臺灣博碩士論文加值系統

台灣地區因經濟快速發展及人口密度的增加，每年產生的廢棄物數量龐大，過去主要以掩埋方式處理廢棄物，但現今國人環保意識的抬頭及掩埋場地不易取得，因此政府計畫在民國94年底前興建完成30座焚化廠，屆時每年將有150-200萬噸之焚化灰渣。此等灰渣因含有重金屬或戴奧辛等有害物質，若未加妥善處理，勢必對生態環境造成嚴重的衝擊。本研究係以電漿高溫熔融玻璃化技術處理焚化灰渣，研究焚化灰渣最佳的混合配比、鹽基度的調整及探討不同冷卻方式（爐冷及水淬）所得到之熔渣性質等，將熔渣經粉末燒結熱處理（850-1150℃）製成性質優良的微晶材料（Microstructure Materials），可應用於建築結構材料、絕緣材料等，實具有商業化潛力並提供焚化灰渣資源化方向。
研究結果顯示，焚化灰渣在熔融過程中，Pb、Cd及Cu等重金屬極易揮發至氣相中，而Cr則殘留至熔渣中。不同粒徑的水淬熔渣粉末經非等溫熱分析法實驗後顯示，玻璃熔渣的結晶活化能在600-670 kJ/mol之間，且結晶機制應屬於表面結晶作用。小型電漿爐先導試驗中，熔渣-13製成微晶材料的各項性質較熔渣-31製成的微晶材料為佳。大型電漿爐製程中，灰渣熔融水淬後所得的玻璃質熔渣，經粉碎、成型及熱處理後，形成的微晶材料性質明顯優於爐冷熔渣製成的微晶材料，在熱處理條件為1100-1150℃持溫2小時所得微晶材料的基本物理性質、機械強度及化學抗蝕性為最佳，其結晶相為透輝石（Diopside）及鈣鋁黃長石（Gehlenite）。此等微晶材料可依所需性質製成緻密或多孔之材料，可達到環保及廢棄物資源化的目的。

Due to the population density was higher and rising quickly, the suitable place for traditional landfill was getting difficulty to find in Taiwan. Therefore, there are 30 MSW incinerators under construction and will be completed before end of 2005. It is estimated that over 1.5 to 2.0 million tones of incinerator ashes will be generated annually. These incinerated ashes contain large amount of hazardous materials such as heavy metals and Dioxins. If these hazardous materials cannot be carefully treated, it can be endanger the ecological environment. This research work applied the thermal plasma melting and vitrification technology to treat incinerator ashes. The melted slag can be produced the microstructure materials via sintering and heat treatment procedure.
The experiment results showed that large amount of heavy metals, such as, Pb, Cd and Cu, evaporated into gas phase during melting, but Cr still remained in the incinerator ashes based slag. The activation energy of the crystallization for quenched slag were around 600-670 kJmol-1 by using non-isothermal method. During the lab-scale plasma molten system, the characterizations of the microstructure materials from slag-13 were better than that of fabricated form slag-31. When using the pilot-scale plasma molten system, the melting was quenching into water in order to obtain the glassiness slag. The properties of the microstructure materials from quenched slag were better than that of manufactured by slowly cooled slag. The best physical/mechanical and chemical resistance properties of the microstructure materials were produced at 1100-1150℃ for 2 hours heat treatment. Diopside and gehlenite were formed as the major crystalline phases. These microstructure materials have great potential for reutilization as non-porous or water permeable materials.

