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系統識別號 U0002-0207201309121000
中文論文名稱 都市垃圾焚化飛灰製備調濕材料之技術研究
英文論文名稱 A Study on Sintering as the Humidity Control Materials from Municipal Solid Waste Incineration Fly Ash
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 徐志緯
研究生英文姓名 Chih-Wei Hsu
學號 600480551
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-06-06
論文頁數 115頁
口試委員 指導教授-高思懷
委員-曾迪華
委員-孫常榮
中文關鍵字 垃圾焚化飛灰  廢玻璃  調濕材料  資源循環零廢棄 
英文關鍵字 Municipal solid waste incinerator (MSWI)  waste glass powder  humidity-controlling ceramic  zero waste and the resource recycling 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 垃圾焚化處理將產生相當量的灰渣,其中飛灰內含大量易溶出重金屬,需以固化處理,固化後放置於衛生掩埋場,但掩埋場日漸飽和且設置越來越困難的情況下,為使焚化飛灰達到資源循環零廢棄的目標,尋求再利用方法是極為迫切。研究發現垃圾焚化飛灰具有多孔性,在燒結過程中因成份分解而產生大量氣體類似發泡特性,因此本研究利用此特性來燒製多孔調濕陶瓷材料。目前市面上調濕材料的單價均非常高,研發國內自製的調濕陶瓷材料,除了降低售價,又能解決廢棄物處置的問題。
研究分為兩部分,第一部分:焚化飛灰摻配含矽鋁酸鹽的高嶺土依不同比例混和,藉由高嶺土良好的可塑性及成型性,最後高溫燒結製成多孔調濕陶瓷材料。第二部分:添加廢玻璃,玻璃屬於高矽物質及鹼性助熔物,容易於燒結過程中產生液相,燒結後的產品強度大幅增加。所燒製成的試體均需經過調濕試驗,以判斷是否符合標準。試驗方法參照日本JIS A 1470-1:2008建築材料之吸放濕性試驗法─第1部:濕度應答法測定。而評價標準參照日本調濕建材性能評價委員會所訂定之調濕性能評價基準,其吸濕量標準分成3個等級,並且放濕率須超過70 %以上,才能稱為調濕材料。最後確保產品之安全性,參考民國101年環保署公告之「垃圾焚化廠焚化底渣再利用管理方式」作為本研究的規範。
試驗結果水萃灰摻配高嶺土燒結調濕陶瓷材料,得到較佳水萃灰混和比例為70 %(KF-37),所燒製出的試體均為膨脹現象,也與吸濕量為正相關。最適燒結條件,燒結溫度1,000~1,050 ℃,均可達到第3級最優良調濕材料標準,前12小時吸濕量超過71 g/m2,後12小時放濕率達70 %以上。水萃灰混和比例為50 %(KF-55),燒結到1,000 ℃,吸濕量為36 g/m2,放濕率為83 %,符合第2級調濕標準。添加玻璃粉最好的配比為廢玻璃:高嶺土:飛灰=6:2:2(GKF-622),為第2等級,吸濕量為62 g/m2及廢玻璃:高嶺土:飛灰=6:3:1(GKF-631),為第1等級,吸濕量為30 g/m2,兩者近乎完全放濕。另外添加玻璃的結果強度大幅提升,更超出CNS3299-4 陶瓷面磚試驗法之標準(6.12 MPa),其值分別為7.25及6.21 MPa。毒性溶出試驗及戴奧辛檢測均低於規範標準,因此可確定此產品無害化並可以進行再生利用。
英文摘要 Municipal solid waste incinerator (MSWI) will produce a great deal of fly ash which contain a large number of heavy metals. The fly ash must be solidified and buried at landfills in Taiwan. Because the landfill is becoming scarce, the goal of zero waste and the resource recycling are imminent issues. This research shows that the MSWI fly ash is porous material which would format air bubbles in sintering process. Therefore, this study would investigate the feasibility of sintering the fly ash as humidity-controlling ceramic. Currently the humidity-controlling ceramic in the market is still expensive. By synthesizing humidity-controlling ceramic, we will provide a cheaper alternative and also reduce the fly ash amount at the same time.
