臺灣博碩士論文加值系統

「轉爐石」為一貫作業煉鋼廠的事業廢棄物，其物理與化學性質介於高爐石與電爐石，應用層面遠低於高爐石。早期轉爐石處理方式多為海拋，直至1972年聯合國為保護海洋通過「防止傾倒廢棄物及其他物質污染海洋公約」（倫敦公約）及「倫敦公約1996年議定書」，針對海洋投棄行為進行規範，才開始進行轉爐石之廢棄物資源化研究。
本研究使用化學浸漬法，針對轉爐石粒徑、取樣時間、真空度、酸性溶劑、鹼性溶劑、溶劑濃度、pH值與反應時間做一系列探討，並利用硫酸、硝酸、鹽酸、碳酸鈉與水進行交叉系統比對。研究結果顯示轉爐石微結構同時具有多孔與非多孔性特徵，藉由橫切面之SEM與EDS分析指出，轉爐石内部的f-CaO被Fe、Mn等金屬氧化物包覆，故內部f-CaO無法順利降解。轉爐石即使經長時間浸漬仍無法確保f-CaO皆可降解至1.2%以下,此一結論指明了轉爐石資源化作為骨材恐非易事。

“Basic Oxygen Furnace Slag” is the industrial wastes in an “Integrated Steel Mill”. The physical-chemical properties of Basic Oxygen Furnace Slag are between blast furnace slag and electric furnace slag. However, their application is much lower than blast furnace slag. In past decades, “sea dumping” was the most adopted way for treatment of Basic Oxygen Furnace Slag. Until 1972, the resourced study of Basic Oxygen Furnace Slag was conducted by many countries due to the “Convention on the Prevention of Marine Pollution by Dumping of Wastes and Other Matter”(London Convention) and the “1996 London Protocol” passed by United Nations.
In this work, the chemical immersion was investigated. The control factors include the particle size of Basic Oxygen Furnace Slag, sampling time, vacuum degree, solvent concentration, pH, and reaction time. Different solvents including the sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, sodium carbonate and water were also investigated for comparing the treating feasibility of f-CaO.
The results demonstrated that the microstructure of Basic Oxygen Furnace Slag have both porosity and non-porosity characteristics. The cross section pictures (SEM/EDS) showed the f-CaO was covered by iron oxide and manganese oxide. Therefore, inside f-CaO cannot be decomposition directly. But it cannot be confirmed the f-CaO could be decreased below 1.2 % after long time immersion, indicating that it is difficult to convert Basic Oxygen Furnace Slag to aggregate directly.

