臺灣化學教育

綠色化學:『灰灰乎』必有餘地

林麗悅*、黃柏翔、林祈霈、王盛

國立竹南高級中學

*[email protected]

n  簡介

本實驗以減少垃圾量、廢物再利用為出發點，學生利用在學校學習到的專業知識和技能，發揮巧思，在符合綠色化學十二項原則的條件下，將本應丟棄的粉筆及粉筆灰試著做成土壤栽培介質，賦予廢棄粉筆更多的價值。並進一步對成品進行性質分析及植物栽種測試。

n  器材與藥品

一、器材與設備：

名稱	數量	名稱	數量
燒杯50mL	10個	坩鍋	12個
燒杯250mL	5個	濾紙	1盒
量筒50mL	1個	銅幣(一元硬幣)	1枚
量筒250mL	2個	石墨棒	1根
錐形瓶 125 mL	12個	鑷子	2支
滴定管	1支	乾燥皿	1個
槓鈴片	1組	錶玻璃	4片
玻棒	5根	寶特瓶	5瓶
碼表	1個	高溫爐	一台
球磨機	一台	烘箱	一台
pH計	一台	天秤	一台
黃金葛	60株

 

二、藥品：

聚丙烯酸鈉（Sodium polyacrylate 或 acrylic sodium salt polymer，簡稱ASAP）1瓶、粉筆灰500g、矽砂1000g、水耕肥料（品牌：花寶一號）1盒、土壤（名稱：有機質栽培介質）1500 g

n  研究方法與步驟

一、 土壤輔助栽培介質的製作：

1.   粉筆灰混ASAP

(1)     粗秤1公克ASAP，取13mL去離子水，放入燒杯攪拌至膠狀。

(2)     粗秤8公克粉筆灰與40克矽砂加入燒杯混合均勻。

(3)     將試樣放入塑膠袋，用擠花方式，將試樣擠成球形至表玻璃上。

(4)     將成品放置烘箱以100℃ 烘乾。下圖為三者的混合物。

圖1：粉筆灰混ASAP加矽砂混合

2.   粉筆灰混陶土（1：1、2：1、3：1）

(1)     粗秤陶土15克，共秤取三份。

(2)     分別粗秤粉筆灰15克（1：1）、30克（1：2）、45克（1：3），加入陶土中。

(3)     加入適量的水將陶土與粉筆灰混合均勻後搓至球形（圖2左）。

(4)     放置陰影處陰乾4~7天。

(5)     於高溫爐中分別進行無氧與有氧燒製（圖2右），條件如下：以每1小時上升100℃的速率加熱上去，燒至500℃，以每1小時200℃，燒至800℃，最後恆溫30分鐘後再開始自然降溫。