中文摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 x
第一章 緒論 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 國內垃圾處理現況 3
2.2 焚化灰渣之來源及特性 5
2.2.1 焚化灰渣種類及來源 5
2.2.2 焚化灰渣之物理及化學特性 7
2.2.2.1 焚化灰渣的物理特性 7
2.2.2.2 焚化灰渣的粒徑分佈 8
2.2.2.3 焚化灰渣的化學特性 9
2.2.2.4 焚化灰渣的pH值 12
2.2.2.5 焚化灰渣的重金屬溶出特性 12
2.3 焚化灰渣之處理及資源化技術 13
2.3.1 國外灰渣之處理方式 13
2.3.2 國內灰渣之處理方式 16
2.3.3 焚化灰渣之中間處理技術 17
2.3.4 焚化灰渣之資源化技術與利用 19
2.4 焚化灰渣製成微晶材料之相關研究 21
第三章 電漿原理與熔融技術 25
3.1 電漿原理 25
3.2 電漿熔融技術 26
3.3 熔渣玻璃化機制與熔渣種類 29
3.4 焚化灰渣鹽基度與熔流點之關係 31
3.5 電漿熔融處理技術之現況 33
3.5.1 國外之電漿處理技術 33
3.5.2 國內之電漿處理技術 36
第四章 理論基礎 38
4.1 陶瓷、玻璃及玻璃陶瓷 38
4.2 玻璃之製造原理 40
4.3 成核理論 44
4.4 結晶成長機制 46
4.5 燒結理論 48
4.5.1 燒結機制 50
4.6 玻璃結晶作用之動力學 53
4.6.1 活化能的計算 54
第五章 研究方法及步驟 61
5.1 實驗材料 61
5.1.1 焚化灰渣 61
5.1.2 焚化灰渣之粒徑與顯微組織 61
5.1.3 焚化灰渣之化學成份與性質 66
5.1.4 焚化灰渣之X-ray繞射分析 69
5.2 實驗設備 71
5.2.1 電漿爐 71
5.2.2 可程式高溫電爐 74
5.2.3 旋轉萃取機 74
5.2.4 雷射粒度測定儀 75
5.2.5 熱差分析儀 75
5.2.6 X-ray繞射分析儀 75
5.2.7 感應耦合電漿原子發射光譜分析儀 76
5.2.8 掃瞄式電子顯微鏡 76
5.2.9 微波消化器 76
5.2.10 硬度試驗機 77
5.2.11 萬能強度試驗機 77
5.2.12 電阻係數分析儀 77
5.3 實驗流程 78
5.3.1 焚化灰渣原料之性質分析 78
5.3.2 焚化灰渣高溫熔融重金屬蒸發特性 80
5.3.3 熔融水淬熔渣之結晶作用動力學探討 82
5.3.4 微晶材料之製程 84
5.3.4.1 微晶材料小型電漿爐先導試驗製程 84
5.3.4.2 微晶材料大型電漿爐製程 86
第六章 實驗結果與討論 90
6.1焚化灰渣高溫熔融重金屬蒸發特性 90
6.1.1 焚化灰渣經鍛燒後重量縮減情形 90
6.1.2 焚化灰渣經鍛燒後重金屬蒸發結果 91
6.2 熔渣之基本性質 94
6.2.1 熔渣之物理性質 94
6.2.2 熔渣之X-ray繞射分析 97
6.2.3 水淬熔渣之化學成份 98
6.2.4 熔渣之毒物特性溶出試驗結果 99
6.3 水淬熔渣之結晶動力學 100
6.3.1 不同升溫速率對結晶放熱峰溫度影響 100
6.3.2 水淬熔渣結晶作用之活化能 104
6.4 微晶材料小型電漿爐先導試驗結果 109
6.4.1 爐冷熔渣之熱差分析 109
6.4.2 微晶材料之結晶相鑑定 110
6.4.3 微晶材料之微結構觀察 112
6.4.4 微晶材料之基本物理性質 114
6.4.5 微晶材料之機械性質 119
6.4.6 微晶材料之化學抗蝕性 121
6.5 微晶材料大型電漿爐試驗結果 122
6.5.1 水淬熔渣之熱差分析 122
6.5.2 微晶材料之結晶相鑑定 124
6.5.3 微晶材料之微結構觀察 126
6.5.4 微晶材料之基本物理性質 130
6.5.5 微晶材料之機械性質 136
6.5.6 微晶材料之化學抗蝕性 138
6.6 微晶材料之比較 140
第七章 結論與建議 144
7.1 結論 144
7.2 建議 146
參考文獻 147
附錄A 各項實驗之性質分析結果 154
附錄B 微晶材料照片 162

1.行政院，2004，挑戰：2008國家發展重點計畫（2002-2007） 2003.01.06修訂版，國家發展重點計畫研討會議。
2.行政院環保署，1999，垃圾焚化灰渣利用之研發建制及推廣計畫(第三年)，EPA-88-U1H1-03-003，行政院環境保護署編印。
