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研究生:涂耀中
研究生(外文):Yao-ChungTu
論文名稱:水庫淤泥經水熱法合成沸石礦物
論文名稱(外文):Zeolite from water reservoir sediment via hydrothermal process
指導教授:黃紀嚴
指導教授(外文):Chi-Yen Huang
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:69
中文關鍵詞:水庫淤泥氫氧化鈉沸石水熱反應
外文關鍵詞:reservoir sedimentssodium hydroxidezeolitehydrothermal
相關次數:
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台灣水庫經過颱風及地震的影響,造成水庫嚴重淤積,清除淤泥為當務之急,而將淤泥資源再生為可用材料亦延伸成為重要之議題,鑒於淤泥成分含有氧化矽(SiO2)與氧化鋁(Al2O3)以及它類鹼金、鹼土元素,如鈉、鉀、鈣及鎂,在水熱環境下可和鹼液反應形成沸石礦物。本實驗採用的鹼液為氫氧化鈉,探討鹼液濃度(1M、5M和9M)、水熱溫度(90。C、120。C和150。C)、淤泥之煆燒溫度(0。C、750。C和950。C)和水熱時間(6hr、12hr和24hr)對沸石合成的影響。結果顯示水庫淤泥在水熱溫度150。C和鹼液濃度為9M會出現兩相沸石共存,其中原料是未煆燒水庫淤泥其合成相Sodalite和Faujacite;750。C煆燒水庫淤泥合成相為Sodalite和Faujacite;950。C煆燒淤泥合成相為Sodalite和Cancrinite。以水庫淤泥合成出的沸石礦物以Faujacite、Sodalite和Cancrinite為主,其中以煆燒溫度950。C、水熱溫度150。C、氫氧化鈉溶液濃度9M和合成時間24小時之條件合成出的Cancrinite,因經過二次溶解析出,晶粒顆粒細緻有良好的氨氮吸附性質,對NH4+離子吸附能力可達21.23 cmol/kg。
Reservoir sediments in Taiwan precipitate heavily due to earthquake and typhoon, dredging and recycling of reservoir sediment have become a serious issue. Since sediment contains SiO2 、Al2O3 and other flux ions , it can react with alkali solution to form zeolites. Sodium hydroxide is used as alkali solution. The alkali concentration(1M、5M and 9M)、the reaction temperature(90。C、120。C and 150。C)、the calcination temperature of sediment (0。C、750。C and 950。C) and hydrothermal time(6hr、12hr and 24hr) were discussed on the effect of zoelite synthesis experiment.
The results showed that two zeolites coexist in the condition of the reaction temperature of 150。C and the alkali concentration of 9M. Two kinds of zeolites are sodalite and faujacite made from uncalcined sediment or calcined sediment at 750。C, sodalite and cancrinite made from calcined sediment at 950。C.The zeolites sybthesized from reservoir sediment are sodalite、faujacite and cancrinte.The cancrintie synthesized in the condition of the reaction temperature of 150。C、the alkali concentration of 9M、the calcination temperature of 950。C and hydrothermal time at 24hr has fine particles and well absorption of NH4+ due to second dissolving and precipitating, the cancrinite absorbs 21.23 cmol/kg NH4+.

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 3
第二章 理論基礎及前人研究 4
2-1 沸石介紹 4
2-2 鹼液濃度對合成沸石之效應[10] 10
2-3 前人研究 13
2-3-1 廢棄淤泥合成沸石之相關研究 13
2-3-2 天然礦物合成沸石之相關研究 21
2-4 水熱法概述[25] 23
第三章 實驗方法與步驟 25
3-1 實驗流程 25
3-2 實驗設備 27
3-3 實驗材料 28
3-3-1 水庫淤泥 28
3-4 性質測試 31
3-4-1 粒徑分析 31
3-4-2 X-ray繞射儀分析(X-ray Diffraction meter, XRD ) 31
3-4-3 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) 31
3-4-4 成分分析 32
3-4-5 氨氮吸附測試儀 32
第四章 結果與討論 33
4-1 粉末煆燒對合成沸石礦物之影響 33
4-2 鹼液濃度對沸石礦物合成之影響 38
4-3 水熱溫度對沸石合成的影響 44
4-4 SEM顯微結構觀察 50
4-5 氨氮測試 57
4-6 BET測定結果 61
4-7 水庫淤泥合成沸石製作條件 62
第五章 結論 66
參考文獻 67







