濕試驗
在高濕度範圍（50％至90％RH）下，測試水分的吸附容量。首先將乾燥的樣品（三個樣 品一個）放入溫度為23±2℃，濕度為50％的恆溫恆濕機中進行48小時養護，並測量其重量
（m0）。接著測試水分吸附（相對溼度90％）及脫附（相對溼度50％），並進行兩個循環。最 後，根據下式(4)至式(8)計算吸濕能力。
濕度範圍 養護 吸附過程 脫附過程 相對溼度差
低 30 ± 2 55 30 25 ± 2
中 50 ± 2 75 50 25 ± 2
高 70 ± 2 95 70 25 ± 2
W𝑎𝑎 =𝑚𝑚1+𝑚𝑚4×𝐴𝐴2+𝑚𝑚3+𝑚𝑚4 式(4) 𝑚𝑚1(g) = 𝑚𝑚𝑎𝑎1 - 𝑚𝑚0 式(5) 𝑚𝑚2(g) = 𝑚𝑚𝑎𝑎1 - 𝑚𝑚𝑑𝑑1 式(6) 𝑚𝑚3(g) = 𝑚𝑚𝑎𝑎2 - 𝑚𝑚𝑑𝑑1 式(7) 𝑚𝑚4(g) = 𝑚𝑚𝑎𝑎2 - 𝑚𝑚𝑑𝑑2 式(8)
其中Wa是水分吸附值（g/m2），A（m2）是樣品的表面積，m0（g）是樣品養護後的重量，
而ma1（g）和ma2（g）是樣品在90％RH吸附下的重量，md1（g）和md2（g）是於50％RH 水氣脫附後的樣品重量。
伍、 結果
一、廢棄物的特性分析
本團隊於此研究主要使用兩種廢棄物分別為無機污泥(ESF)及石油煉化裂解廢觸媒
(sFCCC)，其中 ESF 為傳統產業之製程廢棄物，被歸類為一般事廢的無機污泥（D-0902）；
FCCC 廣泛用於煉油行業，將石油中高沸點、高分子量的烴類轉化為更有價值的汽油或其他 混和物，而其廢棄後（sFCCC）被歸類為一般事業廢棄物的非有害觸媒（D-1499）。藉由氮氣 吸脫附曲線顯示，其皆屬於第四型等溫吸附曲線（如圖5），而第四型常見於多孔吸附劑。而 ESF的遲滯迴圈曲線屬於H3，這種類型常見於粘土顆粒等聚集體。sFCCC則屬於H4遲滯曲 線，此類型迴圈常見於微孔和中孔混合的吸附劑，像是活性碳，分子篩等。而孔洞特性的分
析如表2顯示，sFCCC具有高表面積、微孔多的特性，意指其對於水氣吸附具有一定的幫助。
圖5 廢棄物之氮氣吸脫附曲線
表2 廢棄物之孔洞特性
另外，廢棄物對於人體是否有害微循環再利用最關鍵的問題。因此本團隊也對 ESF 及
sFCCC進行重金屬溶出測試（NIEA R201.14C），如下表3所示，兩項廢棄物皆符合溶出之標
準限值，指其可作為本產品的原料使用。
表3 廢棄物之重金屬溶出
二、塗料之孔洞特性與調濕性能
本研究主要配比為添加無機污泥(ESF)、白煙(WC)、石油煉化裂解廢觸媒(sFCCC)、光觸 媒作為基材及功能材料，硫酸鈣作為固化劑，再將上述粉體材料混和並加入溶劑均勻混和以 製成具有除污及調濕性能之塗料。經由調整不同原料及光觸媒配比（W-ESF/硫酸鈣/光觸媒、
M-ESF/WC-sFCCC），分別以0%、20%、33%、50%的光觸媒比例做為調整，以測試塗料之最
適比例。以比表面積分析儀對塗料進行分析，如表4所示，隨著光觸媒含量上升，BET表面 積及總孔體積也隨之遞減，進而導致水氣吸附能力變差。
表4水氣吸附容量與孔洞特性之關係
另外也從圖6及圖 7之氮氣吸脫附曲線及孔徑份布圖顯示，本研究之調濕塗料主要是以
IUPAC劃分的 Type-IV曲線為主，該型式主要是中孔及大孔的毛細管之吸附模式，毛細管作
用是水蒸氣吸附到孔隙中的主要原因，而在脫附的時候，在高壓下會產生遲滯現象，這是毛 細管冷凝效應所造成。在孔徑分佈圖中指出其具有中孔及大孔，中孔結構對吸附水氣有顯著 的影響，其中又以2～20 nm對相對濕度為90%時影響最大。由此可知，本研究的塗料作為調 濕材料是可行的。但添加過多的光觸媒會使塗料表面產生裂痕（如圖8所示），其主要原因是 硫酸鈣之晶相結構變差，使材料骨架及固化性能較脆弱。
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Volume, STP (cm3 /g)
P/P0 W-1/1/0
W-1/1/0.5 W-1/1/1 W-1/1/2
圖6 W系列樣品之氮氣吸脫附曲線
圖7 W系列樣品之孔徑份布圖
圖8 W系列樣品之塗層外觀
後續添加sFCCC 作為功能材料（M-ESF/WC-sFCCC），主要用於提升調濕效能，因其具