3.行政院環保署，2000，垃圾焚化爐灰渣利用之研發建及推廣計畫（第三年度）都市垃圾焚化爐飛灰電漿熔融處理之評估，EPA-89-U1H1-03-280，行政院環境保護署編印。
4.行政院環保署網站，2004，http://www.epa.gov.tw/P2/p2-4.htm
5.何春松，2003，電漿熔融技術處理焚化爐灰渣之實例探討，台灣環保產業雙月刊，第19期，第5-9頁。
6.李釗、江少鋒及郭文田，1996，都市垃圾焚化灰渣做為混凝土細骨材之可行性研究，一般廢棄物焚化灰渣資源化技術與實務研討會，第91-112頁。
7.邱太銘，1998，電漿焚化熔融技術於廢棄物處理之應用，核研季刊，第27期，第23-33頁。
8.吳振名，1994，玻璃陶瓷，陶瓷技術手冊（下），經濟部技術處，第963-986頁。
9.周信輝，2001，都市垃圾焚化反應灰安定化之研究，碩士論文，國立成功大學資源工程研究所。
10.林舜天，1994，燒結胚體性質之測試，粉末冶金技術手冊，經濟部技術處，第232-249頁。
11.林傑、王更新、陳明達、孫丕和及楊仁智，2003，第18屆廢棄物處理技術研討會論文集，中華民國環境工程學會，第4-17頁
12.孫世勤，2004，垃圾焚化飛灰熔融處理技術，93年度垃圾焚化飛灰資源化處理在利用技術論壇，第3-1 — 3-20頁。
13.徐錦志，1993，玻璃陶瓷材料，大同材料，第7期，第29-44頁。
14.徐錦志，2000，微晶玻璃陶瓷，陶業季刊，第19卷，第11-18頁。
15.陳永翔，2001，焚化灰渣熔融及資源化處理之研究，碩士論文，國立台北科技大學材料及資源工程系碩士班。
16.張旭彰，1993，灰渣熔融處理法的理論與實務，工業防治污染，第48期， pp.95-112。
17.黃奕叡，2002，廢棄物焚化灰渣熱熔之研究，碩士論文，國立成功大學環境工程學系。
18.張祖恩、魏玉麟、王鴻博、許琦及黃木域，1999，焚化灰渣物化特性及其溶出毒性之調查研究，第14屆廢棄物處理技術研討會論文集，中華民國環境工程學會，第6-20 — 6-23頁。
19.童國峰，1997，CaF2對Al2O3陶瓷微結構之影響，碩士論文，國立成功大學材料科學及工程研究所。
20.曾錦清，2004，焚化爐飛灰電漿熔融處理技術，93年度垃圾焚化飛灰資源化處理在利用技術論壇，第4-1-4-15頁。
21.楊金鍾，2004，利用煉鋼廠電弧爐熔融處理垃圾焚化飛灰，93年度垃圾焚化飛灰資源化處理在利用技術論壇，第5-1 - 5-15頁。
22.楊金鍾、黃靜雯及楊叢印，2000，垃圾焚化飛灰/反應產物合成沸石之資源化研究，廢棄物資源再生技術研究成果發表會論文集，國科會工程科技推展中心，第81-114頁。
23.詹炯淵，2001，垃圾焚化飛灰管理對策之研究，碩士論文，國立台灣大學環境工程學研究所。
24.經濟部，2003，焚化灰渣處理技術之探討（二），資源化產業資訊，第9期，技術報導。
25.經濟部技術處，1994，粉末冶金技術手冊，中華民國產業科技發展協會、中華民國粉末冶金協會出版。
26.經濟部技術處，1994，陶瓷技術技術手冊，中華民國產業科技發展協會、中華民國粉末冶金協會出版。
27.溫惠玲，2000，由Boehmite製得之氧化鋁粉末的θ→α-Al2O3相轉換，博士論文，國立成功大學資源工程研究所。
28.廖岑樓，1991，磷酸鈣玻璃陶瓷添加氧化鋁之結晶性與動力學的研究，碩士論文，私立中原大學化學研究所。
29.廖明村，2004，焚化灰渣特性及處理說明，93年度垃圾焚化飛灰資源化處理在利用技術論壇，第2-1 — 2-16頁。
30.廖明村及張豐藤，1998，垃圾焚化灰渣處理處置及資源化技術探討，中興工程，第60期，第125-136頁。
31.劉建良、孫常榮、張君偉及王鯤生，1999，都市垃圾焚化飛灰組成對燒結特性之影響，第14屆廢棄物處理技術研討會論文集，中華民國環境工程學會，第74-80頁。
32.劉振興，2002，以溶凝膠法與熔淬法製備菫青石玻璃陶瓷之結晶動力學研究，碩士論文，國立交通大學材料科學與工程研究所。
33.Augis, J. A. and Bennett, J. E., 1978, “Calculation of the Avrami parameters for heterogeneous solid-state reactions using a modification of the Kissinger method”, J. Therm. Anal., Vol. 13, pp. 283-292.
