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玻璃的藝術與科技:奇妙的玻璃

玻璃是一種無機的非晶質材料,玻璃的奇妙在於它內部結構的雜亂無序,它可幫我們處理許多令人頭痛的有害廢料,如垃圾焚化飛灰,創造出很有價值的廢料玻璃。
 
 
 
晶瑩剔透的玻璃常讓人眼睛一亮,且早已融入人們的生活中,除在車窗、櫥窗、玻璃家具、水晶藝術玻璃、容器玻璃等外,在很多電子、通訊產品中,如電視、手機、數位相機、光纖等,玻璃都扮演相當重要的角色。你能想像沒有玻璃的世界,會是一個什麼樣的世界嗎?其實除了上述的玻璃外,還有一群奇妙的玻璃,這些玻璃守護著我們的環境,讓我們能有更安全、更舒適的生活。

本質雜亂無序的玻璃

先讓我們了解一下外觀晶瑩剔透的玻璃,它的內部到底是什麼樣子?物質是由各種原子、離子或分子等組成的,如果它們的排列有某一規則秩序,則所構成的材料便稱為結晶質材料,或簡稱為「結晶」。倘若它們之間的排列,整體看來並沒有一定的規則秩序,則這種材料便稱為非晶質材料,玻璃就是一種無機的非晶質材料。

通常組成玻璃的主要成分是氧化矽、氧化硼、氧化磷等,而在玻璃混亂的結構中,常能容許他種粒子的介入。而且,他種粒子的介入並不會改變其原本結構的混亂性。當他種粒子熔入玻璃結構中後,會與玻璃中原有的粒子形成鍵結,而成為玻璃的一份子,便造成玻璃繽紛的色彩與一些特殊的功能。

環境的危機與處理

隨著工、商業的發達,我們享受了許多文明所帶來的舒適與便利。然而,伴隨而來的各種廢棄物,例如煉鋼爐渣、垃圾焚化的灰渣、燃煤發電廠的飛灰、核能發電的廢料、各種玻璃廢料、水庫污泥等,也為我們的生活環境帶來很大的衝擊。其中,一些每天都在產生,而且又有毒的廢棄物,如含有重金屬的垃圾焚化飛灰、具幅射性的核廢料等,我們更需謹慎面對。

為兼顧經濟的發展、能源開發與環境生態的保護,對於這些廢棄物都須做適當的處置、貯存,以有效阻絕或延緩這些有害物質進入我們的生活圈,避免對環境或人體造成危害。或者可更進一步,針對這些廢棄物進行資源化的開發與應用,把它們轉變成有用的物質加以利用。

垃圾焚化飛灰

固態廢棄物的最佳處置,無疑是回收再利用。然而,廢棄物中能夠再回收利用的部分最多還不到全部體積的40%,對於不能再回收的固態廢棄物,傳統的直接掩埋法是最簡易的處置方法。

然而,直接掩埋法會衍生許多問題,例如適當掩埋場所的取得問題、可能造成地下水質污染與土壤污染的問題,並且廢棄物中所含的有毒物質,仍是以無法掌控的形式存留在掩埋場底下。因此,對於地小人稠的臺灣而言,垃圾焚化法已成為處置固態廢棄物的新趨勢。與傳統的掩埋法相較,垃圾焚化可大幅地降低廢棄物的體積,方便後續的處理工作。

然而垃圾焚化後所殘留的灰燼,仍需做適當的處置,以免造成二次污染。尤其是飛灰,雖然它的主要成分是氧化矽、氧化鈣和氧化鋁,但仍然含有少量有害物質,如鉛、鎘等重金屬,因此必須謹慎處理。

目前臺灣地區營運的垃圾焚化廠有十幾座,所焚化的垃圾每年約有5百萬公噸,而垃圾焚化所產生的有害飛灰每年也有二十幾萬公噸!也就是每天約有五百多公噸的有害飛灰產生,頗為可觀。對於這些飛灰的處置,可採用水泥固化法,就是用水泥把飛灰細粉固化後,再加以掩埋。然而,這種方式因加入水泥,不僅會增大廢棄物的體積,造成掩埋處置上的困擾,且飛灰中的有害物質仍有可能再溶出。因此,這並不是理想的處理方法。

飛灰玻璃

垃圾焚化所產生的飛灰,由於其中的氧化矽、氧化鈣等成分,其實也是一般窗玻璃及建築用水泥的主要成分。因此,只要稍做成分上的調整,利用這些垃圾焚化飛灰做為玻璃或水泥的原料是可行的。