The study consists of two parts: first one, the fly ash and kaolin were mixed in different proportions. Kaolin is a good plasticity material which is helpful for making porous humidity-controlling ceramic. Second one, waste glass powder was added into the mixture of the fly ash and Kaolin, the powder contains a large number of silicon and alkaline fluxing materials that would useful to improve the strength of the sintered specimens after the sintering process. All the synthesized materials have to conform with JIS A 1470-1 of the humidity-controlling test:2008 Determination of water vapor adsorption/desorption properties for building materials Part 1: Response to humidity variation. There are three levels of absorption moisture contents with above 70% of desorption rate, which are the evaluation standard of humidity-control performance of the construction materials. To ensure the safety of the product must meet No. 1010094463A which was announced by Taiwan EPA in 2012.
The study shows that 70% of the fly ash mixes with 30% of Kaoline (KF-37) appears the property of swelling which is positively for absorption moisture content. The optimal sintering temperature is around 1,000~1,050 ℃ of which can meet the third grade of absorption moisture content. 12 hours before, the absorption moisture content is 71 g/m2, and after 12 hours, the desorption rate is XX % (exceed 70 %). 50 % of the mixed rate (KF-55) and sintering at 1,000 ℃, the specimens has 36 g/m2 of absorption moisture content and 83 % of desorption rate that conforms with grade 2 of absorption moisture content. The optimal mixed ratio of waste glass powder, Kaoline and fly ash is 6:2:2 (GKF-622), the absorption moisture content is 62 g/m2 that meet with grade 2 of absorption moisture content. A different proportion of 6:3:1 (GKF-631) can achieve grade 1 which has an 30 g/m2 of absorption moisture content. Both of the two mixture, GKF-622 and GKF-631, almost achieve a completely desorption rate. After adding waste glass powder, the bending strength was increased significantly. The heavy metals of the toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) and dioxin detection are all meet with regulation limits of Taiwan, which would confirm the safety and recyclability of this synthesized product.
