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系統識別號 U0002-0507201116581800
中文論文名稱 擔體對於不同結晶物之半穩帶影響探討
英文論文名稱 Investigation of the effects of substrate on metastable zone during crystallization process for various crystals.
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 林晨鈺
研究生英文姓名 Chen-Yu Lin
學號 698480489
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-17
論文頁數 80頁
口試委員 指導教授-李奇旺
委員-陳孝行
委員-李柏青
中文關鍵字 半穩帶  擔體  結晶  碳酸鈣  磷酸銨鎂 
英文關鍵字 Metastable zone  Seed  Crystallization  Calcium carbonate  Magnesium ammonium phosphate 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 結晶操作成功關鍵,在於將溶液的過飽和度控制在半穩定帶區域內,且於半穩定帶範圍內加入擔體使得結晶析出成長在擔體上。以往多數文獻皆著重於劃定純粹只有溶液時的半穩定帶,並沒有針對加入擔體後半穩定帶是否產生變化來研究,因此本研究將探討加入擔體後原有純溶液時所劃定的半穩定帶會有何變化,並分別探討不同擔體表面性質及同相與異相結晶的影響。
本研究利用兩種不同的結晶物 – 磷酸銨鎂及碳酸鈣來討論擔體對於不同結晶物之半穩帶影響。先利用異相材質石英砂為擔體,討論石英砂對於原劃定的磷酸銨鎂和碳酸鈣半穩帶有何影響。再用與結晶物擁有相同表面性質的同相材質擔體 – 自製的MAP擔體及覆有碳酸鈣結晶的石英砂擔體,分別討論這兩種同相擔體對於原劃定的磷酸銨鎂和碳酸鈣半穩帶有何影響。並同時改變各種擔體的量,討論各種擔體可提供有效結晶表面積多寡對於原劃定的半穩帶之影響。
經由實驗結果可以發現,在10分鐘內,pH=9時,異相材質的石英砂擔體對於磷酸銨鎂和碳酸鈣原劃定的半穩帶都沒有顯著的影響。而同相材質的自製MAP擔體和預先覆有碳酸鈣結晶的石英砂擔體,分別對於磷酸銨鎂和碳酸鈣原劃定的半穩帶有擴大的作用。這是因為同相材質的擔體比異相材質的擔體更容易使得結晶物附著到擔體上,進而促進結晶成長,降低了溶液的飽和度,延遲初成核出現的時機,因此使得半穩帶擴大。而擔體量增加後提高了有效結晶表面積,會讓結晶的效果更好。
英文摘要 To be successful on the crystallization technology, the supersaturation of solution should be controlled in the metastable zone. In the metastable zone of solution, seed can be added to disturb the stable condition causing crystallization. Most of the earlier references mainly focused on defining the metastable zone of the solution without seed. In this study, seed is added into the solution and effect of seed on metastable zone is investigated. The effects of seeds with or without the same properties as the crystal, i.e., homogenous or heterogenous seeds, are discussed during crystallization process.
Two kind of crystal, namely MAP and CaCO3, are studied in this study. First, the heterogenous SiO2 is used as seed, and the impact of heterogenous seed to the metastable zone of magnesium ammonium phosphate and calcium carbonate are investigated. Then, the homogenous MAP and CaCO3 precoated SiO2 are used as seeds, and the impact of homogenous seed to the metastable zone of magnesium ammonium phosphate and calcium carbonate are discussed, respectively. In the meanwhile, the effective surface area of seed which may affect the metastable zone is also investigated.
According to the result, the metastable zone of magnesium ammonium phosphate and calcium carbonate are not affected by heterogenous SiO2 seed at pH 9 in 10 min. But, the homogenous MAP seed and CaCO3 precoated SiO2 seed enlarged the metastable zone of magnesium ammonium phosphate and calcium carbonate, respectively. The homogenous seed is more effective than heterogenous seed to make crystal grow on seed which will reduce the saturation of solution and delay the opportunity of occurrence of primary nucleation. Furthermore, the effective crystal surface area will increase by raising the amount of seed which make the effect of crystallization better.