34.Boccaccini, A. R., KÖpf, M. and Stumpfe, W., 1995, “Glass-ceramics from filter dusts from waste incinerators”, Ceramics International, Vol.21, pp.231-235.
35.Barbieri, L., Corradi, A. and Lancellotti, I., 2000, “Bulk and sintered glass-ceramic by recycling municipal incinerator bottom ash”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 20, pp. 1637-1643.
36.Chandler, A.J., Eighmy, T.T., Hartlen, J., Hjelmar, O., Kosson, D.S., Sawell, S.E., Sloot, H.A. van der and Vehlow, J., 1997, “Municipal solid waste incinerator residues”, Studies in Environmental Science 67, The International Ash Working Group, Elsevier, Science B.V., New York.
37.Cheng, K., 1999, “Determining crystallization kinetic parameters of Li2O-Al2O3-SiO2 glass from derivative differential thermal analysis curves”, Materials Science and Engineering, Vol. B60, pp.194-199.
38.Cheng, T. W., 2003, “Combined glassification of EAF dust and incinerator fly ash”, Chemosphere, Vol. 50, pp. 47-51.
39.Cheng, T. W. and Chen, Y. S., 2003, “On formation of CaO-Al2O3-SiO2 glass-ceramics by vitrification of incinerator fly ash”, Chemosphere, Vol. 51, pp. 817-824.
40.Cheng, T. W., Chu. J. P., Tzeng, C. C. and Chen, Y. S., 2002A, “Treatment and recycling of incinerated ash using thermal plasma technology”, Waste Management, Vol. 22, pp. 485-490.
41.Cheng, T. W., Ueng, T. H., Chen, Y. S. and Chu, J. P., 2002A, “Production of glass-ceramic from incinerator fly ash”, Ceramics International, Vol. 28 , pp. 779-783.
42.Colombo, P., Brusatin, G., Bernardo, E. and Scarinci, G., 2003, “Inertization and reuse of waste materials by vitrification and fabrication of glass-based products”, Current Opinion Solid State & Materials Science, Vol. 7, pp. 225-239.
43.Eighmy, T. T. and Kosson, D. S., 1996, “U.S.A. National overview on waste management,” Waste Management, Vol. 16, pp. 361-366.
44.German, R. M., 1996, “Sintering theory and practice”, John Wiley ＆ Sons, Inc., New York, Chichester, Brisbance, Toronto, Singapore.
45.Ikegami, T., 1999, “Early-stage sintering in a powder compact of polyhedral particles I.models”, Ceramics International, Vol. 25, pp. 415-424.
46.Jakob, A., Stucki, S. and Kuhn, P., 1995, “Evaporation of heavy metals during the heat treatment of municipal Solid waste incinerator fly ash”, Environment Science & Technology, Vol. 29, pp. 2429-2436.
47.Jena, A. K. and Chaturvedi, M. C., 1992, ”Phase transformation in materials”, Prentice Hall, New Jersey.
48.Jimbo, H., 1998, “Plasma melting and useful application of molten slag”, Waste Management, Vol. 16, pp. 417-422.
49.Karamanov, A., Pelino, M. and Hreglich, A., 2003A, “Sintered glass-ceramic from incinerator fly ashes. Part Ⅱ: The influence of the particle size and heat-treatment on the properties”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 23, pp. 1609-1615.
