淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-0808200723435800
中文論文名稱 都市垃圾焚化飛灰再利用作為水泥替代物之研究
英文論文名稱 The Study of the MSWI fly ash Recovery as a Cement Substitute
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 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 陳佑倫
研究生英文姓名 Yu-Lun Chen
學號 694330746
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-06-07
論文頁數 85頁
口試委員 指導教授-高思懷
委員-楊萬發
委員-劉明仁
中文關鍵字 水泥  研磨  焚化飛灰  穩定化 
英文關鍵字 cement  ball-milling  MSWI fly ash  stabilization 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 都市垃圾焚化飛灰性質複雜,其中重金屬如鉛、鎘、鉻、銅及鋅,大部分均超過TCLP之溶出標準,目前多採固化後進行最終處置。但固化後體積增大,且重金屬有再溶出之疑慮,因此穩定飛灰中有害物質及進行再利用處理技術為未來趨勢。都市垃圾焚化飛灰之主要成分是鈣、矽、鋁、鐵之氧化物,具有回收再利用的價值。前人研究可將飛灰經過熔融處理後,取代部分水泥生料;亦有研究指出研磨有穩定重金屬之效果,因此本研究嘗試將飛灰水洗研磨,探討重金屬穩定,以及取代部分水泥原料資源化之可行性。
本研究利用壓汞孔隙測定儀、X 光繞射分析、掃描式電子顯微鏡及固態核磁共振光譜儀之分析,探討水洗飛灰重金屬穩定特性,以及替代水泥之成效與水化反應機制,了解研磨飛灰取代水泥之可能性。
研究結果發現研磨飛灰的重金屬溶出濃度大部份都相當低,甚至低於偵測極限。研磨時間96 hr所製成的研磨飛灰水泥漿體,其抗壓強度無論在各個水灰比以及養護齡期之下,皆略大於未經研磨之飛灰水泥漿體與市售水泥漿體。其原因為研磨飛灰水泥漿體之孔隙<0.01μm的分布比純水泥漿體高出許多,致使抗壓強度發展快速,以及研磨飛灰水泥漿體之聚矽陰離子長度較純水泥漿體小,因此形成較為緻密的膠體空間,增強水化反應之效果。





