ARIIX-JIMMY

　　現代人的生活空間離不開空調系統，然而眾多空氣污染物，例如從油漆與家具揮發出的有機溶劑、人畜散播的病菌、高濃度的二氧化碳等，若長時間累積於密閉空間，危害人體健康甚鉅。一般濾網過濾這些污染物的成效有限，而研究顯示沸石（zeolite）能有效吸附污染物，改善空氣品質，因此雲林科技大學師生研究提升沸石的吸附能力與再生技術，獲得2010年台北國際發明暨技術交易展金牌獎，以及2011年瑞士日內瓦國際發明展銀牌獎。

會冒泡的石頭

　　在化學實驗室中，沸石是實驗者再熟悉不過的材料，經常被放入加熱的水溶液裡以防止突沸（註1）。如果見到加熱的實驗燒杯裡，溶液像汽水般不斷冒出細小氣泡，裡面的碎石粉末十之八九是沸石。

　　沸石是一種矽鋁酸鹽類礦物結晶，種類多、分佈廣。1756年瑞典礦物學家克羅斯泰德（Baron Axel Cronstedt）發現此類礦石在燒熔過程中，會如同液體沸騰般產生許多氣泡，因此結合希臘文的「zeo」（沸騰）與「litos」（石頭）將其命名，亦即「煮沸的石頭」。這是由於沸石內約含20％的水份（以結晶形態結合於化合物晶體結構中），在燒熔過程中汽化而不停冒泡。

　　未經處理的沸石原料，外觀似普通沙子，但沙子是結構緊密、密度高的岩石碎屑，沸石則是低密度、多孔隙的軟性礦石。高溫岩漿自火山孔噴出冷卻後形成火山岩，原本內含的大量氣泡在岩漿急速凝固下殘留，使岩礦具有多孔隙；天然沸石結晶大多充填在火成岩的氣孔或裂縫中，亦為多孔性礦物。沸石的孔徑為20~80奈米，相當於病毒大小、細菌的1/10、頭髮直徑的1/1000；由於孔徑甚小，因此比表面積（單位質量的總表面積）非常大，平均為每公克250平方公尺，換算一公斤的沸石材料約具有相當於36座足球場或600座籃球場的表面積，可以吸附非常多的目標物質。

　　沸石能吸附目標物質的原因在於具有特殊的物化性質。沸石的主要結構是以氧化矽（SiO₄）與氧化鋁（AlO₄）為基本單元交錯排列而成，以氧原子連接矽和鋁的四面體而成骨架，進一步建構成網籠狀架構；其中，鋁氧四面體帶負電，需與陽離子結合維持電中性，常見有鹼金屬與鹼土金屬（如鈉、鎂、鈣），因此有多種組成成份；此外，沸石的孔洞大小相近、分佈均勻，空間相互連通，這些特性使沸石擁有良好的物質攔截性與選擇吸附性。

　　舉凡水蒸氣、揮發性有機物、硫化物、氮氧化物等氣體分子，以及重金屬、放射性物質的固體粉末，均能被沸石吸附，因此常做為乾燥、除臭、排毒、淨化之用，加上具有不放熱（註2）、可塑性高、可再生使用等特性，沸石在工業、農業、養殖畜產業、建築材料、居家環境衛生等領域都有廣泛的應用。

沸石的主要成份是氧化矽（SiO₄）與氧化鋁（AlO₄），以氧原子連接矽和鋁的四面體而成骨架，進一步建構成網籠狀架構。孔徑小於100奈米，屬於奈米級多孔性材料，孔隙空間相互連通，有利於污染物通過進而被吸附或去除。（圖片來源：謝祝欽，電腦繪圖：呂怡貞）

專利自製技術 國內團隊已具備

　　雲林科技大學環境與安全衛生工程系教授謝祝欽表示，國內的研究機構或廠商大多從美國或日本進口沸石，到國內才進行測試，無法自行調整配方（如矽鋁比例）；而雲科大團隊已研發出相關專利技術，從原料到配方均能自製與摻配，且具有簡單量產能力，不但能開發更多元創新的相關產品，研發與製作成本也大為降低。