論文目次 第一章 緒論 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究內容 2
第二章 文獻回顧 4
2.1 調濕陶瓷材料 4
2.1.1 調濕原理 4
2.1.2 表面張力 7
2.1.3 毛細現象 8
2.1.4 Kelvin equation 理論 9
2.1.5 調濕材料的製備方法 11
2.1.6 調濕材料種類及應用 13
2.1.7 國內外調濕材料之發展與現況 16
2.1.8 調濕材料對健康之影響 20
2.1.9 日本調濕規範 21
2.1.10 調濕性能評價標準 24
2.2 垃圾焚化灰渣 25
2.2.1 焚化飛灰之來源 26
2.2.2 焚化飛灰之物理特性 26
2.2.3 焚化飛灰之化學特性 29
2.2.4 焚化飛灰之物種型態 30
2.2.5 焚化飛灰溶出特性 32
2.2.6 焚化飛灰水萃前處理 32
2.3 廢玻璃來源及產量 34
2.3.1 廢玻璃的物理特性 35
2.3.2 廢玻璃的化學特性 36
2.3.3 國內外廢玻璃資源化現況及應用 36
2.4 高嶺土特性 39
2.5 多孔陶瓷燒結技術 41
2.5.1 燒結原理 41
2.5.2 燒結反應之影響因子 43
2.5.3 調濕陶瓷燒結 43
第三章 研究方法與設備 46
3.1 研究方法 46
3.2 實驗流程與目的 47
3.2.1 原料及前處理 47
3.2.2 生坯的製作 47
3.2.3 多孔調濕陶瓷製作 48
3.3 調濕陶瓷材料之實驗組數 50
3.4 樣品分析方法 51
3.5 實驗設備 53
3.6 實驗分析儀器 57
第四章 結果與討論 61
4.1 原料基本分析 61
4.1.1 焚化飛灰之特性 61
4.1.2 高嶺土之特性 67
4.1.3 玻璃粉之特性 70
4.1.4 熱分析試驗結果 71
4.2 水萃灰混和高嶺土(KF)燒製調濕陶瓷材料 77
4.2.1 混和比對燒失率及體積變化率的影響 77
4.2.2 混和比對吸放濕試驗的影響 78
4.2.3 升溫速率對燒失率及體積變化率的影響 80
4.2.4 升溫速率對吸放濕試驗的影響 81
4.2.5 燒結溫度對燒失率及體積變化率的影響 82
4.2.6 燒結溫度對吸放濕試驗的影響 83
4.2.7 重金屬溶出試驗(TCLP)結果 84
4.2.8 抗灣試驗結果 88
4.3 水萃灰摻配廢玻璃(GF)燒製調濕陶瓷材料 89
4.3.1 燒失率及體積變化率 89
4.3.2 吸放濕試驗結果 90
4.3.3 抗彎強度 91
4.3.4 毒性溶出試驗(TCLP)結果 91
4.4 水萃灰摻配高嶺土及廢玻璃(GKF)燒製調濕陶瓷材料 92
4.4.1 水萃灰摻配高嶺土及廢玻璃之毒性溶出試驗結果 92
4.4.2 不同GKF添加之燒失率及體積變化率 93
4.4.3 不同GKF添加之吸放濕變化 94
4.4.4 水萃灰、高嶺土添加玻璃粉之抗彎試驗 95
4.5 混和原料化學成分三相圖分析 95
4.6 調濕陶瓷材料之SEM、XRD及戴奧辛分析 97
4.6.1 試體微觀分析(SEM) 97
4.6.2 X光繞射分析(XRD) 102
4.6.3 戴奧辛檢測 106
第五章 結論與建議 107
5.1 結論 107
5.2 建議 108
參考文獻 109

圖目錄
圖1-1研究方向 3
圖2-1調濕材料吸放濕反應示意圖 6
圖2-2調濕材料的平衡吸放濕曲線 7
圖2-3表面張力之示意圖 8
圖2-4毛細現象之示意圖 9
圖2-5不同相對濕度與孔洞之關係 10
圖2-6相對濕度與開爾文半徑之關係 11
圖2-7恆溫恆濕箱裝置示意圖 22
圖2-8吸放濕重量變化圖 24
圖2-9吸放濕變化圖 24
圖2-10鍋爐灰SEM圖 28
圖2-11反應灰SEM圖 29
圖2-12飛灰水萃液/固比與氯離子溶出量及累積量變化 34
圖2-13 L/S=5水萃後水萃廢液氯離子含量變化 35
圖2-14廢玻璃歷年回收量 36
圖2-15典型玻璃處理系統流程 39
圖2-16固相燒結機制 43
圖2-17液相燒結機制 44
圖2-18不同燒成溫度之吸放濕試驗 45
圖3-1實驗流程圖 50
圖3-2電熱式乾燥烘箱 55
圖3-3電加熱式矩形高溫爐 55
