CN106892676B - 调湿陶瓷及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种调湿陶瓷及其制作方法。调湿陶瓷由焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石混合烧结制成。其中，焚化锅炉灰的用量为5～60wt％，废弃玻璃的用量为10～85wt％，坡缕石的用量为10～60wt％。由此，调湿陶瓷具有较佳的吸湿量、放湿率，并且可避免重金属在制程中流出，而可成功将有害废弃物回收利用，生产高经济价值的环保高性能调湿陶瓷。
Description
技术领域
本发明是关于调湿陶瓷及其制作方法，特别是一种使用焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石制作的调湿陶瓷及其制作方法。
背景技术
随着人口的成长，所产生的大量垃圾已成为各国需要解决问题。由于焚化可以大量减少垃圾的体积，因而是垃圾处理的重要方法。然而，垃圾焚化所产生的大量焚化锅炉灰仍需要进一步的掩埋处理，这又产生了新的环境影响。
另一方面，随着环保意识的抬头，目前也收集了大量的玻璃。目前这些玻璃主要是以堆积的方式放置，因而需要极大的容置空间，因而如何处理所回收的大量废弃玻璃，也成为目前需要解决的问题。
如上所述，如何处理垃圾焚化所产生的大量焚化锅炉灰以及所回收的废弃玻璃，即成为目前研究人员所需解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中垃圾焚化所产生的大量焚化锅炉灰以及所回收的废弃玻璃，本发明提供一种使用焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石制作的调湿陶瓷及其制作方法，以有效利用焚化锅炉灰及废弃玻璃，并且制造一种具有较佳的吸湿效果的调湿陶瓷。
根据本发明一实施例所公开的调湿陶瓷，其按照下列比例加以混合烧结制成：一焚化锅炉灰，焚化锅炉灰的用量为5～60wt％；一废弃玻璃，废弃玻璃的用量为10～85wt％；以及一坡缕石，坡缕石的用量为10～60wt％。
在一实施例中，焚化锅炉灰的用量为10wt％，废弃玻璃的用量为70wt％，坡缕石的用量为20wt％。
根据本发明一实施例所公开的调湿陶瓷的制作方法，包含：进行一前处理步骤，包含：搜集焚化锅炉灰，将焚化锅炉灰进行水萃取处理，水萃取处理后的焚化锅炉灰经固液分离以形成一焚化锅炉灰；进行一废弃玻璃破碎、筛分，以提供一废弃玻璃；以及提供一坡缕石；将焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石混合以制成一生胚，其中，焚化锅炉灰的用量为5～60wt％，废弃玻璃的用量为10～85wt％坡缕石的用量为10～60wt％；以及将生胚执行一烧结程序。
在一实施例中，焚化锅炉灰的用量为10wt％，废弃玻璃的用量为70wt％，坡缕石的用量为20wt％。
在一实施例中，于制成一生胚的步骤中，生坯的含水率为10～20wt％，生坯的含水率是以生胚的总重量为基准。
在一实施例中，于制成一生胚的步骤中，生坯的含水率为15wt％，生坯的含水率是以生胚的总重量为基准。
在一实施例中，于制成一生胚的步骤中，生胚是以2000psi的压力压制成型，且压制时间为1分钟。
在一实施例中，烧结程序的烧结温度为700℃～1000℃。
在一实施例中，烧结程序的升温速率介于1～30℃/min。
根据上述本发明所公开的实施例，由于本发明是利用焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石制成调湿陶瓷，因而可成功将有害废弃物回收利用，并且调湿陶瓷具有较佳的吸湿量、放湿率，并且可避免重金属在制程中流出，是具有高经济价值的环保高性能调湿陶瓷。
附图说明
图1为本发明一实施例所制备的调湿陶瓷的制作方法的流程图；
图2为图1之前处理步骤的详细流程图；
图3为本发明实施例的调湿陶瓷在不同烧结温度的吸放湿试验；
图4A至图4C分别为本发明实施例的调湿陶瓷在不同烧结温度的SEM分析结果；
图4D分别为本发明比较例的调湿陶瓷在850℃烧结的SEM分析结果；
图5为本发明实施例的调湿陶瓷以不同烧结气氛进行烧结的吸放湿曲线；
图6为本发明实施例的调湿陶瓷以不同烧结气氛在750℃烧结的重金属固相稳定率。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