論文目次 目錄 I
List of Figure III
List of Table VI
第一章 研究緣起 1
1.1研究背景及目的 1
第二章 文獻回顧 2
2.1結晶現象 2
2.1.1 成核 2
2.1.2 均相成核 2
2.1.3 異相成核 3
2.2 影響結晶因子 4
2.2.1 飽和度 4
2.2.2 pH值 5
2.2.3 有效結晶表面積 8
2.3半穩定帶 10
第三章 實驗材料及方法 14
3.1實驗流程 14
3.2實驗材料 16
3.2.1 人工廢水 16
3.2.2 擔體 17
3.2.3 藥品 18
3.3實驗設備 20
3.3.1 批次裝置 20
3.3.2 管柱槽體 21
3.3.3 濁度計 22
3.3.4 分光光度計 22
3.3.5 濾膜 22
3.4實驗方法 23
3.4.1 半穩定帶的劃定 23
3.4.2 含擔體的半穩定帶劃定 26
3.4.3 濃度計算 29
3.4.4 結合濃度分析判定擔體對半穩帶影響 30
3.4.5 結晶養成 36
3.5實驗分析 38
3.5.1 磷的濃度分析 38
3.5.2 碳酸鈣的濃度分析 39
3.5.3 擔體之SEM分析 41
3.5.4 擔體之XRD分析 41
第四章 結果與討論 42
4.1半穩定帶區之劃定 42
4.1.1 磷酸銨鎂半穩定帶劃定 42
4.1.2 碳酸鈣半穩定帶劃定 43
4.2 擔體SiO2對半穩態區劃定之影響 45
4.2.1 擔體SiO2對於原劃定磷酸銨鎂半穩帶區的影響 45
4.2.2 擔體SiO2對於原劃定碳酸鈣半穩帶區的影響 59
4.3 不同表面性質擔體對原劃定半穩帶區的影響 60
4.3.1 自製MAP擔體 60
4.3.2 碳酸鈣預結晶之SiO2擔體 62
4.3.3 不同擔體對於原劃定磷酸銨鎂半穩帶的影響之比較 64
4.3.4 不同擔體對於原劃定碳酸鈣半穩帶的影響之比較 69
第五章 結論與建議 77
參考文獻 79


List of Figure
Figure 1 磷酸(0.01M)系統的Log C vs. pH示意圖。 6
Figure 2 碳酸(0.01M)系統的Log C vs. pH示意圖。 7
Figure 3 微溶物系半穩帶示意圖[24]。 10
Figure 4 本研究定義半穩帶示意圖。 12
Figure 5 半穩帶示意圖。 13
Figure 6 本研究流程1。 14
Figure 7 本研究流程2。 15
Figure 8 批次裝置。 20
Figure 9 管柱槽體。 21
Figure 10 磷酸銨鎂溶液濃度分析半穩帶示意圖。 32
Figure 11 碳酸鈣溶液濃度分析半穩帶示意圖。 36
Figure 12 磷之檢量線。 38
Figure 13 碳酸鈣濃度與EDTA消耗量對應之檢量線。 40
Figure 14 磷酸銨鎂半穩帶劃定圖。 42
Figure 15 碳酸鈣半穩帶劃定圖。 43
Figure 16 pH = 8.5,碳酸鈣半穩帶示意圖[1]。 44
Figure 17 SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.000968 M、轉速= 1500 rpm。 46
Figure 18 SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.001935 M、轉速= 1500 rpm。 46
Figure 19 SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.002903 M、轉速= 1500 rpm。 47
Figure 20 SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.003871 M、轉速= 1500 rpm。 47
Figure 21 不同轉速下50g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.000968 M。 49
Figure 22 不同轉速下50g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.001935 M。 50
Figure 23 不同轉速下50g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.002903 M。 50
Figure 24 不同轉速下50g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.003871 M。 51