Keywords: Basic Oxygen Furnace Slag, f-CaO, vacuum treatment, chemical immersion, porosity

摘 要 III
Abstract II
誌 謝 III
總 目 錄 IV
表 目 錄 VIII
圖 目 錄 X
附 表 目 錄 XIII
第一章 前言 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究內容 2
第二章 文獻回顧 3
2-1 轉爐石簡介 3
2-1-1 轉爐石化學性質 5
2-1-2 爐石物理性質 11
2-1-3 轉爐石微結構 14
2-2 轉爐石之回脹特性 14
2-2-1 轉爐石回脹性影響因素 17
2-2-2 游離石灰(f-CaO) 18
2-2-3 游離石灰(f-CaO)之測定 20
2-3 碳酸化反應機制 27
2-3-1 矽酸鹽礦物簡介 27
2-3-2 直接碳酸化(Direct aqueous carbonation) 28
2-3-3 間接碳酸化(Indirect carbonation) 30
2-4 工程土方材料之耐久性 32
2-4-1 混凝土耐久性定義 32
2-4-2 物理性侵蝕 33
2-4-3 化學性侵蝕 34
2-4-4 鹼-骨材反應 35
2-5 瀝青混凝土之耐久性 38
2-5-1 高性能瀝青混凝土定義 38
2-5-2 瀝青混凝土之耐久性 39
2-6 轉爐石資源化 40
2-6-1 轉爐石應用技術 43
2-6-2 轉爐石相關規範 45
2-6-3 轉爐石國內資源化應用 50
2-6-4 轉爐石國外資源化技術 54
第三章 研究方法及實驗設備 58
3-1 研究方法與實驗流程 58
3-2 實驗材料與化學藥劑 60
3-2-1 轉爐石 60
3-2-2 真空處理裝置 61
3-2-3 化學藥劑 62
3-3 儀器設備 63
3-4 實驗設計及操作步驟 64
3-4-1 化學浸漬法 64
3-4-2 真空浸漬法 65
3-4-3 單一酸液化學浸漬法 67
3-4-4 變換酸液化學浸漬法 68
3-5 檢測與分析方法 69
3-5-1 重金屬分析(參考方法:ASTM E1479) 69
3-5-2 f-CaO分析(參考方法:CNS 1384) 70
3-5-3 掃瞄式電子顯微鏡(SEM)分析 71
第四章 結果與討論 72
4-1 化學浸漬法 72
4-1-1 粒徑與f-CaO之關係 72
4-1-2 浸漬溶液種類之影響 73
4-2 真空處理 76
4-2-1 抽真空時間 76
4-2-2 轉爐石事先清洗之影響 77
4-2-3 化學浸漬系統 78
4-3 長期單一酸化學浸漬法(為期三個月) 79
4-4 變換酸液化學浸漬法 80
4-5 轉爐石不同出廠時間之影響 84
4-6 轉爐石f-CaO降解現象與理化性質之綜合討論 85
第五章 結論 88
5-1 結論 88
參考文獻 89
附 錄 96

【1】中聯爐石處理資源化股份有限公司，「中聯爐石處理資源化股份有限公司公開說明書」 (2001)。
【2】中華鋪面工程學會，「轉爐石應用於瀝青混凝土鋪面使用手冊」，第一版 (2010)。
【3】中國礦冶工程學會，鋼鐵冶金學，第一冊，鋼鐵冶金之基礎 (1986a)。
【4】王金鐘，轉爐石工程特性之研究，正修科技大學土木系技術學刊第十八卷，pp.263～272 (2003a)。
【5】王金鐘、李德河，轉爐石作為道路基底層及工程土方材料再生利用之力學特性研究，中國土木水利工程學刊，第17卷第2期，高雄，pp. 1～12 (2005)。
【6】日本鐵鋼爐石協會技術委員會，「鋼鐵爐石使用手冊」，日本鋼鐵爐石協會 (1988)。
【7】陳培源, 劉德慶, 黃怡禎, 臺灣之礦物, 經濟部中央地質調查所. (2004)
【8】石濤，環境化學，鼎茂圖書(2005)。
【9】石大鑫，冶金渣的綜合利用，礦業技術，中國大陸四川，pp.266～267 (1992a)。
【10】林志棟，瀝青混凝土配合設計與其原理，科技圖書公司
(1983)。
【11】林志棟、林平全，轉爐石於道路工程之推廣與應用，鋼鐵工
業爐渣資源再利用實務研討會，pp.4-1～4.9 (2002a)。
【12】黃兆龍，「高爐熟料的性質及在混凝土工程上的應用」，營
建世界32，pp.55~59 (1984)。
【13】黃兆龍,混凝土性質與行為，詹氏書局，pp.1～107 (2002)。
【14】楊貫一，「爐石資源化—中鋼公司爐石應用的過去與未來」，
技術與訓練，第17 卷第1 期，高雄，pp.31～46 (1992)。