有較高的BET表面積（147.16 m2/g），且具有類沸石的結構，有助於改善孔徑的分佈。在存在 微孔的情況下，可以迅速提升水分吸附的容量，但過量的sFCCC會導致塗料的降解性能變差，
因此調整參數之配比為本研究的關鍵。結果顯示如表 5，不同比例的 sFCCC 調濕塗料（M- 0.5/0.5-0%、M-0.7/0.3-0%、M-0.5/0.5-4%、M-0.7/0.3-4%、M-0.5/0.5-10%及M-0.7/0.3-10%）的 BET表面積分為50.10 m2/g、45.09 m2/g、59.89 m2/g、53.22 m2/g、59.08 m2/g及59.07 m2/g，
明顯發現添加sFCCC之樣品其表面積增加且平均孔徑較小（＜30 nm）。
表5塗料於添加不同sFCCC比例之孔洞特性
經 JIS-A 6909 測試結果如表 6，M-0.5/0.5-4%具有優異的吸濕能力，其水氣吸附容量為
116.80 g/m2，且水分含量高達8.72%。於中濕度條件下(50～75%)，M系列的吸濕能力如圖9， 分別為18.40 g/m2 (M-0.5/0.5-0%)、14.24 g/m2 (M-0.7/0.3-0%,)、29.20 g/m2 (M-0.5/0.5-4%)、
25.80 g/m2 (M-0.7/0.3-4%)、26.84 g/m2 (M-0.5/0.5-10%)及26.84 g/m2 (M-0.7/0.3-10%)。M-0.5/0.5- 4%於中濕度及高濕度皆具有最佳的吸濕能力，主要原因為其比表面積高，微孔有助於水氣吸 附能力迅速提升。因此本研究以 M-0.5/0.5-4%為最佳的配比，並進行穩定性、重金屬溶出以 及塗膜硬度等測試。
表6不同sFCCC比例下的水氣吸附容量(JIS-A 6909)
M-0.5/0.5-0% M-0.7/0.3-0% M-0.5/0.5-4% M-0.7/0.3-4% M-0.5/0.5-10% M-0.7/0.3-10%
BET Surface Area
(m2/g) 50.10 45.09 59.89 53.22 59.08 59.07
t-Plot Micropore
Area (m2/g) 12.83 15.05 13.74 19.77 17.52 17.68
Total pore volume
(cm3/g) 0.515 0.508 0.412 0.385 0.421 0.405
t-Plot micropore
volume (cm3/g) 0.0069 0.0082 0.0073 0.0105 0.0093 0.0094
Average pore
diameter (nm) 41.13 45.10 27.53 28.93 28.49 27.40
JIS-A 6909 M-0.5/0.5-0% M-0.7/0.3-0% M-0.5/0.5-4% M-0.7/0.3-4% M-0.5/0.5-10% M-0.7/0.3-10%
Moisture adsorbed
values (g/m2) 91.42 71.89 116.8 110.0 109.37 101.44
Moisture content
(%) 8.69 7.49 8.72 8.19 8.48 7.55
圖9不同sFCCC比例下之水分吸脫附性能測試(JIS-A 1470-1)
三、塗料之光降解效能
光降解效能測試主要是於模擬室內環境之批次反應器進行降解試驗，注入甲醛約 3 ppm 並進行暗吸附至平衡後，開燈進行降解。W系列樣品之測試結果如圖10，當添加適量的光觸 媒其具有較佳的效能，但過量會導致降解性能變差。如圖11，藉由掃描電子顯微鏡(Scanning
Electron Microscope, SEM)可以看到棒狀的為石膏結構，而附著於石膏表層的是ESF及光觸媒
的顆粒，當光觸媒比例過高其團聚現象明顯產生，進而使活性位點減少及光吸收受限制。因 此選擇配比1：1：l為最適配比進行後續添加sFCCC之M系列的參數調整。
圖10不同光觸媒比例之降解效率(W系列樣品)
圖11 W系列樣品之微觀結構