圖2：圖左為陶土加粉筆灰（1：1），圖右為高溫爐無氧燒製

二、 成品的性能測試：

1.   透水性測試

(1)     將寶特瓶對半剪開，取上半部，將瓶蓋取下改用濾紙包住開口。

(2)     對照組加入200mL土壤。

(3)     實驗組加入180mL土壤、20 mL陶土成品混勻。

(4)     另外一組粉筆灰混ASAP放在土壤的表層上。

(5)     將濾紙置於上方。

(6)     將寶特瓶的上半部倒放置於下半部。

(7)     利用滴定管控制流速以每秒3滴速率（0.15mL/s），持續加入100mL的水，記錄水開始滴出至下半部的時間及總時間。

(8)     滴完後若水60秒內不再流出，紀錄流出的水重。

(9)     重複步驟3~7測試其他成品。下圖為透水性測試。

圖3：為透水性的實驗測試

2.   保水率測試

(1)     取不同成分（比例）的成品各三顆，精秤重量，分別放入50mL燒杯裡，貼上標籤，進行三重複。

(2)     放入烘箱，烘至恆重後放入乾燥皿待冷卻。

(3)     加入20 mL去離子水，放置24小時後（精秤），記錄總重量差。

(4)     計算保水率。下圖為保水率測試。

圖4：保水率測試過程

3.   抗壓性測試

(1)     取不同成分（比例）的成品各4顆，放在木板的四個角下。

(2)     逐一輕放5kg、10kg、15kg、20kg、25kg的槓鈴片及水。

(3)     紀錄成品碎裂時的槓鈴片重量。

(4)     重複步驟1~3測試其他成品（比例）。

圖5：抗壓性測試

4.   水中耐久度測試

(1)     取不同成分（比例）的成品放置於50mL的燒杯。

(2)     加45mL的去離子水。

(3)     持續觀察記錄三星期。

圖6：水中耐久度測試，左圖為第一周，右圖為第二周

3.   相對硬度測試

(1)     利用莫氏硬度試驗。

(2)     用銅幣（莫氏硬度3）、指甲（莫氏硬度2.5）、皮膚（莫氏硬度1.5）、石墨（莫氏硬度1）來進行測試。

(3)     確認成品硬度範圍，再用不同成分（比例）的成品互相刻劃，比較各自的硬度大小。下圖為硬度測試。

圖7：硬度測試過程

三、 水耕植物的配置與性質測試及觀察

1.   水耕植物的配置

(1)     粗秤一公克的水耕肥料，溶於1000 mL的水中，配成水耕用水。

(2)     錐形瓶內倒入90 mL的水耕用水，再加入無氧2：1的成品10 g，為第一組。

(3)     錐形瓶內倒入90 mL的水耕用水，再加入ASAP的成品10 g，為第二組（圖十五）。

(4)     錐形瓶內倒入100 mL的水耕用水，為第三組（對照組）。

(5)     每一組放入4~5株（8~9 g）的黃金葛（圖8）。

(6)     重複步驟1~ 4三次，共四重複的實驗測試。

圖8：水耕植物配置

2.   pH値的檢測

(1)     pH計開機暖機15分鐘。

(2)     以pH=7與pH=10的緩衝液校定（圖9左）。

(3)     將pH計放入含有植物的錐形瓶，等待pH值穩定後記錄（圖9右）。

(4)     重複步驟1~3測試其他成品（比例）。

圖9：pH值的量測過程

n  實驗結果與討論

一、透水性測試

由透水性實驗的結果（圖10）發現，本研究所製造的土壤輔助栽培介質可有效提升透水性。其中以無氧比例中2：1效果最佳。

圖10：透水性結果

二、保水率測試

由保水率實驗結果（圖11）發現，保水率最好的成品為ASAP，可達到高達130%的水分，超越了土壤本身。

圖11：保水率結果

三、抗壓性測試

由抗壓性實驗結果（圖12）發現有氧的成品以2：1的比例抗壓性最佳。

圖12：抗壓性結果

四、水中耐久度測試

觀察水中耐久度測試結果表（表一），ASAP在水中容易因軟化而分解，但粉筆灰混陶土則可保持原有的型態及硬度。測試結果如下表所示。

表一：水中耐久度測試結果表

 

 

第一周

 

第二周

 

第三周

 

無氧1：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

無氧2：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

無氧3：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

ASAP

 

已有大量的沙子掉落

 

已經沒有掉落但已軟化

 

沒有明顯改變

 

有氧1：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

有氧2：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

有氧3：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

 

五、相對硬度測試

利用莫氏硬度測試，所有成品皆小於石墨棒，於是將成品互相磨損，測試相對硬度，硬度的大小順序為無氧2:1＞有氧2:1＞無氧3:1＞有氧3:1＞無氧1:1＞有氧1:1＞ASAP。（表二）

表二：莫氏硬度的測試結果表

 

 

指甲(莫氏硬度2.5)

 

皮膚(莫氏硬度1.5)

 

石墨(莫氏硬度1)

 

無氧1：1

 

無氧1：1受損

 

無氧1：1受損

 

互相受損

 

無氧2：1

 

無氧2：1受損

 

無氧2：1受損

 

互相受損

 

無氧3：1

 

無氧3：1受損

 

無氧3：1受損

 

互相受損

 

ASAP

 

ASAP受損

 

ASAP受損

 

ASAP受損

 

有氧1：1

 

有氧1：1受損

 

有氧1：1受損

 

互相受損

 

有氧2：1

 

有氧2：1受損

 

有氧2：1受損

 

互相受損

 

有氧3：1

 

有氧3：1受損

 

有氧3：1受損

 

互相受損

 

