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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:周信輝
研究生(外文):Shin-Hui Cuou
論文名稱:都市垃圾焚化反應灰安定化之研究
論文名稱(外文):Heavy Metal Stabilization of MSW Incinerator Fly ash
指導教授:蔡敏行
指導教授(外文):Min-Shing Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:資源工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:飛灰硫酸鐵硫酸亞鐵矽酸鈉碳酸鈉無害化
外文關鍵詞:Ferric sulfateNon-hazardousSodium carbonateSodium silicateFly ash
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本研究針對都市垃圾焚化反應灰進行安定化、無害化之實驗探討,考慮反應灰中所含CaCl2、Ca(OH)2 的活性,以藥劑安定法為研究主軸,選用矽酸鈉、碳酸鈉、硫酸鐵/硫酸亞鐵等三組安定化試劑分別與反應灰中的活性鈣成分產生反應,形成低溶解度之矽酸鈣、碳酸鈣、鐵氧磁體包覆層與難溶性重金屬化合物,以達抑制重金屬再溶出之目的。本文首先就反應灰樣品之成分、晶相組成、顯微結構以及TCLP 溶出試驗等進行瞭解,再對添加安定化試劑之試體探討其晶相組成、顯微結構、表面元素分布特性、多次TCLP 的重金屬溶出情形以及抗壓強度值,以了解添加安定化試劑的處理成效,期能提供國內反應灰處置之參考。
反應灰樣品的分析結果顯示,反應灰的顆粒微細,且TCLP 中重金屬Pb 的溶出濃度及pH 皆超過法規標準,因此反應灰須經過適當的中間處理防止其造成二次污染。
實驗結果顯示,添加矽酸鈉、碳酸鈉、硫酸鐵/硫酸亞鐵皆具有抑制反應灰中重金屬溶出之效果。當矽酸鈉添加量為10%,試體含水量為60%時,經養生1 天後可得抗壓強度達10kg/cm2 且TCLP 溶出低於法規限值之固化體。另外,XRD 之結果顯示有矽酸鈣類晶相與難溶性重金屬矽酸鹽生成,SEM、Mapping 之結果顯示試體顆粒表面生成有矽酸鈣類包覆層;同樣對反應灰添加10%碳酸鈉處理後之重金屬TCLP 溶出也低於法規限值,XRD 與SEM、Mapping 之結果顯示試體顆粒表面生成有碳酸鈣包覆層,抗壓強度測試結果卻顯示即使養生期延長為21 天也無法達到10kg/cm2 之抗壓強度;另外反應灰添加6.8%硫酸亞鐵與9.6%硫酸鐵溶液混練後,試體之重金屬TCLP 溶出也低於法規限值,XRD 結果可發現有硫酸鋅類化合物及石膏的晶相。由SEM、Mapping 可知,試體顆粒表面有石膏包覆層。然而,抗壓強度測試結果顯示即使養生期延長為21 天也無法達到10kg/cm2 之抗壓強度。

就所選用之三種添加藥劑效果而言,矽酸鈉添加劑具有較佳之重金屬安定化效果及固化效果,可達成反應灰安定化處理的目的。
The purpose of this research is stabilization and non-hazardous for municipal solid waste (MSW). At first, due to MSW contains some active
chemical materials like CaCl2 and Ca(OH)2, so it can be treated by chemical agent and stabilization methods. Therefore, sodium
silicate, sodium carbonate, ferrous sulfate and ferric sulfate are used individually to react with active calcium for solidification operation that can form low solubility calcium silicate, calcium silicate and ferrite compounds. These
compounds structure can effectively depress heavy resolute again in liquid. The experiment procedures are according to composed elements,
crystal phase, microstructure and TCLP test to realize properties of reaction ash. And the stabilization effect of treated samples can realize bynew crystal phase production elements distribution on particle surface, multiple TCLP test and stress strength. We hope these results may be useful in domestic.

Reaction ash analyze results reveal some characters that are tiny particle and high pH value. The importance is lead concentration in TCLP test exceed limitation. So the ash must be suitable treated and prevented pollution again.