M系列（M-ESF/WC-sFCCC）之降解甲醛效率如圖12， M-0.5/0.5-0%、M-0.7/0.3-0%,、
M-0.5/0.5 -4%、M-0.7/0.3-4%、M-0.5/0.5-10%及M-0.7/0.3-10% 分別具有69.93、72.36、73.40、
66.11、43.66及44.37%的降解效率，並以WC與 ESF比例各 0.5並添加 4%的廢觸媒為我研
究中最佳的配比（M-0.5/0.5-4%），因其具有一定的調濕性能及光降解效率，符合本研究的期 許及目標。
圖12不同sFCCC比例下之降解效率(M系列樣品)
四、本研究之最佳樣品與市售塗料比較
圖13 與市售塗料之外觀比較
根據上述研究結果，將以最佳樣品M-0.5/0.5-4%與目前市面上販售的兩種塗料做比較，分 別命名為CC-A及CC-B。CC-A主要為矽藻土、沸石及光觸媒；CC-B主要成分為矽藻土、無機 礦物及固化材料。從塗膜外觀來看，商業塗膜表層較不平整，因其在塗抹時容易有氣泡產生，
而本研究塗料無此問題。性能方面，經由高濕度範圍下測試水氣吸附容量，結果如下表7，CC- A與CC-B每平方公尺可以吸附26.9 g及31.6 g的水氣容量，皆比M-0.5/0.5-4% (116.8 g)差，商售 塗料的水分含量也低於本研究所製備的塗料，主要原因為本研究的塗料具有較高的比表面積 且總孔體積大（如表8），有足夠的孔洞讓水氣進行吸脫附。於中濕度範圍下(JIS-A 1470-1)發 現一般商業塗料會出現水分累積(如圖14)，於放濕階段出現無法完全排出的狀況，一般水分的 累積是由吸收水分後於塗料的孔隙內發生化學反應，如形成結晶水，使水分無再次以物理脫 附的方式回到大氣中，長時間除了會增加塗料的重量，甚至會使孔洞阻塞無法進行吸水或是 發霉等問題產生，而本研究的調濕除污塗料則不會出現該狀況。
表7 本研究的塗料與商業塗料(CC-A及CC-B)之水氣吸附容量比較(JIS-A 6909)
JIS-A 6909 M-0.5/0.5-4% CC-A CC-B
Moisture adsorbed values (g/m2) 116.8 26.9 31.6
Moisture content (%) 8.66 2.00 5.27
表8 最佳樣品與商業塗料之孔洞特性
圖14最佳塗料樣品M-0.5/0.5-4%、CC-A和CC-B之吸放濕性能測試(JIS-A 1470-1)
於除污性能方面，與商業A塗料進行比較，可以看到本研究塗料之降解效能優於市售塗 料的兩倍（如圖15），具有73.40%的降解效能，但商業A的僅35.47%，而反應速率常數分別 為1.63*10-3 min-1（M-0.5/0.5-4%）及5.52*10-4 min-1（CC-A）。此外，本團隊也將M-0.5/0.5-
4%樣品去做循換試驗以鑑定其穩定性能，經過三個循環後，如圖 16 可以看到光降解效果沒
有太大的衰減，代表它具有一定的穩定性及再利用性，可見其於未來具有很大的發展空間。
M-0.5/0.5-4% CC-A CC-B
BET Surface Area (m2/g) 59.89 0.72 8.09
t-Plot Micropore Area (m2/g) 13.74 10.07 6.49
Total Pore Volume (cm3/g) 0.412 0.075 0.099
t-Plot Micropore Volume (cm3/g) 0.0072 0.0053 0.0035
Average Pore Diameter (nm) 27.53 412.76 49.41
圖15最佳樣品M-0.5/0.5-4%與CC-A之光降解性能比較
0 24 48 72
0 20 40 60 80
100 2nd 3rd
C/C 0 (%)
Time (hr) 1st
圖16 最佳樣品（M-0.5/0.5-4%）之光降解穩定性能測試
陸、討論
一、環境相容性及機械性能
針對本研究製備好的塗料進行重金屬溶出測試(TCLP)，藉此檢測其應用於生活環境之相 容性，該測試結果如表9，顯示最佳樣品未有重金屬溶出之情況，皆符合規範限值，另外也符 合綠建材標準規範。藉此進一步說明此塗料應用於室內環境除了可以提供更舒適的居住品質 外，也落實資源循環型社會的理念，以減輕資源與能源缺乏對人類造成的衝擊。