六、水耕植物重量變化，如下圖所示。進行四週水耕測試，觀察對照組後發現隨著時間變化ASAP的介質測試會使pH值慢慢升高。而粉筆灰混陶土組的pH值先達到一定的值後會慢慢下降至穩定。

圖13：水耕植物重量變化

七、水質pH值變化，如下圖所示。由於pH值較高導致植物的生長環境不佳，使其重量減輕。

圖14：水耕植物pH值變化

八、粉筆灰中最佳比例的無氧粉筆灰1:2與粉筆灰混ASAP，在水耕植物的鹼度檢測與重量觀察的實驗中表現較差，可推測出在水中浸泡會使成品中的碳酸鈣溶於水中使其培養液成鹼性，未來我們會調整其在水中的比例，讓水中的鹼度不會太高。

九、粉筆灰混ASAP的抗壓性及相對硬度的結果都為成品中最低，若將其放入土壤中容易磨損，所以我們打算將ASAP的成品在園藝中使用時，放在土壤表層使用，較不易因磨損而失去效力。

十、本實驗的產品，可在土壤中自然分解，且所使用的成分對人體、環境無毒無害，比起原始的土壤栽培介質（珍珠岩、硅藻土），使用的原料原本是廢棄物的粉筆灰，若是在小規模測試良好後，有機會可以持續生產。

十一、本次實驗符合以下綠色化學原則:

1、  防止廢棄物。

2、  避免衍生物。

3、  用後可降解。

4、  安全且無毒。

5、  降低輔助材料。

6、  避免意外事故。

n  參加心得：

直到參賽結束後，才有空回想及沉澱這段期間的感想。我想可以分成兩個部份和大家分享：

一、教師的角色：指導者、陪伴者

指導者：大多時候的角色。適時給予建議，讓他們各組都能完成專題（專題製作是化工科的必修課程）。但困難之處是每組的狀況、能力都不一樣，需要的協助也會不同，這時候真的需要視各組的能力去要求他們。這樣一來，每組學生都能完成屬於他們自己的專題，老師也不會壓力過大。

陪伴者：有時候學生需要更多的時間消化，我們能做的就是等待和陪伴。撐過這段時間，可能就會有驚豔的感覺！

二、學生的成長

對化工科學生來說，專題製作課程可以說是對其過去這段時間所學的知識和技能作總體檢，也是從被動學習轉成主動學習的一門課。舉凡蒐集資料、確定主題與實驗方法、整理實驗數據、撰寫報告、上台演示，都必須自己練習做決定。從一開始的生疏、不成熟的作品，進而能做出圖文並茂的投影片，上台報告頭頭是道不怯場，到後來學生充滿自信、富有成就感，這些成長會讓人覺得辛苦是值得的。

真的非常感謝教育部和工研院辦理綠色化學創意競賽，不僅讓大家對綠色化學有更深入的了解，也提供學生發表的舞台，讓他們可以有機會接受更多的挑戰。

n  安全注意及廢棄物處理

l   使用高溫爐，要注意安全。

l   實驗過程沒有產生有機物和重金屬廢液。

n  參考文獻

1.      蔡尚光（2013）。水耕栽培的魅力：從基礎知識到全盤性的瞭解。臺北市：淑馨出版社

2.      張仲民（2008）。普通土壤學。臺北市：茂昌出版社。

3.      黃春翔（2007）。具保水性顆粒介質之燒製與物理性質。國立成功大學土木工程學系碩博士班：碩士論文。

4.      楊昆憲（1996）。不同粒徑與保水性顆粒介質之物理性質。國立成功大學土木工程學系碩博士班：博士論文。

5.      謝榮忠（2009）。化工裝置II：固體的性質。全華圖書股份有限公司。

6.      楊永華‧謝幸娟。（2007）。普通化學實驗Ⅰ：硬水檢測與軟化作用。東大圖書股份有限公司。

7.      CAS數據庫列表－聚丙烯酸钠。2013年3月12日。取自
https://www.chemicaLbook.com/ChemicaLProductProperty_CN_CB9741267.htm#%E8%81%9A%E4%B8%99%E7%83%AF%E9%85%B8%E9%92%A0%E8%AF%95%E5%89%82%E7%BA%A7%E4%BB%B7%E6%A0%BCchemicaLbook