在攝氏一千多度的高溫下,可把垃圾焚化飛灰熔製成玻璃,這個過程稱為玻化固化。相較於一般的水泥固化處理,在玻化固化過程中,各種飛灰中的成分是用化學鍵結的方式結合成為玻璃結構的一部分,並非僅做物理性的摻合。因此,飛灰中有害的鉛、鎘等重金屬會鍵結於以氧化矽為主的玻璃架構中,而被緊緊地抓住,也可大幅降低有害物質再溶出的可能性,而達無害化的目的。

由飛灰熔製成的玻璃,其再利用的可能性,目前正在評估與研究中。例如可把飛灰玻璃磨碎後添加於瀝青或混凝土中取代部分的矽砂,或者可取代部分的水泥,以減少混凝土中水泥的使用量。在水泥的生產過程中,通常需耗損大量的能源,並會產生大量的二氧化碳。因此,飛灰玻璃的開發不僅可解決大量垃圾焚化飛灰處置上的困擾,若能在混凝土中取代部分矽砂或水泥,則不論在經濟成本、能源的節省、以及環境生態的保護上,都有莫大的貢獻。

核廢料與核廢料玻璃

核廢料是人們在享受便利能源的同時所需面對的嚴酷問題,尤其是高放射性核廢料,更是目前各先進國家頭痛的問題。所謂高放射性核廢料,是指使用過的核反應爐燃料。一般在處理這樣的核廢料前,得先進行特殊的稀釋處理,以便從中分離出殘餘的鈾和有價值的鈾轉化物。對於仍含有極少量放射性元素的稀釋後溶液,須再進行處理與掩埋。

過去,處理這些溶液的方法是把它們裝在特殊的混凝土或不銹鋼容器中,然後再埋藏到地底下。但是混凝土和不銹鋼容器都不能長時間封存這些物質,因為混凝土會分解,而不銹鋼也有腐蝕的現象產生。

因此,目前的處理方式是先進行濃縮處理,把極為危險、放射性較強的高階廢料與危險性較小的低階廢料分離,以達高階廢料減量的目的,方便後續的處理。然後把廢料固化於適當的固化材料,如玻璃中,而成為核廢料固化玻璃,以避免有害物質再溶出。最後把固化後的核廢料玻璃,經層層包封保護,運送至適當的處置場掩埋、貯存於地下,以多重障壁的方式,把這些有害的廢料安全地阻隔於生態圈外。

由於核廢料的組成複雜而多樣,其中更含有各種半衰期很長的放射性元素。因此,對於這些需長期貯存廢料的固化玻璃材料的基本要求,包括化學性質必須極為穩定,使有害廢料能長期且穩定地被局限在結構中,不易浸濾出來;玻璃對於廢料要有較高的溶解度,以降低所產生核廢料玻璃的量,減輕後續處置、掩埋的負擔;良好的熱穩定性;須有較低的固化處理溫度,以降低處理成本,及減小處理時廢料中有害成分揮發的可能性。

基於這些基本要求,核廢料固化玻璃主要以熔製溫度較低的磷酸鹽玻璃及硼矽酸鹽玻璃為主。這些核廢料玻璃在乾燥的環境中,具有非常好的化學穩定性,但如果玻璃暴露在潮濕的環境中,如與地下水或潮濕土壤長期接觸,仍有緩慢分解的可能。因此,目前科學家們正積極調配性能更優異的玻璃配方,用來固化這些危險性的廢料,或用來包封這些固化後的核廢料玻璃。

實驗結果顯示,這些特殊的玻璃材料在模擬環境中,每平方公尺的表面,每天僅有0.001 至 0.01克的玻璃溶出。因此,若用玻璃做為固化後核廢料的包封材料,則估計每1千年才有約0.01至0.1公分厚的玻璃遭到侵蝕。即使在沒有其他外面層層障壁的保護下,要侵蝕5公分厚的玻璃,而讓包封在內部的固化核廢料暴露出來,會是在5萬至50萬年之後了。

玻璃的功能與應用的多樣性,正如它外觀色彩的多變,而這些都歸因於玻璃內部架構的混亂無序,才能容納許多他種粒子的介入。就像雜亂無章的地球,也包容了各種有趣的人、事、物,而造就了一個奇妙的世界。要讓廢棄物找到適合的容身之地,非常重要,也非常地不容易。玻璃與各種廢棄物的巧妙結合,創造了各種廢料玻璃。廢料玻璃已不是廢料,它比一般玻璃對你、我的貢獻更大,你說奇妙不奇妙!
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