表目錄
表1飛灰經水熱法可能產生沸石礦物 13
表2 飛灰經由不同的礦化劑、濃度、溫度和固液比所合成的沸石礦物 15
表3 類沸石礦物之陽離子交換能力(CEC: cation exchange capacity) 16
表4 紙漿飛灰及矽藻土的化學組成(wt.%) 20
表5 天然礦物製備沸石的水熱液環境 22
表6 石門水庫淤泥化學組成表 28
表7 實驗材料資料 30
表8 填料基本性質 58
表9 BET測定值與製作條件 61
表10 Faujacite之合成條件 63
表11 Sodalite之合成條件 64
表12 Cancrinite之合成條件 65





圖目錄
圖1 鋁氧四面體取代完美矽氧四面體結構,導致電價不平衡[1] 5
圖2 上半部表示孔徑的大小取決於結構,下半部是不同的沸石的孔徑大小和氣體分子大小做比對[1] 5
圖3 沸石結構單元示意圖,(a)次級結構單元,(b)多面體結構單元 7
圖4 沸石礦物結構圖(a)A 型沸石,(b)X、Y 型沸石,(c)方鈉石,(d)P 型沸石 8
圖5 飛灰合成沸石之成長機制:飛灰先溶解提供矽鋁離子,再者矽鋁離子濃縮聚合成膠體,矽鋁膠體飽和後開始長晶析出沸石 9
圖6 由SEM觀察不同階段沸石的成長情形 9
圖7 礦化液影響合成的沸石礦物相(Q=quartz ;M=mullite;P=zeolite p;KC=potassium-chabazite;C=CaCO3) 12
圖8 (a)NaOH 濃度對沸石生成的影響,(b)2M NaOH 之沸石與矽鋁比關係,(c)3.5M NaOH 之沸石與矽鋁比關係 17
圖9 XRD圖汙水淤泥經由高溫爐合成沸石 18
圖10 由SEM觀察汙水淤泥於高溫爐12hr後的沸石相 19
圖11 XRD圖添加矽藻土(0、5、10和20g)合成沸石礦物相 20
圖12 矽鋁礦物形成Zeolite A 的結構單元之組合過程 22
圖13 水熱器材左側為不銹鋼外殼右側為鐵弗龍內襯 24
圖14 容器充填比,反應溫度與壓力關係圖 24
圖15 實驗流程圖 26
圖16 石門水庫淤泥之雷射粒徑分布圖 29
圖17 石門水庫淤泥之礦物相 29
圖18 XRD圖原始淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 34
圖19 XRD圖經750。C煆燒 淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 35
圖20 35
圖21 XRD圖原始淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度9M(6-24hr)礦物相 36
圖22 XRD圖經750。C煆燒 淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 36
圖23 XRD圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 37
圖24 XRD圖原始淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度1M(6-24hr)礦物相 40
圖25 XRD圖原始淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 40
圖26 XRD圖原始淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度9M(6-24hr)礦物相 41
圖27 XRD圖經750。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 41
圖28 XRD圖經750。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度9M(6-24hr)礦物相 42
圖29 XRD圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度1M(6-24hr)礦物相 42
圖30 XRD圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 43
圖31 XRD圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度9M(6-24hr)礦物相 43
圖32 XRD圖原始淤泥在水熱溫度90。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 46
圖33 XRD圖原始淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 46
圖34 XRD圖原始淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 47
圖35 47
圖36 XRD圖經750。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 48
圖37 XRD圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度90。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 48
圖38 XRD圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 49
圖39 XRD圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度5M(6-24hr)礦物相 49
圖40 SEM圖(a)(b)原始淤泥 (c)(d)經750。C煆燒淤泥 (e)經950。C煆燒淤泥 52
圖41 SEM圖經750。C煆燒 淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度9M和合成24hr產生沸石礦物sodalite 53
圖42 SEM圖經750。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度9M和實驗24hr產生沸石礦物faujacite 54
圖43 SEM圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度120。C、氫氧化鈉濃度9M和實驗24hr產生沸石礦物cancrinite 55
圖44 SEM圖經950。C煆燒 淤泥在水熱溫度150。C、氫氧化鈉濃度9M於不同時間(a)(b)合成時間6hr,未有沸石相相產生 (c)(d)合成時間12h,沸石礦物sodalite和cancrinite出現 (e)(f) 合成時間24hr,sodalite溶解二次析出之cancrinite由sodalite表面產生 56
圖45 填料氨氮吸附性質曲線 59
圖46 實驗樣品和天然沸石最高吸附值比較 59
圖47 氨氮吸附實驗之曲線圖 60
圖48 陽離子交換實驗之曲線圖 60

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