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系統識別號 U0002-1807201908315200
中文論文名稱 回收都市垃圾焚化飛灰燒製高價值陶瓷膜之研發
英文論文名稱 A Study on the High Value Ceramic Membrane Sintering by MSWI Fly Ash Recovery
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 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 吳少鈞
研究生英文姓名 Shau-Jiun Wu
學號 607480067
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-19
論文頁數 122頁
口試委員 指導教授-高思懷
委員-江康鈺
委員-林凱隆
中文關鍵字 垃圾焚化飛灰  機械化學研磨  低氧燒結  陶瓷濾膜 
英文關鍵字 Municipal solid waste incinerator fly ash  Mechano-chemical milling  Low oxygen sintering  Ceramic membrane 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 都市垃圾焚化後產生之飛灰,目前多以水泥固化後掩埋為主,我國由於掩埋用地取之困難且即將面臨掩埋容積飽和之現象,循環再利用已成為未來的趨勢。本研究團隊曾利用廢玻璃、飛灰、高嶺土及坡縷石燒結出最高等級之調濕陶瓷材料,擬將此經驗進而應用於更高價值廢水MBR陶瓷濾膜之研究。
首先,以液固比5洗除飛灰中之溶解性鹽類,再以液固比5進行機械化學濕式研磨1小時來穩定重金屬。接著經由適當摻配廢玻璃、坡縷石與高嶺土後,加壓製作生坯,並以充入氮氣進行低氧燒結,研製成多孔性陶瓷濾膜;成品經由清水通量、過濾能力、健度、孔隙分析、SEM、TCLP、XRD及金屬固相殘留率等分析,以確保其品質、功能與二次污染預防。
研究結果顯示,以玻璃:研磨灰:高嶺土=60:20:20燒結900 ℃,持溫30分鐘,得到最佳之樣品,燒結三相圖最佳成分落在SiO2 30-40 %,Al2O3 10-20 %,CaO等60-70 %;增加玻璃可降低燒結溫度,60 %之玻璃,僅需900 ℃,30-40 %之玻璃則須1,000 ℃;最佳條件之樣品,其抗彎強度達12.19 MPa;燒結溫度與玻璃量的增加有助於健度之提升,最佳條件之健度為0.27 %,遠低於標準之18 %;毒性溶出程序(TCLP)重金屬普遍低於焚化底渣再利用標準之1/10,以最佳條件為例,總鉻溶出為0.28 mg/L;陶瓷濾膜之清水通量,在多種壓力測試下都有優於市售日本陶瓷濾膜在1 kgf/cm2下,通量40 m3/m2/d的表現,最佳條件在0.8 kgf/cm2下其通量為126 m3/m2/d;以生活污水之活性污泥進行過濾能力之評估,其出流水之懸浮固體皆趨近於0。
英文摘要 Most of the municipal solid waste incinerator (MSWI) fly ash are solidified followed by landfilling currently. However, due to the difficulty of burying land and the imminent shortage of burying capacity, resource recycling is becoming the future trend. The research team used to blend the pretreated fly ash with waste glass, kaolin and palygorskite to sinter the highest level of humidity-controlling ceramic successfully. In this study, a higher value MBR ceramic membrane development was explored on the base of the past experience.
Firstly, the soluble salt in the fly ash was effectively washed out as liquid/solid ratio 5, followed by wet milling with liquid/solid ratio 5 for 1 hour, in order to stabilize the heavy metals; then blended with waste glass, palygorskite and kaolinite in different ratio to press in a mold, followed by sintered at different temperature and nitrogen injection to perform a low-oxygen atmosphere in order to control the heavy metal leaching. The porous ceramic membrane samples were analyzed by clear water flux, filtration ability, soundness, pore size analysis, SEM, TCLP, XRD and the metal residual, to ensure its quality, functionality and secondary pollution prevention.
The results indicated that, the prescription of waste glass: milled ash: kaolin for 60: 20: 20, sintered at 900 ℃, holding 30 min, was the best condition. The proper range of 3-phase diagram of sintering for SiO2: Al2O3: CaO were 30-40 %, 10-20 % and 60-70 % relatively; when the percentage of glass was increased, the required sintering temperature was lower, only 900 °C for the sample of 60 % glass was added, while 1,000 °C were needed for 30-40% glass. At the best conditions, the bending strength was 12.19 MPa. The increasing of sintering temperature and glass composition, could improve the weathering resistance, at the best condition, the soundness was 0.27%, which was far below the standard of 18%; the TCLP of heavy metals were generally less than 1/10 of the standard for reuse of MSWI bottom ash, at the best condition, T-Cr was 0.28 mg/L. The results of clear water flux tests were better than the commercialized Japanese product under the pressure at 1 kgf/cm2 and the flux was 40 m3/m2/d. The best condition was 126 m3/m2/d at the pressure 0.8 kgf/cm2. The filtration ability for the activated sludge of sewage treatment system, SS of the filtrate were all close to 0.