【15】劉國忠，「煉鋼爐渣之資源化技術與未來推展方向」，環保
月刊，第4期十月號，pp.117～118 (2001)。
【16】劉國欽、廖秋榮,農路鋪設轉爐石之環境相容性評估,國立屏東
科技大學,pp.5-1～5-19 (2003b)。
【17】劉國忠，煉鋼爐渣的資源化技術與未來推展方向 (2002c)。
【18】經濟部工業局，電弧爐爐渣利用推廣手冊 (2000)。
【19】「爐石利用推廣手冊」，中國鋼鐵公司，三版 (2000)。
【20】王櫻茂,「鹼‧骨材(Ι)」混凝土構造物的耐久性系列,第43～110
頁 (1999)。
【21】王金鐘、李德河、李春雄,轉爐石回脹特性之研究,公共工程學
術研討會論文集,pp.219～245 (2002f)。
【22】蘇茂豐、陳立,「電弧爐煉鋼爐碴之資源化現況及未來展望」,
工業污染防治，第93期一月號，pp.27～51 (2005)。
【23】王建評，「高爐水泥以及摻料對台中紅土之剪力強度特性改
良研究」,私立朝陽科技大學營建工程系 (2002)。
【24】王金鐘，「轉爐石作為基底層材料及其工程特性之研究」,國
立成功大學土木工程研究所 (2005)。
【25】江志華、柯明賢、陳俊廷，「利用鹼性爐渣進行二氧化碳固
定化可行性之研究」,國立台北科技大學資源工程研究所
(2009)。
【26】李春雄，「中鋼轉爐石回脹抑制方法之研究」,國立成功大學
土木工程研究所 (2002)。
【27】余政儒，「瀝青混凝土添加石灰耐久性之研究」，國立中央
大學土木工程研究所 (1997)。
【28】林志棟, 「氣冷轉爐石添加飛灰、底灰應用於基底層材料之
研究」，期末報告,國立中央大學土木工程研究所 (2001)。
【29】林志棟﹑邱奕遷，「再生瀝青混凝土成效之研究(再生瀝青混
凝土應用)」，國立中央大學土木工程研究所 (1997)。
【30】林勝彥，「轉爐石回脹行為及其顯微結構特性」，國立高雄
應用科技大學 (2006)。
【31】徐慧治，「轉爐石水泥製程之研發」，國立雲林科技大學營
建工程所。
【32】袁家偉，「使用轉爐石提升耐久性瀝青混凝土成效之研究」，
國立中央大學土木工程研究所 (2007)。
【33】張宜中，「添加轉爐石粉對混凝土耐久性影響之研究」，國
立海洋大學河海工程學系 (2006)。
【34】黃兆龍，「高爐熟料及飛灰材料在混凝土工程之應用」，台
北營建 (1986)。
【35】莊春南，「利用煉鋼廠電弧爐熔融處理垃圾焚化飛灰實廠測
試研究」，國立中山大學環境工程研究所 (2003)。
【36】詹詠翔，「養生條件對轉爐石溶出行為之影響」，國立成功
大學環境工程研究所 (2008)。
【37】蔡弦志，「再生材料應用於道路鋪面工程之成本效益研究」，
國立中央大學土木工程研究所 (2003)。
【38】蔣本基，「新穎二氧化碳回收固定技術開發及封存技術評估
利用礦物、鹼性固體廢棄物為吸附劑進行二氧化碳封存技術
評估」，國立台灣大學環境工程研究所 (2007)。
【39】盧秉瑋，「混凝土工程障壁之氯離子及失鈣劣化行為」，國
立中央大學土木工程研究所 (2006)。
【40】Chadbourn, B.A., Skok, E.L., Newcomb, D.E., Crow, B.L., and
Spindler, S. “The effect of Voids in Mineral Aggregate (VMA)
on hot-mix asphalt pavements,” Minessota Department of
Transportation Final Report, pp.1-25 (2000)
【41】Chun, C. L., Park, J. W., “Oil Spill Remediation Using Magnetic
Separation”, Journal of Environmental Engineering, 127 (5), pp.
443-449 (2001).
【42】Ebner, A.D., Ritter, J.A., Ploehn, H.J., Kochen, R.L., Navratil,
J.D., “New Magnetic Field-Enhanced Process for the Treatment
of Aqueous Wastes”, Separation Science and Technology, 34
(6-7), pp. 1277-1300 (1999).
