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系統識別號 U0002-2207200908553400
中文論文名稱 前處理程序對於垃圾焚化飛灰再利用為水泥取代料之研究
英文論文名稱 The pre-treatment process for recovery of MSW incinerator fly ash as 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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 李孟翰
研究生英文姓名 Meng-Han Li
學號 696480192
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-06-03
論文頁數 109頁
口試委員 指導教授-高思懷
委員-曾迪華
委員-孫長榮
中文關鍵字 飛灰  水萃  研磨  磷酸  硫酸鹽  重金屬  健度 
英文關鍵字 Fly ash  water-extraction  wet-ball-milling  phosphoric acid  sulphates  heavy metals  soundness 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 都市垃圾焚化飛灰是一種性質複雜且不易處理之有害廢棄物,因此焚化飛灰的回收再利用已成為未來的趨勢,其中將飛灰取代部分水泥製成環保水泥是最具有資源化的潛力,但是飛灰中有氯鹽、重金屬及硫酸鹽等問題,因此處理飛灰中有害物質為再利用前的首要考量。
本研究利用水萃、研磨、磷酸穩定搭配研磨等程序處理焚化飛灰。將處理後飛灰取代部分水泥,製成水泥漿體,以強度及健度等測試來觀察經過處理之後的粉體對於取代水泥後的影響,再以XRD及SEM來觀察卜作嵐反應及水化發展。
由實驗結果得知,飛灰經由水萃程序後,能萃出大量氯鹽、重金屬及硫酸鹽,降低飛灰中硫酸鹽含量及重金屬TCLP之溶出濃度,而鍋爐灰經水萃後仍有13.49 %的SO3,導致取代後漿體膨脹,因此不適用於取代部份水泥。濕式球磨10分鐘內即可降低粒徑至10μm以下,添加10 %能使強度提升6~24 %,健度增加18 %,但是長時間研磨卻會生成CaCO3,對水泥造成傷害。水萃後磷酸穩定搭配研磨10分鐘後能使TCLP低於法規標準,雖然對水泥強度略有影響,但仍優於市售水泥,而且健度能提升11~22 %,因此能真正達到無害化再利用。
英文摘要 Municipal solid waste incinerator (MSWI) fly ashes (reaction fly ash and boiler fly ash) are hazardous wastes that contained complex compositions cause difficult treating. Recycling of the fly ash will be a future tendency in many countries. Fly ash displaced part of cement as a structure material is a potential technique. However, fly ash contains some adverse materials during recycling process, such as chloride, heavy metals, and sulfur, must be removed or stabilized in the fly ash before recycling.
In this study, water extraction and phosphoric acid stabilization with wet ball milling process were used to treat the MSWI fly ash. The water extraction could extract a great quantity of chloride. The phosphoric acid stabilization with wet ball milling process can reduce the particle size of fly ash and stabilize the heavy metals in the fly ash. The analytic methods were used to test the characteristic of the paste as following: the compress strength test and soundness test used to understand the effect of the stabilized finer particles filled the pore of cement paste when the fly ash displaced a part of cement. The XRD and SEM analysis were used to observe the pozzolanic reaction and the hydration development.
From the results of the experiment, after the water extraction process, the chloride, heavy metals, and sulfur could be removed from the fly ash. The TCLP concentrations of heavy metals were reduced at the same time. The boiler fly ash still remains 13.49% of SO3 after the water extraction, which brings on the expansion of the paste, it is not suitable for displaced the cement. The 10 minutes of the milling could reduce the particle size below 10μm. 10% additive of treated fly ash could raise 6~24 % and 18% of the compress strength and soundness, respectively. But the long terms of milling, the CaCO3 would be produced and have an adverse effect on the hydration developing. The reaction fly ash through the water extraction, phosphoric acid stabilization, and 10 minutes milling processes, the TCLP concentration can meet the regulatory limit and the soundness could be raise 11-22%, which can reach the aim of non hazardous and recycling.