論文目次 目錄
第一章 研究緣起 1
1.1研究緣起 1
1.2研究內容 2
1.3研究目的 2
第二章 文獻回顧 4
2.1焚化灰渣之產量 4
2.1.1焚化灰渣之來源及種類 5
2.1.2焚化飛灰之物理特性 6
2.1.3焚化飛灰之化學特性 7
2.1.4焚化飛灰之毒性溶出特性及水洗處理 8
2.2廢玻璃之介紹 10
2.2.1廢玻璃之物理特性 11
2.2.2廢玻璃之化學特性 12
2.3高嶺土之介紹 13
2.4坡縷石之介紹 14
2.4.1坡縷石之特徵 14
2.4.2坡縷石之物化性質 15
2.4.3熱處理後活化坡縷石之物化性質 17
2.5機械化學濕式研磨程序 19
2.5.1機械化學原理 19
2.5.2機械化學運作過程 20
2.5.3機械化學之應用 21
2.5.4各種參數對機械化學製程的影響 22
2.6多孔陶瓷燒結技術 24
2.6.1燒結原理 24
2.7 MBR之介紹 27
2.7.1不同材質之MBR比較 28
第三章 研究方法 30
3.1實驗設計 30
3.2 實驗原料及前處理 31
3.2.1原料前處理 31
3.2.2生胚製作 33
3.2.3陶瓷膜製作 33
3.3實驗流程 34
3.4生胚調質 35
3.5樣品檢驗項目及分析方法 36
3.5.1原料分析 36
3.5.2陶瓷膜分析 38
3.6實驗設備及分析儀器 41
3.6.1實驗設備 41
3.6.2分析儀器 46
第四章 實驗結果與討論 49
4.1原料基本特性分析 49
4.1.1飛灰基本特性分析 49
4.1.2高嶺土基本特性分析 56
4.1.3坡縷石基本特性分析 59
4.1.4廢玻璃基本特性分析 62
4.2共同研磨與單純研磨之比較 65
4.3陶瓷膜於不同氣氛下燒結之分析 68
4.4研磨灰摻配高嶺土與坡縷石燒製陶瓷膜材料 70
4.4.1研磨灰摻配高嶺土與坡縷石燒結體之機械特性 72
4.4.2研磨灰摻配高嶺土與坡縷石之清水通量與過濾能力 78
4.5研磨灰摻配高嶺土燒製陶瓷膜材料 83
4.5.1研磨灰摻配高嶺土燒結體之機械特性 83
4.5.2研磨灰摻配高嶺土燒結體之清水通量與過濾能力 91
4.6陶瓷膜材料分析 96
4.6.1陶瓷膜材料之健度 96
4.6.2陶瓷膜材料之SEM分析 98
4.6.3陶瓷膜材料之孔隙分析 102
4.6.4陶瓷膜材料之毒性溶出試驗(TCLP) 107
4.6.5陶瓷膜材料之重金屬之固相殘留率分析 108
4.6.6陶瓷膜材料之XRD分析 110
4.6.7陶瓷膜材料之三相圖分析 114
第五章 結論與建議 115
5.1結論 115
5.2建議 117
參考文獻 118

圖目錄
圖1. 1 研究架構 3
圖2. 1 歷年焚化廠灰渣生成量統計 4
圖2. 2 北部某焚化爐之處理流程 6
圖2. 3 焚化反應灰之粒徑分佈圖(陳意翔,2017) 7
圖2. 4 飛灰多段(每段 L/S=5)水洗後水洗廢液氯離子含量變化 9
圖2. 5 廢玻璃容器歷年回收量 10
圖2. 6 坡縷石之外觀 15
圖2. 7 坡縷石之結構圖(Bradley, 1980) 15
圖2. 8 固相燒結機制(黃坤祥,2008) 25
圖2. 9 液相燒結機制(黃坤祥,2008) 26
圖3. 1 實驗流程圖 34
圖3. 2 電熱式乾燥烘箱 41
圖3. 3 電加熱式矩形高溫爐 42
圖3. 4 毒性特性溶出(TCLP)程序裝置 43
圖3. 5 桌上型球磨機 43
圖3. 6 高壓過濾裝置 44
圖3. 7 陶瓷膜過濾系統 45
圖3. 8 陶瓷膜過濾系統之法蘭 45
圖3. 9 陶瓷膜過濾系統之法蘭分解圖 45
圖3. 10 電感耦合電漿體光學發射光譜儀 46
圖3. 11 FE-SEM 場發射掃描式電子顯微鏡 47
圖3. 12 Bruker D8 X-光粉末繞射儀 47
圖3. 13 Micromeritics AutoPore IV 9520水銀測孔儀 48
圖4. 1 焚化反應灰外觀 50
圖4. 2 反應灰之SEM圖 51
圖4. 3 原反應灰之XRD分析 55
圖4. 4 水洗灰之XRD分析 55
圖4. 5 研磨灰之XRD分析 56
圖4. 6 高嶺土之外觀 56
圖4. 7 高嶺土之SEM圖 58
圖4. 8 高嶺土之XRD分析 59
圖4. 9 坡縷石之外觀 60
圖4. 10 坡縷石之SEM圖 61
圖4. 11 活化玻縷石之XRD分析 62
圖4. 12 廢玻璃粉之外觀 62
圖4. 13 廢玻璃之SEM圖 63
圖4. 14 廢玻璃之XRD分析 64
圖4. 15 生坯與燒結體之比較圖 70
圖4. 16 不同摻配比於900 ℃之燒失率 73