英文摘要 The major constituents of the MSWI fly ash are calcium, silicon, aluminum and iron etc; they are almost the same as the feedstock of cement. The MSWI fly ash recovery as a cement substitute not only to solve the cement raw materials using but also conform to the concept of sustainable use.
In this study four aspects were discussed: (1) comprehend the characteristic of MSWI fly ash; (2)confer the influence of the parameters of hydration to milling fly ash replace cement; (3)confer the mechanism of the reaction of pozzolanic of milling fly ash replace cement; (4) confer the influence of leaching of heavy metal.
The results indicated that:(1) The compressive strength of adding milling 96hr fly ash cement is higher than adding milling 0hr fly ash cement and ordinary portland cement of any W/C and age. (2) The TCLP leaching concentrations for the heavy metals (Cd, Pb, Zn, Cr, Cu) were all well below the regulatory thresholds. (3) The hole of adding milling fly ash is <0.01μm account compressive strength develop fast.(4) The C-S-H of adding milling fly ash is shorter than ordinary portland cement account have closeness space.
論文目次 目 錄
第一章 前 言....................................................................................1
1-1 研究緣起.............................................................................. 1
1-2 研究目的.............................................................................. 2
第二章 文獻回顧............................................................................. 3
2-1 都市垃圾焚化飛灰............................................................... 3
2-1-1 焚化飛灰來源及特性.................................................. 3
2-1-2 焚化飛灰物理性質...................................................... 4
2-1-3 焚化飛灰化學性質...................................................... 5
2-1-4 焚化飛灰中重金屬來源與特性................................... 6
2-2 水泥特性與性質.................................................................... 8
2-2-1 水泥原料與製程.......................................................... 9
2-2-2 水泥熟料礦物成分與水化反應................................... 11
2-2-3 水泥之水化作用及機制.............................................. 14
2-2-4 水泥漿體之微觀構造及對工程性質之影響............... 17
2-3 卜作嵐材料與反應............................................................... 24
2-3-1 卜作嵐材料.................................................................. 25
2-3-2 飛灰與氫氧化鈣的卜作嵐反應................................... 26
2-3-3 煉鋼爐渣在水泥漿體內的反應................................... 29
2-4 研磨處理之探討................................................................... 31
2-4-1 研磨理論...................................................................... 31
2-4-2 物理化學性質的變化.................................................. 31
第三章 實驗材料與研究方法.......................................................... 35
3-1 實驗方法................................................................................ 35
3-1-1 實驗設計...................................................................... 35
3-1-2 水洗前處理操作條件.................................................. 35
3-1-3 研磨處理操作條件...................................................... 36
3-1-4 實驗流程...................................................................... 38
3-2 實驗材料與設備................................................................... 41
3-2-1 實驗材料...................................................................... 41
3-2-2 實驗設備...................................................................... 41
3-3 分析方法................................................................................ 44
II
3-3-1 單軸抗壓強度.............................................................. 44
3-3-2 毒性特性溶出程序(TCLP) ........................................ 44
3-3-3 掃描式電子顯微鏡(SEM) .......................................... 44
3-3-4 X 光粉末繞射分析(XRD) ........................................... 45
3-3-5 壓汞式孔隙分析(MIP) ............................................... 45
3-3-6 固態核磁共振光譜儀(NMR).................................. 45
第四章 結果與討論......................................................................... 47
4-1 基本性質分析....................................................................... 47
4-1-1 都市垃圾焚化飛灰物理性質分析............................... 47
4-1-2 都市垃圾焚化飛灰化學性質分析............................... 49
4-1-3 水洗灰性質分析.......................................................... 52
4-2 研磨飛灰水泥漿體的工程性質........................................... 55
4-2-1 凝結時間...................................................................... 55
4-2-2 水泥漿體抗壓強度的發展........................................... 56
4-3 研磨飛灰重金屬溶出行為................................................... 62
4-4 研磨飛灰水泥漿體反應之探討........................................... 63
4-4-1 研磨飛灰水泥漿體的孔隙結構................................... 64
4-4-2 研磨飛灰水泥漿體水化產物的變化........................... 67
4-4-3 研磨飛灰水泥漿體之NMR 分析............................... 71
4-4-4 研磨飛灰水泥漿體卜作嵐反應................................... 74
第五章 結論與建議......................................................................... 77
5-1 結論...................................................................................... 77
5-2 建議...................................................................................... 78
參考文獻........................................................................................... 79

表目錄
表2-1 焚化系統中重金屬化合物之型態與分佈.................................... 8
表2-2 水泥單礦物成分表..................................................................... 10
表2-3 旋窯內熟料於各溫度之反應...................................................... 11
表2-4 各類型水泥之成分含量及性質................................................... 12
表2-5 C3S 之水化過程及機理............................................................. 13
表2-6 水泥漿體之主要組成成份及其性質.......................................... 20
表2-7 孔隙分類與水泥漿體工程性質之關係...................................... 24
表2-8 礦粉摻料之種類與材料............................................................. 25
表2-9 飛灰之化學及物理性質要求...................................................... 29
表2-10 爐渣之化學及物理性質要求.................................................... 30
表4-1 反應灰與鍋爐灰物理性質......................................................... 47
表4-2 鍋爐灰主要組成元素分析......................................................... 50
表4-3 鍋爐灰之重金屬含量................................................................. 50
表4-4 反應灰主要組成元素分析......................................................... 51
表4-5 反應灰之重金屬含量................................................................. 51
表4-6 反應灰TCLP 溶出濃度.............................................................. 52
表4-7 鍋爐灰TCLP 溶出濃度.............................................................. 52
表4-8 水洗灰之元素分析...................................................................... 54
表4-9 水洗灰之重金屬含量.................................................................. 54
表4-10 水洗灰毒性特性溶出程序......................................................... 55
表4-11 研磨飛灰取代量與漿體凝結時間............................................ 56
表4-12 研磨飛灰與市售水泥之比表面積............................................ 60
表4-13 研磨飛灰TCLP 溶出濃度........................................................ 63
表4-14 研磨飛灰水泥漿體(28 天)之聚矽陰離子長度.................... 74