　　製作過程方面，分為兩大作業，首先，將沸石原料粉末揉合矽鋁酸鈉、二氧化矽、氫氧化鈉等黏結劑以利成型，此階段關乎成品水份含量與品質優劣，各配方的比例與濃度是技術關鍵；接著送入模具塑型與擠壓（通常壓成中空柱狀），最後進行烘乾與鍛燒，便成為沸石半成品，做為後續改良與調整性質的基材與載體。

　　第二階段為改質作業，要針對不同吸附與去除對象，加入不同的添加劑與改質劑。添加劑即結構強化劑，如磷酸鋯或氧化鋯，可使沸石結構堅固，使其在吸附過程不易剝落、損壞並更耐高溫。而將改質劑嵌入沸石表面或孔洞，能更有效捕捉通過的分子，提升吸附量與反應速率。做法是將沸石浸泡溶液，使金屬觸媒或胺官能基嫁接於沸石的骨架結構，前者主要針對生物氣膠（如細菌與真菌），使用硝酸銀或硝酸銅溶液以嫁接銀離子或銅離子，後者則針對二氧化碳而嫁接胺類；針對臭異味與揮發性有機物（如半導體廠內常有的甲醛）則使用純沸石或加入鉑（即白金）。沸石的結構排列整齊使其結構穩定性佳，添加的改質劑可均勻分佈於孔洞間發揮效用。

沸石備製流程。將沸石原料粉末與黏結劑混合，接著塑型，最後以低溫烘乾與高溫鍛燒，便成為沸石半成品；後續根據不同吸附對象添加不同改質劑（照片中為浸泡金屬觸媒），最後將水份去除後即完成。（圖片來源：謝祝欽）

改質後沸石樣貌。由左而右依次為純沸石、嫁接胺官能基、嫁接銅離子、嫁接銀離子後的沸石。（圖片來源：呂怡貞）

各式改質後的沸石組合在同一模組裡，如同一道道關卡，可吸附多種環境中的有害物質。（圖片來源：呂怡貞）

講求耐用性、配合客製化 應用更廣泛

　　改質後的沸石經過材料特性分析，確認改質劑嫁接成功後，即可登場使用。而吸附了異物粒子的沸石，只要用高溫直接加熱或給予150℃熱汽，就可使異物脫附，讓沸石回復原本狀態。以除菌沸石來說，當細菌（較沸石孔徑大）被沸石攔截後，其上的銀離子會破壞細菌結構，經過加熱再生，銀離子與沸石均不會損失；而在高溫下用鉑當催化劑能破壞甲醛分子，過程亦會產生熱，此熱能還可儲存回收再利用。這種以加熱來恢復活性的沸石，降溫後便能重複使用，兼具經濟與環保效益。

　　金屬觸媒改質過的沸石如應用於一般日常生活，使用約15天後，材料經再生即可恢復效用；鉑金屬觸媒及胺官能基改質過的沸石，其吸附速率與吸附總量均顯著提高。目前研究團隊將改質後成品做成可置換式填料以及可抽換式卡匣與濾網，並已實際應用於醫療院所。謝祝欽表示，以此形式設置，未來延伸產品可適用於各個場域空間的空調系統，大至工廠、辦公大樓、住家公寓、捷運車廂，小至簡易吸附裝置放在廚房、冰箱、櫥櫃、車用空間等，應用相當廣泛。

用於醫院空調系統

 

卡匣式濾網實際應用情形。（圖片來源：謝祝欽）

註1：液體溫度已到達沸點，卻沒有沸騰，看似靜如止水，但當突然有外在因素介入（如搖晃、攪拌或突然加入其他物體），改變其平衡狀態，水會瞬間汽化，立即劇烈沸騰而使滾燙的溶液爆開四濺。

註2：相較於活性碳，沸石的安全性較高。例如，當活性碳遇到銅類或醛類會產生放熱反應，甚至變成燃燒材料，曾有半導體廠房因此失火。

引用自科學人雜誌

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