圖3-4毒性特性溶出(TCLP)程序裝置 56
圖3-5恆溫恆濕箱設備圖 57
圖3-6水溫度升降溫裝置 57
圖3-7水冷控制設備 57
圖3-8濕度控制裝置 57
圖3-9溫度及濕度控制設備 57
圖3-10調濕內部裝置 57
圖3-11感溫感濕裝置 58
圖3-12天平輸出電腦 58
圖3-13感應耦合電漿原子發射光譜分析儀 58
圖3-14雷射粒徑分析儀 59
圖3-15熱重/熱差分析儀 60
圖3-16敞發射掃描式電子顯微鏡 60
圖4-1焚化飛灰外觀 62
圖4-2原飛灰及水萃灰之粒徑分布圖 63
圖4-3原飛灰之SEM(x1,000) 64
圖4-4原飛灰之SEM(x10,000) 64
圖4-5水萃灰之SEM(x1,000) 65
圖4-6水萃灰之SEM(x10,000) 65
圖4-7焚化飛灰之物種分析 68
圖4-8高嶺土外觀 68
圖4-9高嶺土之粒經分析 69
圖4-10高嶺土之SEM圖 70
圖4-11高嶺土之物種分析 70
圖4-12玻璃粉外觀 71
圖4-13玻璃粉之粒徑分析 72
圖4-14 KF-73之TG/DTA分析圖 74
圖4-15 KF-55之TG/DTA分析圖 74
圖4-16 KF-37之TG/DTA分析圖 75
圖4-17不同混和比例之DTG分析圖 75
圖4-18 GF-82之TG/DTA試驗結果 77
圖4-19 GF-73之TG/DTA試驗結果 77
圖4-20 GF-64之TG/DTA試驗結果 78
圖4-21不同混和比例之 (a) 燒失率 (b) 體積變化率 79
圖4-22不同混和比例24小時吸放濕曲線 80
圖4-23不同混和比例之吸濕量及放濕率比較圖 81
圖4-24不同混和比例之吸濕量及放濕率比較圖 81
圖4-25不同升溫速率之燒失率及體積變化率 82
圖4-26不同升溫速率24小時吸放濕曲線 83
圖4-27不同升溫速率之吸濕量及放濕率比較圖 83
圖4-28不同燒結溫度之燒失率及體積變化率 84
圖4-29不同燒結溫度24小時吸放濕曲線 85
圖4-30不同燒結溫度之吸濕量及放濕率比較圖 85
圖4-31 KF-37不同升溫速率及燒結溫度之鉻溶出量 88
圖4-32 KF-73及KF-55各升溫速率之鉻溶出量 88
圖4-33不同GF添加 (a) 燒失率 (b) 體積變化率 91
圖4-34玻璃粉添加水萃灰之吸濕量及放濕率比較圖 91
圖4-35不同GKF添加 (a) 燒失率 (b) 體積變化率 95
圖4-36不同GKF之24小時吸放濕曲線 96
圖4-37不同GKF之吸濕量及放濕率比較圖 96
圖4-38各種原料混合配比之三相圖 98
圖4-39 KF-73燒結體之SEM 99
圖4-40 KF-55燒結體之SEM 99
圖4-41 KF-37燒結體之SEM 100
圖4-42不同升溫速率之燒結體SEM 101
圖4-43不同燒結溫度之燒結體SEM 103
圖4-44不同水萃灰摻配燒結體之XRD分析 104
圖4-45不同升溫速率之燒結體XRD 105
圖4-46不同燒結溫度之燒結體XRD 105
圖4-47 GKF-622及GKF-631燒結體之XRD分析 106

表目錄
表2-1不同溫度與相對濕度狀況下之蒸氣壓 5
表2-2吸附原理 6
表2-3調濕材料市面上產品 14
表2-4目前市場上調濕材料的發展情況 17
表2-5吸放濕試驗之設定相對濕度 22
表2-6台灣平地1981-2010每月平均濕度 23
表2-7調濕材料之等級評定標準 25
表2-8垃圾焚化飛灰與底渣之物理性質 27
表2-9國外都市垃圾焚化飛灰之元素分析結果 30
表2-10不同都市垃圾焚化飛灰之 XRD 物種鑑定結果 32
表2-11高嶺土之主要用途 41
表2- 12陶瓷組成概要 45
表3-1試驗組數 51
表4-1焚化飛灰物理特性分析 63
表4-2焚化飛灰各元素百分比 66
表4-3焚化飛灰之重金屬含量 66
表4-4焚化飛灰之重金屬溶出試驗(TCLP) 67
表4-5高嶺土元素分析 69
表4-6玻璃粉物理特性分析 71
表4-7玻璃粉之元素分析 72
表4-8不同混和配比之重金屬溶出試驗 86
表4-9不同升溫速率之重金屬溶出試驗 86
表4-10不同燒結溫度之重金屬溶出試驗 87
表4-11不同混和配比燒結體之抗彎試驗 89
表4-12不同升溫速率燒結體之抗彎試驗 89
表4-13不同燒結溫度燒結體之抗彎試驗 90
表4- 14水萃灰摻配廢玻璃之抗灣試驗 92
表4-15水萃灰摻配玻璃粉之毒性溶出試驗 93
表4-16 不同配比試體之TCLP結果 94
表4-17 GKF-622及GKF-631燒結體之抗彎試驗 96
表4-18水萃灰及GKF-622之戴奧辛檢測 107
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