The results show that the dissolve of heavy metals can be restrained by adding sodium silicate, sodium carbonate, ferrous sulfate and ferric sulfate. The compressive strength of solidified component are reach to 10kg/cm2 and the TCLP results of solidified component are below the regulated values when the adding ratio of sodium silicate are more than 10%, moisture content is 60% and curing time is 1 day. Besides, XRD spectrums show that calcium silicate hydrate and insoluble heavy metal
silicate are formed. SEM observation and EPMA mapping also show that the calcium silicate is formed on the particle surface.
The TCLP results of stabilized component are also below the regulated values when the adding ratio of sodium carbonate is 10%. XRD spectrums show that calcium carbonate is formed. SEM observation and EPMA mapping also show that the calcium carbonate is formed on the particle surface. Nevertheless, the results of compressive strength are not reached to 10kg/cm2 even if the curing time are up to 21 days.
As a comparison to the other two experiments, the TCLP results of stabilized component are also below the regulated values when the adding ratio of ferrous sulfate is 6.8% and ferric sulfate is 9.6%. XRD spectrum show that zinc sulfate and gypsum are formed. SEM observation and EPMA mapping also show that gypsum is formed on the particle surface.
Nevertheless, the results of compressive strength are not reached to 10kg/cm2 even if the curing time are up to 21 days.
As a matter of fact, sodium silicate has batter effect of stabilization and solidification among the three inorganic chemical reagents. The results are very informative in treating MSW incinerator reaction ash.
摘要......................................... i
Abstract .................................... iii
目錄......................................... I
表目錄....................................... III
圖目錄....................................... IV
照片目錄..................................... V
第一章緒論................................... 1
1-1 前言..................................... 1
1-2 國內外對於焚化飛灰/反應灰之管理政策...... 3
1-3 前人研究................................. 4
1-4 研究目的與內容........................... 6
第二章理論基礎............................... 8
2-1 固化/安定化基本定義...................... 8
2-2 固化/安定化反應機制...................... 9
2-3 矽酸鈉固定化原理........................ 10
2-4 碳酸鈉安定化原理........................ 11
2-5 鐵氧磁體安定化原理...................... 12
第三章研究方法.............................. 13
3-1 實驗材料................................ 13
3-1-1 反應灰................................ 13
3-1-2 安定化試劑............................ 13
3-2 實驗流程................................ 13
3-3 物理化學性質測試方法.................... 16
3-3-1 XRF 元素定性分析...................... 16
3-3-2 化學成分定量分析...................... 16
3-3-3 XRD 晶相鑑定.......................... 17
3-3-4 篩分與粒徑分佈........................ 17
3-3-5 電子顯微鏡觀察與表面分析.............. 17
3-3-6 毒性特性溶出萃取程序(TCLP)............ 17