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 垃圾焚化飛灰之來源及特性 3
2-1-1焚化飛灰之物理化學性質 4
2-1-2焚化飛灰中重金屬來源與溶出特性 6
2-2 水泥特性與性質 9
2-2-1水泥原料與製程 9
2-2-2波特蘭水泥的分類 10
2-2-3水泥熟料礦物成分與水化作用 11
2-2-4水泥漿體之微觀結構 18
2-2-4-1固相微結構 18
2-2-4-2非固相結構 22
2-3各種不純物對水泥之影響 24
2-4卜作嵐材料之性質與應用 27
2-4-1卜作嵐材料 28
2-4-2飛灰之卜作嵐反應 29
2-4-3卜作嵐材料之相關應用 32
2-5 穩定前處理程序之相關文獻 34
2-5-1水萃處理焚化飛灰 34
2-5-2磷酸穩定重金屬 35
2-5-3研磨粉體技術 37
2-5-3-1研磨理論 37
2-5-3-2研磨對於粉體特性之影響 38
2-5-3-3研磨飛灰對於應用於水泥材料之影響 39
第三章 實驗材料、設備與研究方法 40
3-1 實驗材料 40
3-2 實驗方法 41
3-2-1 實驗設計 41
3-2-2 研究流程圖 42
3-2-3 二段水萃 43
3-2-4 濕式研磨 44
3-2-5 磷酸穩定搭配研磨處理 45
3-3 實驗藥品及器材 46
3-4 實驗設備 47
3-5 分析設備 48
3-6 實驗方法 50
第四章 結果與討論 57
4-1 基本性質分析 57
4-1-1 飛灰性質分析 57
4-1-1-1 pH值、含水率及灼燒減量 57
4-1-1-2 粒徑分析 58
4-1-1-3 元素分析與重金屬含量 58
4-1-1-4 TCLP溶出濃度 59
4-1-2 水萃飛灰性質分析 60
4-1-2-1水萃飛灰粒徑分析 60
4-1-2-2水萃飛灰元素與重金屬含量 61
4-1-2-3水萃飛灰TCLP溶出濃度 62
4-2 硫酸鹽對水萃飛灰取代水泥之影響 63
4-2-1 水萃對飛灰中硫酸鹽之影響 63
4-2-1-1水萃前後飛灰XRD晶相物種分析 63
4-2-1-2水萃前後飛灰硫酸鹽含量分析 65
4-2-2 硫酸鹽對水泥漿體之影響 67
4-2-2-1水萃飛灰水泥抗壓強度分析 67
4-2-2-2水萃飛灰水泥漿體SEM分析 68
4-3 研磨水萃反應灰取代水泥之影響 70
4-3-1 研磨處理對水萃反應灰之影響 70
4-3-1-1研磨時間對粒徑之影響 70
4-3-1-2研磨處理對XRD物種分析及研磨液濃度之影響 71
4-3-1-3研磨處理對TCLP及研磨液重金屬溶出之影響 74
4-3-2 研磨處理對水泥漿體的影響 76
4-3-2-1抗壓強度發展 76
4-3-2-2健度分析 81
4-3-2-3凝結時間 83
4-3-2-4水泥漿體SEM分析 84
4-3-2-5水泥漿體XRD分析 88
4-4 磷酸穩定搭配研磨對水萃反應灰取代水泥之影響 92
4-4-1 磷酸穩定搭配研磨對水萃反應灰的影響 92
4-4-1-1磷酸穩定搭配研磨之TCLP溶出濃度 92
4-4-1-2磷酸穩定搭配研磨之XRD晶相物種分析 94
4-4-2 磷酸穩定搭配研磨對水泥漿體的影響 95
4-4-2-1水泥漿體抗壓強度發展 95
4-4-2-2健度分析 96
4-4-2-3水泥漿體SEM分析 97
第五章 結論與建議 99
5-1結論 99
5-2建議 100
參考文獻 101

圖目錄
圖 2-1 水泥製造程序圖 9
圖 2-2 卜作嵐物質與氫氧化鈣封孔效應圖 29
圖 2-3 飛灰反應示意圖 31
圖 3-1 研究流程圖 42
圖 3-2 研究流程圖 43
圖 3-2 桌上型球磨機 47
圖 4-1 反應灰、鍋爐灰的粒徑分佈 58
圖 4-2 水萃灰粒徑分析 61
圖 4-3 反應灰水萃前後XRD圖 64
圖 4-4 鍋爐灰水萃前後XRD圖 64
圖 4-5 飛灰第一段水萃液沈澱物XRD圖 66
圖 4-6 水萃飛灰水泥漿體之抗壓強度 68
圖 4-7 水萃鍋爐灰取代水泥後的膨脹現象 68