Figure 25 不同轉速下10g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.000968 M。 52
Figure 26 不同轉速下10g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.001935 M。 53
Figure 27 不同轉速下10g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.002903 M。 53
Figure 28 不同轉速下10g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響,P = 0.003871 M。 54
Figure 29 不同轉速無擔體的情況下,磷酸銨鎂半穩帶的劃定,P = 0.000968 M。 54
Figure 30 不同轉速無擔體的情況下,磷酸銨鎂半穩帶的劃定,P = 0.001935 M。 55
Figure 31 不同轉速無擔體的情況下,磷酸銨鎂半穩帶的劃定,P = 0.002903 M。 55
Figure 32 不同轉速無擔體的情況下,磷酸銨鎂半穩帶的劃定,P = 0.003871 M。 56
Figure 33 pH = 9,無擔體與10g SiO2擔體對相同濃度磷酸銨鎂溶液的去除率比較。 58
Figure 34 SiO2擔體對碳酸鈣半穩帶的影響圖。 59
Figure 35 自製MAP擔體之SEM分析圖。 61
Figure 36 Ali et al.自製MAP擔體之SEM分析圖[7]。 61
Figure 37 無覆蓋結晶物之石英砂擔體SEM分析圖。 62
Figure 38 碳酸鈣預結晶的石英砂擔體SEM分析圖。 63
Figure 39 碳酸鈣預結晶的石英砂擔體XRD分析圖 63
Figure 40 結合濃度分析– 無擔體的情況下磷酸銨鎂半穩帶的劃定。 65
Figure 41 結合濃度分析 – 10g SiO2擔體對磷酸銨鎂半穩帶的影響。 65
Figure 42 結合濃度分析 – 自製MAP擔體0.025g對磷酸銨鎂半穩帶的影響。 66
Figure 43 結合濃度分析 – 自製MAP擔體0.05g對磷酸銨鎂半穩帶的影響。 67
Figure 44 不同擔體對磷酸銨鎂半穩帶影響之組合結果( Figure 40 ~ Figure 43 )。 68
Figure 45 碳酸鈣預結晶擔體對碳酸鈣半穩帶的影響圖。 70
Figure 46 結合濃度分析 – 無擔體的情況下碳酸鈣半穩帶的劃定。 72
Figure 47 結合濃度分析 – 10g SiO2擔體對碳酸鈣半穩帶的影響。 72
Figure 48 結合濃度分析 – 20g SiO2擔體對碳酸鈣半穩帶的影響。 73
Figure 49 結合濃度分析 – 10g 碳酸鈣預結晶擔體對碳酸鈣半穩帶的影響。 75
Figure 50 結合濃度分析 – 20g碳酸鈣預結晶擔體對碳酸鈣半穩帶的影響。 75
Figure 51 不同擔體對碳酸鈣半穩帶影響之組合結果(Figure 46 ~ Figure 50 )。 76

List of Table
Table 1 顆粒粒徑增長與結晶反應表面積之比較。 8
Table 2 磷酸銨鎂人工廢水溶液配製表。 16
Table 3 碳酸鈣人工廢水溶液配製表。 16
Table 4 ASTM篩號與孔徑對照表。 17
Table 5 磷酸銨鎂半穩帶劃定實驗,人工廢水的磷、銨及鎂含量對照表 ( i = 1, 2, 3….. )。 24
Table 6 碳酸鈣半穩帶劃定實驗,人工廢水的鈣、碳酸含量對照表( i = 1, 2, 3….. )。 25
Table 7 含有擔體的磷酸銨鎂半穩帶劃定實驗,人工廢水的磷、銨及鎂含量以及擔體量對照表 ( i = 1, 2, 3….. )。 27
Table 8 含有擔體的碳酸鈣半穩帶劃定實驗,人工廢水的鈣、碳酸含量以及擔體量對照表 ( i = 1, 2, 3….. )。 28
Table 9 以濃度分析擔體對半穩帶影響之磷酸銨鎂溶液濃度配置。 33
Table 10 以濃度分析擔體對半穩帶影響之碳酸鈣溶液濃度配置。 36
Table 11 SiO2擔體在純水系統中不同轉速下的磨損狀況。 48
Table 12 石英砂、硼矽酸鹽玻璃砂、鳥糞石擔體之比較表[7]。 57
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