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研究生:王信文
研究生(外文):Hsin-Wen Wang
論文名稱:無機聚合物技術應用於油氣鑽井廢棄物低溫燒製建築用磚之研究
論文名稱(外文):Production low temperature sintering building brick from drilling wastes using geopolymeric technology
指導教授:鄭大偉鄭大偉引用關係
口試委員:吳佳正林凱隆柯明賢
口試日期:2011-11-10
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:資源工程研究所
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:2011
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:鑽井廢棄物無機聚合物建築用磚
外文關鍵詞:Building brickGeopolymerDrilling wastes
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在油氣井的鑽探過程中所產生的鑽井廢棄物主要包括鑽屑、廢泥漿、廢水處理污泥等混合廢棄物。其中除泥漿可經循環系統重覆使用外,其餘均成為待處理的廢棄物。然而絕大部分鑽鑿過程所產生之鑽屑多為地層岩石碎屑,屬於無毒性之事業廢棄物;中油公司以往是以乾燥後掩埋之方式處理。此法不但費時、費力又耗費金錢,且經掩埋後已無再利用價值,故鑽井廢棄物之資源化再利用,實為當前刻不容緩之課題。
無機聚合物為近年發展的一種鹼性膠凝材料,具有早強性質、隔熱性佳、抗酸鹼及耐久性佳等優點。本研究利用無機聚合技術於鑽井廢棄物的資源再利用上,將其以低於500℃的溫度燒製成符合CNS標準建築普通用磚並評估其可行性。實驗結果顯示,鑽井廢棄物經前處理後,在SiO2/Na2O莫耳比2之鹼液及固液比4的條件下進行混練,並以60 kgf/cm2加壓成型,坯體經乾燥並於500℃持溫2小時後,可得體密度2.3 g/cm3及吸水率6 %,且抗壓強度72.4 MPa的燒成試體,其符合CNS標準1種磚之需求。將鑽井廢棄物應用無機聚合物技術低溫燒製成建築用磚,非但節省成本、降低能源消耗,亦能提供現行產業新的應用技術。

In the oil and gas drilling process, the rock or formation cuttings from the drilling bit are carried by the circulating drilling mud to the surface and separated by mechanical devices into usable mud, waste mud, waste cutting, and waste water. The drilling wastes, mixtures of drilling cutting and drilling mud, are basically geological material that is generally disposed of. However most of the drilling wastes are mostly rock debris, belongs to no toxic wastes ; CPC used to be buried after drying of dealing. This method not only time consuming, laborious and spend money, and has no reuse value with bury, so drilling waste reuse is indeed the current urgency of issues.
Geopolymer as an alkaline gelled material development in recent years, has a good early strength properties, heat insulation, good resistance to acids and bases and durability advantages. The purpose of this study is to examine the feasibility of drilling wastes using geopolymeric technology. It will be produced lower temperature sintering building brick consistent with Taiwan national standards. The experimental results showed that building brick mixed drilling wastes with alkaline solution (SiO2/Na2O=2) in weight ratio of 4.Then put it into a temperature (500℃) oven for 2 hours of sintering ,and it has the best mechanical and Physical properties. Density is 2.3 g/cm3 , the water-absorbing rate is 6%, and compressive strength is 72.4 MPa of sintering sample, it is consistent with Taiwan national standards. Production low temperature sintering building brick from drilling wastes using geopolymeric technology not only save costs, reduce energy consumption, are also able to provide the existing industry the new technology.