50.Karamanov, A., Pelino, M., Salvo, M. and Metekovits, I., 2003B, “Sintered glass-ceramic from municipal solid waste-incinerator fly ashes－part I: the influence of the heating rate on the sinter-crystallisation”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 23, pp. 827-832.
51.Kim, J., Kim, H. S., 2004, “Glass-ceramic produced from a municipal waste incinerator fly ash with high Cl content”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 24, pp. 2373-2382.
52.Kingery, W.D., Bowen, H.K.and Uhlmann, D. R., 1991, “Introduction to Creamis 2nd Edition”, Wiley, J. and Singapore, S., New York.
53.Kissinger, H. E., 1957, “Reaction kinetics in differential thermal analysis”, Analytical Chemistry, Vol. 29, pp.1702-1706.
54.Kosson, D.S., Sloot, H.A. van der and Eighmy, T. T., 1996, “An approach for estimation of contaminant release during utilization and disposal of municipal waste combustion residues” Journal Hazardous Materials, Vol. 47, pp. 43-75.
55.Lewis, M. H., 1989, “Glass and glass-ceramics”, Chapman and Hall, London, New York.
56.Marotta, A., Buri, A. and Valenti, G. L., 1978, “Crystallization kinetics of gehlenite glass”, J. Mater. Sci., Vol. 13, pp. 2483-2486.
57.Matusia, K. and Sakka, S., 1980, ”Kinetic study on crystallization of glass by differential thermal analysis-criterion on application of Kissinger plot”, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.38, pp. 741-746.
58.Park, Y. J. and Heo, J. 2002A, ”Nucleation and crystallization kinetics of glass derived from incinerator fly ash waste”, Ceramics International, Vol. 28, pp. 669-673.
59.Park, Y. J. and Heo, J. 2002B, “Conversion to glass-ceramic from glasses made by MSW incinerator fly ash for recycling”, Ceramics International, Vol. 28, pp. 689-664.
60.Park, Y. J. and Heo, J. 2002C, “Vitrification of fly ash from municipal solid waste incinerator”, Journal of Hazardous Materials, Vol.B91, pp.83-93.
61.Putnis, A. and McConnell, J. D. C., 1980, “Principles of mineral behaviour”, Blackwell Scientific Publications, Oxfotd, Londen, Edinburg, Boston and Melbourne.
62.Rincon, J. MA., Romero, M. and Boccaccini, A. R., 1999, “Microstructural characterization of a glass and a glass-ceramic obtained from municipal incinerator fly ash”, Journal of Materials Science, Vol. 34, pp. 4413-4423.
63.Romero, M., Rawlings, R. D. and RincÓn, J. Ma., 1999, “Development of a new glass-ceramic by means of controlled vitrification and crystallization of inorganic waste from urban incineration”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 19, pp. 2049-2058.
64.Sestak, J., 1974, “The applicability of DTA to the study of crystallisation kinetics of glass”, Physics and chemical of glass, Vol.15, No.6, pp.137-140.
65.Sglavo, V. M., Campostrini, R., Maurina, S., Carturan, G., Monagheddu, M. Burdroni, G., Cocco, G., 2000, “Bauxite ‘red mud’ in the ceramic industry. Part 1： thermal behaviour”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 20, pp. 235-244.
66.Shoto, E. and Hattori, M., 1981, “Studies on the stab-billization / solidification of chromium-containing sludge”, Toxic and Hazardous Waste Disposal, Vol.3, pp. 125-140.
67.Strand, Z., 1986, ”Glass-ceramic materials”, Glass Science and Technology 8, Elsevier, Amsterdam-Oxford-New York-Tokey.
68.Wiles, C. C., 1996, “Municipal Solid Waste Combustion Ash: State-of-the-knowledge”, Journal of Hazardous Materials, Vol. 47, pp. 325-344.
69.Yoshiie, R., Nishimura, M. and Moritomi, H., 2002, “Influence of ash composition on heavy metal emissions in ash melting process”, Fuel, Vol. 81, pp. 1335-1340.
70.Yurkov, A. L., Sarkisyan, T. A., Ivanov, D. A. and Bradt, R. C., 1997, “Final stages of sintering of ceramic materials: effect of residual porosity and microstructure on mechanical characteristics of surface”, Ceramics International, Vol. 23, pp. 389-399.