3-3-7 多次毒性特性溶出萃取程序(Multiple TCLP)18
3-3-8 抗壓強度試驗.......................... 18
第四章結果與討論............................ 20
4-1 反應灰之物理化學性質.................... 20
4-1-1 外觀.................................. 20
4-1-2 粒徑分佈.............................. 20
4-1-3 SEM 觀察與EDS 半定量分析.............. 22
4-1-4 化學成分分析結果...................... 26
4-1-5 XRD 晶相解析.......................... 31
4-1-6 毒性溶出試驗(TCLP)結果................ 31
4-2 添加矽酸鈉處理.......................... 37
4-2-1 TCLP 及多次TCLP 結果.................. 37
4-2-2 添加矽酸鈉試體之XRD 結果.............. 45
4-2-3 添加矽酸鈉試體之SEM 與MAPPING ........ 48
4-2-4 添加矽酸鈉試體之抗壓強度測定結果...... 50
4-3 添加碳酸鈉處理.......................... 53
4-3-1 TCLP 及多次TCLP 結果.................. 53
4-3-2 添加碳酸鈉之試體XRD 結果.............. 55
4-3-3 添加碳酸鈉之試體SEM 與MAPPING ........ 62
4-3-4 添加碳酸鈉之試體抗壓強度測定結果...... 62
4-4 添加硫酸鐵/硫酸亞鐵處理................. 65
4-4-1 TCLP 及多次TCLP 結果.................. 65
4-4-2 添加硫酸鐵/硫酸亞鐵之試體XRD 結果..... 67
4-4-3 添加硫酸鐵/硫酸亞鐵之試體SEM 與MAPPING 67
4-4-4 添加硫酸鐵/硫酸亞鐵之試體抗壓強度測定結果75
第五章結論與建議............................ 77
5-1 結論.................................... 77
5-2 建議.................................... 79
參考文獻.................................... 80
表目錄
表1 尖晶石型鐵氧磁體可包含的金屬種類........ 12
表2 取樣焚化廠之簡介........................ 13
表3 反應灰之篩分析結果...................... 22
表4 反應灰之元素組成含量、pH 與含水率....... 27
表5 反應灰經TCLP 試驗後之性質............... 32
表6 添加矽酸鈉試體之水洗液重金屬分析(NL 樣品)45
表7 反應灰添加10%矽酸鈉之TCLP 結果.......... 52
表8 反應灰添加10%碳酸鈉之TCLP 結果.......... 63
表9 反應灰添加1.6M 硫酸鐵/硫酸亞鐵TCLP 結果. 76
圖目錄
圖1 實驗流程................................ 15
圖2 TCLP 實驗之操作流程..................... 19
圖3 -0.149mm 之反應灰粒徑分佈.............. 23
圖4 反應灰的EDS 分析........................ 24
圖5 反應灰之X 光螢光分析結果(NL 樣品)....... 28
圖6 反應灰之X 光螢光分析結果(BT 樣品)....... 29
圖7 反應灰之X 光螢光分析結果(SL 樣品) ...... 30
圖8 重金屬溶出濃度與pH ..................... 33
圖9 反應灰之XRD 晶相解析(NL 樣品)........... 34
圖10 反應灰之XRD 晶相解析(BT 樣品).......... 35
圖11 反應灰之XRD 晶相解析(SL 樣品) ......... 36
圖12 添加矽酸鈉試體之TCLP 結果.............. 40
圖13 不同矽酸鈉添加量試體之多次TCLP 累積溶失與pH
....................................... 41
圖14 不同矽酸鈉添加量試體之多次TCLP 溶出結果 42
圖15 矽酸鈉添加10%試體之XRD 圖.............. 46
圖16 矽酸鈉添加10%試體之水洗處理XRD 圖...... 47
圖17 不同矽酸鈉添加量試體隨時間延長之抗壓強度變
化結果................................. 51
圖18 不同水分添加量試體之抗壓強度結果....... 51
圖19 添加碳酸鈉試體之TCLP 結果.............. 56
圖20 不同碳酸鈉添加量試體之多次TCLP 累積溶失與
pH .................................... 57
圖21 不同碳酸鈉添加量試體之多次TCLP 溶出結果 58
圖22 碳酸鈉添加10%之試體XRD 圖.............. 61
圖23 添加碳酸鈉試體隨時間變化之抗壓強度結果. 62
圖24 添加硫酸鐵/硫酸亞鐵之試體TCLP 結果..... 68
圖25 不同硫酸鐵/硫酸亞鐵添加濃度試體之多次TCLP
累積溶失與pH........................... 69
圖26 不同硫酸鐵/硫酸亞鐵添加濃度試體之多次TCLP
溶出結果............................... 70
圖27 硫酸鐵/硫酸亞鐵添加1.6M 之試體XRD 圖... 73
圖28 添加硫酸鐵/硫酸亞鐵試體之抗壓強度結果.. 75
照片目錄
照片1 反應灰之外觀 ..................... 21
照片2 反應灰之顯微外觀...................... 25
照片3 矽酸鈉添加10%試體之顯微外觀與Mapping . 49
照片4 添加10%碳酸鈉試體之顯微外觀與Mapping . 64
照片5 添加1.6M 硫酸鐵/硫酸亞鐵試體之顯微外觀與
Mapping............................... 74
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