表9 最佳樣品之重金屬溶出測試
另外，也藉由CNS 15200-5-4鉛筆法測試本塗料的塗膜硬度，如表10所示，於不同鉛筆硬度 下進行刮痕測試，刮痕狀況分成兩種，塑性變形主要是指塗膜表層出現凹陷的痕跡，而內聚 破壞則是塗膜表面已被破壞及剝落。測試於硬度H時產生塑性變形及內聚破壞，顯示本研究 塗料其硬度與市售商用塗料B相當，而較商業A弱。
表10最佳樣品和商用塗料之塗膜硬度比較（鉛筆法）
二、與業界技術的差異
目前市面上相關的調濕塗料大多是以矽藻土（珪藻土）作為原料，且這些原料主要來自 於日本進口，高成本造成這項產品無法普及大量應用。而我們所開發的產品與業界最大的差 異就是以無機廢棄物來替代矽藻土，藉由多孔性的調整去控制塗料的性能。此外，並導入自 行開發之可見光光觸媒(製程程序簡單、可直接吸收室內燈源且降解效率佳)以達到具自淨能 力之多功能塗料。反觀業界所使用的調濕塗料，會出現水分累積無法排出的狀況，吸脫附水 氣的穩定性較差，降解甲醛能力較低。
三、調濕除污產品的推廣與難易度
本團隊期許未來能推廣至市面上，目標客戶可以優先以老屋翻新或新屋裝潢，以及長期 為潮濕環境、室內空氣品質所苦惱之民眾。短期目標鎖定於台灣，除一般新屋裝潢外，數據 統計分析未來一年老屋翻新戶數約有1萬戶，可以看出在這方面具有相當大的市場。而漸漸地 塑造出企業形象且市占率達3~5%後，中期目標會開始和相關業者合作研發二代產品，最後長 期目標會拓展國際市場到東亞及東南亞等地區，為因潮濕氣候而感到困擾的客戶點亮一盞明 燈。而製程的難易度在於以低耗能的方式去生產，且材料彼此的相容性、塗料成膜性及相關 機械性能的調整會是本研究最大的突破。另外，在推廣上也有一定的難度，主要是現在仍有 許多人對於廢棄物作為產品有很大的疑慮。若後續塗料研發順利，會將廢棄物的相關組成及 對人體有無影響等資訊加以詳細說明，並積極參與建材展或相關研究競賽以增加曝光率及建
義及應用，並帶給人們舒適的生活環境。本研究團隊，成員分工合作、互補長短、各司其職，
期許未來能發展出具專利技術的潛力，且於現今市場取得一席之地，為塗料市場開闢新的道 路。
四、預期效益與影響
亞太區塗料銷量佔全球的49%，並以每年5.5%率增長，2021年全球塗料產值可高達1765 億美元。本產品製備簡易，能大量生產以應付未來需求，短期目標會以小量生產、品質及長 期性能檢測為主，並參與建材展或相關研究競賽以增加產品的曝光率及建立產品口碑，也尋 找通路以建立建商合作及網路商店；中期目標則會設定固定產量生產、產品良率測試，並投 放至市場中，增加體驗活動推廣；長期目標期望能成功打入塗料市場，並有一定的市占率。
本研究團隊，成員分工合作、互補長短、各司其職，希望能發展出具專利技術的潛力，且於 現今市場取得一席之地，於塗料市場開闢新的道路。
柒、結論
本研究探討了無機汙泥和廢觸媒兩種廢棄物的性能及環境相容性，也從測試結果得知塗 料中各參數間的調整至關重要，具有合適比例即可有利於濕度調節和有效進行光降解。本團 隊目前研發的調濕除污塗料是由無機固化劑、填充劑、溶劑和功能材料所製備，主要是將無 機汙泥和白煙混合至合適的比例，並搭配光觸媒增強其除污性能，另外也添加廢觸媒以增強 吸濕特性。最佳樣品M-0.5/0.5-4%的吸濕能力在90%RH時可高達116.8 g/m2，在75%RH時
可達29.20 g/m2，而在可見光下降解甲醛的效率為73.40%，在8小時內的反應速率常數為1.63
*10-3 min-1。此外與市售塗料（CC-A和CC-B）相比，調濕除污綠色塗料(M-0.5/0.5-4%)具有 優異的濕度控制性能和甲醛的光降解性，並且符合重金屬溶出規範，表示其對生活環境和人 體無害，具有一定的環境相容性。且本產品性能穩定，兼具經濟可行性及永續循環理念，為 一前瞻性綠建材。另外，本產品也符合以下綠色化學原則: 避免廢棄物產生、避免使用化學衍 生物、提高能源效率、使用可再生原料及化學品應該設計成廢棄後易降解為無害物質之型態。
捌、參考資料及其他
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