【43】Freyssinet, Ph., Piantone, P., Azaroual, M., Itard, Y.,
Clozel-Leloup, B.,Guyonnet, D.,Baubron, J.C., “Chemical
changes and leachatemass balance of municipal solid waste
bottomash submitted to weathering”. Waste Management 22,
(2002), pp.159–172.
【44】Idorn,G.M. ,Durability of Concrete Structure in
Denmark ,Danish TechnicalPress,Copenhagen,(1967).
【45】Kandal, P., Foo, K., and Mallick, R. “A critical review of VMA
requirements in superpave,” NCAT Report, pp1-13 (1998).
【46】Koide, “Research on using BOF slag for road
construction,”Nakayama Steel Works Technical Report, Osaka,
Japan (1993).
【47】Kojima, T., A. Nagamine, N. Ueno, and S. Uemiya., Absorption
and fixation of carbon dioxide by rock weathering; Energy
Conversion and Management. (1997). 38:S461-466.
【48】Lackner, K.S., Carbonate chemistry for sequestering fossil
carbon; Annual Review of Energy and the Environment. 27:
193-232
【49】Lackner, K.S., D.P. Butt, and C.H. Wendt., Magnesite disposal
of carbon dioxide;22th international conference on coal
utilization and fuel systems, Clearwater, FL,USA. (1997)
【50】Lackner, K.S., D.P. Butt, and C.H. Wendt ., Progress on binding
CO2 in mineral substrates; Energy Conversion and Management.
(1997). 38: S259-264.
【51】Lackner, K.S., D.P. Butt, C.H. Wendt, F. Goff, and G. Guthrie.,
Carbon dioxide disposal in mineral form, Keeping coal
competitive.; Los Alamos National Laboratory,LA-UR-97-2094,
Los Alamos, NM, USA. (1997)
【52】Lackner, K.S., D.P. Butt, C.H. Wendt, and D.H. Sharp., Carbon
dioxide disposal in solid form; 21st international conference on
coal utilization and fuel systems,Clearwater, FL, USA. (1996)
【53】Young, J. F., Mindess, S. and Darwin, D. (2002), Concrete,
Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey, U.S.A.
【54】Maroto-Valer, M.M., M.E. Kuchta, Y. Zhang, and J.M.
Andrésen., Integrated carbonation: a novel concept to develop a
CO2 sequestration module for power plants;6th international
conference on greenhouse gas control technologies, Kyoto,
Japan.(2002)
【55】Maroto-Valer, M.M., Y. Zhang, M.E. Kuchta, J.M. Andresen,
and D.J. Fauth.,Process for sequestering carbon dioxide and
sulfur oxide; Patent. (2004) WO2004098740.
【56】Mehta, P.K. (1986), Concrete Structure Properties and Materials,
Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, U.S.A.
【57】Sengoz, B., and Topal, A., “Minimum voids in mineral aggregate
in hot-mix asphalt based on asphalt film thickness,” Building and
Environment, Vol.42, pp.3629-3632, (2006).
【58】“Sequestration by Steel Slag Carbonation”, Environmental
Science & Technology , vol 39,2005, pp 9676-9682.
【59】Zuzana Hoang Trung1, František Kukurugya, Zita Takáčová,
Dušan Oráč, Martina Laubertová,“Leaching of basic oxygen
furnace sludge with sulphuric acid”, Acta Montanistica Slovaca
Ročník 15 (2010), číslo 3, pp. 200-203.
【60】American Society for Testing Material International
http://www.astm.org/
【61】行政院環保署http://www.epa.gov.tw/
【62】行政院環保署環境檢驗所http://www.niea.gov.tw/
【63】經濟部工業局http://www.moeaidb.gov.tw/
【64】中國國家標準CNS 資料線上查詢系統
http://www.cnsppa.com.tw
【65】經濟部工業局，資源化工業網，“再利用技術資訊”，網
址 :http://www.iw-recycling.org.tw/iwopt0431.htm