摘要i
ABSTRACTii
誌謝iv
目錄v
表目錄viii
圖目錄ix
第一章 緒論1
1.1 研究動機1
1.2 研究目的2
第二章 文獻回顧3
2.1 鑽井廢棄物3
2.1.1 鑽井廢棄物產生程序3
2.1.1.1 鑽井廢棄物之產量4
2.1.2 鑽井廢棄物之認定標準5
2.1.2.1 鑽井廢棄物的特性6
2.1.3 鑽井廢棄物固化處理成本分析及資源化再利用8
2.1.3.1 鑽井廢棄物固化處理成本分析8
2.1.3.2 鑽井廢棄物之資源化技術及應用8
2.1.4 出磺坑岩層9
2.2 無機聚合物12
2.2.1 矽鋁酸鹽材料13
2.2.2 鹼金屬矽(鋁)酸鹽溶液16
2.2.3 鹼金屬溶液17
2.2.4 無機聚合物反應機制19
2.2.5 無機聚合物之結構及種類21
2.2.6 無機聚合物之特性22
2.2.7 LTGS磚25
2.3 燒結理論概述25
2.3.1 初期階段26
2.3.2 中期階段26
2.3.3 末期階段26
2.3.4 影響燒結因子27
2.4 現有製磚流程簡介28
2.4.1 原料30
2.4.2 練土30
2.4.3 成型30
2.4.4 乾燥和燒成30
第三章 實驗方法及步驟32
3.1 實驗材料32
3.1.1 油氣鑽井廢棄物32
3.1.1.1 鑽井廢棄物之化學組成33
3.1.1.2 鑽井廢棄物性質分析34
3.1.1.3 粉末粒徑分析35
3.1.1.4 X光繞射分析35
3.1.1.5 熱差/質差分析36
3.1.2 矽酸鈉溶液37
3.1.3 氫氧化鈉37
3.2 實驗方法及流程38
3.2.1 鑽井廢棄物高溫燒製建築用磚之流程38
3.2.2 鑽井廢棄物低溫燒製建築用磚之流程40
3.2.3 鑽井廢棄物燒製實體建築用磚之流程42
3.3 實驗設備45
3.3.1 旋鎚碎礦機45
3.3.2 雷射粒徑分析儀46
3.3.3 可程式高溫電爐46
3.3.4 X光繞射分析儀47
3.3.5 電子顯微鏡48
3.3.6 四點抗折強度試驗機49
3.3.7 抗壓強度試驗機49
3.3.7.1 抗壓強度試驗機Ι49
3.3.7.2 抗壓強度試驗機Π50
3.3.8 熱差分析儀51
3.3.9 感應耦合電漿原子發射光譜分析儀51
3.3.10 不鏽鋼成型模具52
3.4 分析檢測53
3.4.1 體密度、視比重、孔隙率及吸水率之測試53
3.4.2 微結構之觀察54
3.4.3 抗壓強度試驗54
3.4.4 四點抗折強度試驗54
3.4.5 收縮率之測試55
第四章 試驗結果與討論56
4.1 燒結溫度之影響56
4.1.1 燒結溫度對試體機械性質影響56
4.1.2 燒結溫度對試體物理性質影響58
4.1.3 SEM分析60
4.1.4 小結62
4.2 鹼性溶液之最佳配比63
4.2.1 SiO2 / Na2O 莫耳比對試體機械性質影響63
4.2.2 SiO2 / Na2O 莫耳比對試體物理性質影響66
4.2.3 SEM分析69
4.2.4 小結72
4.2.5 不同低溫燒結溫度對試體之機械性質影響73
4.2.6 不同低溫燒結溫度對試體之物理性質影響75
4.2.7 SEM分析78
4.2.8 小結81
4.3 綜合討論82
4.4 燒製實體建築用磚之可行性評估83
4.4.1 成品抗壓強度試驗83
4.4.2 成品吸水率試驗83
4.4.3 小結84
4.5 成本分析86
第五章 結論及建議87
5.1 結論87
5.2 建議88
參考文獻89

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【27】J. Davidovits,「Geopolymer chemistry and properties」,Geopolymer ‘88,France,1988,pp. 25-48。
【28】K.C. Goretta, F. Gutierrez-Mora, D. Singh, J.L. Routbort, G.C. Lukey, J.S.J. van Deventer,「Erosion of geopolymers made from industrial waste」, Journal of Materials Science,Vol.42,2007,pp. 3066-3072。
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【30】J. Davidovits,「Environmentally driven geopolymer cement applications」,Geopolymer 2002 International Conference,Melbourne,Australia,2002。
【31】阮國瑋,「無機聚合技術應用於水庫淤泥製備建築材料之研究」,碩士論文,國立臺北科技大學資源工程研究所,台北,2009。
【32】蔡振球,「都市下水污泥灰燒結輕質化特性之研究」,博士論文,國立中央大學環境工程研究所,中壢,2006。
【33】王玉瑞、余炳盛,「陶瓷製程特論」,課堂教學補充資料,台北,2010。
【34】陳冠文、黃然,「利用下水污泥燒結建築用磚可行性之研究」,碩士專班研究成果發表會,國立台灣海洋大學河海工程學系,2003。
【35】王惠君、宋聖榮、劉永中,「磚材生產過程與材質之調查研究」,台灣古蹟及歷史建築防震技術之研究期末研討會,2001。

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