圖目錄
圖2-1 飛灰粒徑分佈特性.......................................................................4
圖2-2 水泥製造程序圖...........................................................................9
圖2-3 水泥熟料單礦物之水化速率...................................................... 15
圖2-4 水泥熟料單礦物漿體抗壓強度之發展...................................... 15
圖2-5 水泥水化生成物及巨微觀性質之變化...................................... 21
圖2-6 卜作嵐物質與氫氧化鈣封孔效應圖.......................................... 26
圖2-7 飛灰反應示意圖......................................................................... 28
圖2-8 高爐熟料水泥早、晚期之卜作嵐反應...................................... 31
圖3-1 研磨飛灰水泥漿體水化參數...................................................... 38
圖3-2 研磨飛灰水泥漿體卜作嵐反應機制.......................................... 39
圖3-3 實驗流程..................................................................................... 40
圖3-4 毒性特性溶出程序(TCLP)流程............................................ 44
圖3-5 水泥矽酸鹽聚合物與水化產物之結構...................................... 46
圖4-1 反應灰粒徑分佈圖..................................................................... 48
圖4-2 鍋爐灰粒徑分佈圖..................................................................... 49
圖4-3 水洗灰粒徑分佈圖...................................................................... 53
圖4-4 水灰比 0.38 之抗壓強度圖....................................................... 57
圖4-5 水灰比 0.45 之抗壓強度圖....................................................... 58
圖4-6 水灰比 0.55 之抗壓強度圖....................................................... 58
圖4-7 齡期1 天之抗壓強度圖............................................................. 61
圖4-8 齡期3 天之抗壓強度圖............................................................. 61
圖4-9 齡期7 天之抗壓強度圖............................................................. 62
圖4-10 齡期28 天之抗壓強度圖......................................................... 62
圖4-11 研磨飛灰水泥漿體漿體孔隙大小分布圖................................. 65
圖4-12 研磨飛灰水泥漿體漿體孔隙大小分布圖................................. 66

圖4-13 研磨飛灰水泥漿體漿體孔隙大小分布圖................................. 66
圖4-14 研磨飛灰水泥漿體漿體孔隙大小分布圖................................. 67
圖4-15 研磨飛灰水泥漿體之X 光繞射分析圖譜................................ 69
圖4-16 研磨飛灰水泥漿體之X 光繞射分析圖譜................................ 69
圖4-17 研磨飛灰水泥漿體之X 光繞射分析圖譜................................ 70
圖4-18 研磨飛灰水泥漿體之X 光繞射分析圖譜................................ 70
圖4-19 研磨飛灰水泥漿體NMR 分析光譜圖...................................... 72
圖4-20 研磨飛灰水泥漿體NMR 分析光譜圖...................................... 72
圖4-21 研磨飛灰水泥漿體NMR 分析光譜圖...................................... 73
圖4-22 研磨飛灰水泥漿體NMR 分析光譜圖...................................... 73
圖4-23 研磨飛灰水泥漿體SEM 分析.................................................. 75
圖4-24 研磨飛灰水泥漿體SEM 分析.................................................. 75
圖4-25 研磨飛灰水泥漿體SEM 分析.................................................. 76
圖4-26 研磨飛灰水泥漿體SEM 分析.................................................. 76


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