圖4. 17 不同摻配比於900 ℃之體積變化率 74
圖4. 18 不同摻配比於900 ℃之抗彎強度 75
圖4. 19 不同摻配比於900 ℃之吸水率 76
圖4. 20 不同摻配比於900 ℃之比重 77
圖4. 21 6112、6121、6202、6211之清水通量曲線圖 80
圖4. 22 6121過濾後之出流水 82
圖4. 23 6202過濾後之出流水 82
圖4. 24 6211過濾後之出流水 82
圖4. 25 研磨灰摻配高嶺土於不同燒結溫度與持溫時間之燒失率 85
圖4. 26 研磨灰摻配高嶺土不同燒結溫度與持溫時間體積變化率 86
圖4. 27 研磨灰摻配高嶺土於不同燒結溫度與持溫時間之抗彎強度 87
圖4. 28 研磨灰摻配高嶺土於不同燒結溫度與持溫時間之吸水率 88
圖4. 29 研磨灰摻配高嶺土於不同燒結溫度與持溫時間之比重 89
圖4. 30 研磨灰摻配高嶺土燒結體之清水通量 93
圖4. 31 a6220過濾後之出流水 95
圖4. 32 a4240過濾後之出流水 95
圖4. 33 a3250過濾後之出流水 95
圖4. 34 6220/900/30之SEM分析 99
圖4. 35 6220/1000/60之SEM分析 99
圖4. 36 6202/900/30之SEM分析 99
圖4. 37 3250/900/30之SEM分析 100
圖4. 38 a6220/900/30之SEM分析 100
圖4. 39 a4240/1000/60之SEM分析 100
圖4. 40 a3250/1000/60之SEM分析 101
圖4. 41 6220/900/30孔隙分析 103
圖4. 42 6220/1000/60孔隙分析 103
圖4. 43 3250/900/30孔隙分析 104
圖4. 44 a6220/900/30孔隙分析 104
圖4. 45 a4240/1000/60孔隙分析 105
圖4. 46 a3250/1000/60孔隙分析 105
圖4. 47 總累積孔隙體積 106
圖4. 48 6112於900 ℃燒結之XRD 110
圖4. 49 6121於900 ℃燒結之XRD 111
圖4. 50 6202於900 ℃燒結之XRD 111
圖4. 51 6211於900 ℃燒結之XRD 112
圖4. 52 a6220於900 ℃燒結之XRD 112
圖4. 53 a4240於1000 ℃燒結之XRD 113
圖4. 54 a3250於1000 ℃燒結之XRD 113
圖4. 55各種原料混合配比之三相圖 114

表目錄
表2. 1 灰渣來源及種類 5
表2. 2 玻璃之物理性質 11
表2. 3 廢玻璃粉成分組成 12
表2. 4 陶瓷平板MBR膜與有機膜之特性比較 29
表3. 1 生胚調質添加量表 35
表4. 1 焚化飛灰物理特性分析 50
表4. 2 焚化反應灰各元素百分比 52
表4. 3 焚化飛灰之重金屬總量 53
表4. 4 焚化反應灰之重金屬溶出試驗 54
表4. 5 高嶺土各元素含量 57
表4. 6 坡縷石各元素含量 60
表4. 7 廢玻璃各元素含量 63
表4. 8 共同研磨灰與單獨研磨灰之毒性溶出試驗 66
表4. 9 不同液固比研磨灰之毒性溶出試驗 66
表4. 10 不同研磨時間研磨灰之毒性溶出試驗 67
表4. 11 調濕陶瓷材料之毒性溶出試驗(陳意翔,2017) 68
表4. 12不同燒結氣氛之毒性溶出試驗(黃啟賓,2015) 69
表4. 13 不同燒結氣氛及氮氣流量之毒性溶出試驗 69
表4. 14 調濕陶瓷材料表(陳意翔,2017) 71
表4. 15 6112、6121、c6121、6202、6211之機械特性 72
表4. 16 6112及6121之清水通量 79
表4. 17 6202及6211之清水通量 79
表4. 18研磨灰摻配高嶺土與坡縷石燒結體之過濾能力 81
表4. 19 研磨灰摻配高嶺土燒結體之機械特性 83
表4. 20 研磨灰摻配活化高嶺土燒結體之機械特性 90
表4. 21 研磨灰摻配高嶺土燒結體之清水通量 91
表4. 22 研磨灰摻配高嶺土燒結體之過濾能力 94
表4. 23 研磨灰摻配高嶺土與坡縷石燒結體之健度 96
表4. 24 研磨灰摻配高嶺土燒結體之健度 97
表4. 25 研磨灰摻配活化高嶺土燒結體之健度 97
表4. 26 陶瓷膜材料之毒性溶出試驗 107
表4. 27 陶瓷膜材料之重金屬固相殘留率 108
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