圖 4-8 水萃鍋爐灰取代後之SEM圖 69
圖 4-9 水萃鍋爐灰取代後之SEM圖 69
圖 4-10 不同研磨時間之d50分佈圖 71
圖 4-11 不同研磨時間之粒徑分佈圖(水) 71
圖 4-12 研磨水萃反應灰之XRD圖(水) 72
圖 4-13 不同研磨時間下的Ca(OH)2變化量 73
圖 4-14 不同研磨時間下的CaCO3變化量 73
圖 4-15 研磨水萃反應灰之XRD圖(乙醇) 74
圖 4-16 研磨水萃反應灰取代後於各齡期之抗壓強度圖 78
圖 4-17 研磨水萃反應灰取代後於各齡期之相對強度圖 79
圖 4-18 研磨60分水萃反應灰取代後之膨脹情形 79
圖 4-19 兩種研磨液研磨不同時間於28天齡期之相對強度圖 80
圖 4-20 兩種研磨液研磨60分於各齡期之相對強度圖 80
圖 4-21 60天健度分析之樣品外觀 81
圖 4-22 研磨水萃反應灰取代後之60天健度分析 82
圖 4-23 研磨水萃反應灰取代後之60天健度比較分析 82
圖 4-24 純水泥漿體SEM分析(3天) 85
圖 4-25 研磨水萃反應灰10分鐘漿體SEM分析(3天) 85
圖 4-26 研磨水萃反應灰30分鐘漿體SEM分析(3天) 85
圖 4-27 純水泥漿體SEM分析(7天) 86
圖 4-28 研磨水萃反應灰10分鐘漿體SEM分析(7天) 86
圖 4-29 研磨水萃反應灰30分鐘漿體SEM分析(7天) 86
圖 4-30 純水泥漿體SEM分析(28天) 87
圖 4-31 研磨水萃反應灰10分鐘漿體SEM分析(28天) 87
圖 4-32 研磨水萃反應灰30分鐘漿體SEM分析(28天) 87
圖 4-33 純水泥漿體XRD圖 89
圖 4-34 水萃反應灰水泥漿體XRD圖 90
圖 4-35 研磨10分水萃反應灰水泥漿體XRD圖 90
圖 4-36 研磨30分水萃反應灰水泥漿體XRD圖 91
圖 4-37 研磨60分水萃反應灰水泥漿體XRD圖 91
圖 4-38 磷酸穩定搭配研磨水萃反應灰之60天健度分析 97
圖 4-39 0.02M磷酸穩定之水萃反應灰漿體SEM分析(3天) 98
圖 4-40 0.2M磷酸穩定之水萃反應灰漿體SEM分析(3天) 98
圖 4-41 0.8M磷酸穩定之水萃反應灰漿體SEM分析(3天) 98

表目錄
表 2-1 垃圾中重金屬來源 6
表 2-2 波特蘭水泥主要成分表 11
表 2-3 波特蘭水泥化學簡寫符號說明 11
表 2-4 各類型水泥之成分含量及性質 12
表 2-5 波特蘭第Ⅰ型水泥之化學成分與物理性質標準規定 13
表 2-6 矽酸鈣鹽類之水化過程及機理 14
表 2-7 水泥漿體之微結構組成及特性 21
表 2-8 水泥漿體非固相結構分類與性質 24
表 2-9 礦粉摻料之種類與材料 27
表 2-10 飛灰之化學及物理性質要求 32
表 2-11 磷酸鹽礦物的Ksp值 37
表 3-1 實驗藥品 46
表 3-2 實驗材料器具 46
表 4-1 飛灰物理性質 58
表 4-2 反應灰、鍋爐灰主要組成元素分析 59
表 4-3 反應灰、鍋爐灰之重金屬含量 59
表 4-4 飛灰TCLP溶出濃度 60
表 4-5 水萃灰主要組成元素分析 61
表 4-6 水萃灰之重金屬含量 62
表 4-7 水萃反應灰及水萃鍋爐灰TCLP溶出濃度 62
表 4-8 飛灰水萃廢液濃度 65
表 4-9 飛灰水萃前後硫化物含量 67
表 4-10飛灰水萃液中硫化物含量 67
表 4-11 水萃反應灰研磨液濃度 74
表 4-12 研磨水萃反應灰TCLP重金屬濃度 75
表 4-13 水萃反應灰研磨液重金屬濃度 76
表 4-14 研磨水萃反應灰水泥漿體之凝結時間 83
表 4-15 磷酸穩定搭配研磨之TCLP重金屬濃度 93
表 4-16 磷酸穩定搭配研磨之研磨液重金屬濃度 93
表 4-17 磷酸穩定搭配研磨之XRD分析 94
表 4-18 磷酸穩定搭配研磨取代後之抗壓強度 96
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