请参阅图1及图2，图1为本发明一实施例所制备的调湿陶瓷的制作方法的流程图，图2为图1之前处理步骤的详细流程图。
首先，进行一前处理步骤(A)。详细来说，前处理步骤(A)包含以下三步骤。
在前处理步骤(A)中，可进一步区分三步骤(如图2所示)。在本实施例中，首先搜集焚化锅炉灰，将焚化锅炉灰进行水萃取处理，水萃取处理后的焚化锅炉灰经固液分离以形成一焚化锅炉灰(A1)。在本实施例中，首先执行水萃取的前处理，藉以去除对重金属稳定及烧结体耐久性不利的盐类。详细来说，在执行水萃取时液体与固体比例例如为5：1，萃取时间例如为5分钟，次数例如为2次。待水萃取完成后，将焚化锅炉灰固液分离。
其中，焚化锅炉灰是指经由焚化炉燃烧处理后所获得的锅炉灰。焚化锅炉灰例如包含有22.25wt％的钙、6.23wt％的硅、2.55wt％的铝、1.91wt％的铁、1.76wt％的镁、3.71wt％的钠、3.91wt％的钾、微量的铅、锌、镉、铜、铬(以助熔剂在高温将焚化锅炉灰熔解为液体后进行元素分析的量测结果)。一般而言，由于焚化锅炉灰还含有重金属，因而属于有害废弃物。因此，焚化锅炉灰在使用上需要满足诸多限制，例如这些重金属的溶出试验结果应遵守相关规定。需注意的是，上述焚化锅炉灰的元素组成仅是用以举例说明，并非用以限定本发明。
进行一废弃玻璃回收程序，以提供一废弃玻璃(A2)。在本实施例中，是使用棕色玻璃瓶，收集后去除标签、清洗、烘干，然后进行破碎，再以破碎机将玻璃破碎成更小的细粉，最后以200号筛选备用。
其中，废弃玻璃例如包含有4.79wt％的钙、22.10wt％的硅、1.03wt％的铝、0.20wt％的铁、0.62wt％的镁、6.58wt％的钠、0.41wt％的钾、微量的铅、铜、铬(以助熔剂在高温将废弃玻璃熔解为液体后进行元素分析的量测结果)。需注意的是，上述废弃玻璃的元素组成仅是用以举例说明，并非用以限定本发明。
提供一坡缕石(A3)。在本实施例中，是使用采用工业级的坡缕石。
详细来说，坡缕石是属于海泡石族的一种矿石。坡缕石是由蒙脱石转化而成。坡缕石是由含水的层链状镁质硅酸盐组成，亦即坡缕石是属于镁质硅酸盐矿物。坡缕石的组成例如包含1.19wt％的钙、12.48wt％的硅、2.6wt％的铝、1.15wt％的铁、3.13wt％的镁、0.24wt％的钠、1.01wt％的钾(以助熔剂在高温将坡缕石熔解为液体后进行元素分析的量测结果)。需注意的是，上述坡缕石的元素组成仅是用以举例说明，并非用以限定本发明。
需注意的是，上述步骤(A1)、(A2)、(A3)的顺序并非用以限定本发明，使用者可根据其需求来选择步骤(A1)、(A2)、(A3)适当的顺序。举例来说，使用者可以先执行步骤(A3)，再依序执行步骤(A1)及(A2)。
在执行前处理步骤(A)之后，将焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石混合以制成一生胚(B)。
在本发明实施例中，焚化锅炉灰的用量为5～60wt％，废弃玻璃的用量为10～85wt％，坡缕石的用量为10～60wt％，由此，所制备的调湿陶瓷具有较佳的调湿效果。
在本发明部分实施例中，焚化锅炉灰的用量为10～30wt％，废弃玻璃的用量为50～80wt％，坡缕石的用量为10～30wt％。在本发明部分实施例中，焚化锅炉灰的用量为10～20wt％，废弃玻璃的用量为60～75wt％，坡缕石的用量为15～25wt％。
使用者可根据其需求来选择焚化锅炉灰、废弃玻璃、坡缕石适当的重量比例。举例来说，焚化锅炉灰的用量例如为5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％；废弃玻璃的用量例如为10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％、75wt％、80wt％；坡缕石的用量为例如为10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％，藉以提升调湿陶瓷的调湿效果。在本实施例及部分其他实施例中，焚化锅炉灰的用量为10wt％，废弃玻璃的用量为70wt％，坡缕石的用量为20wt％，由此，所制备的调湿陶瓷具有更佳调湿效果。
在本实施例及部分其他实施例中，生胚是以2000psi的压力压制成型，且压制时间为1分钟。待压制成型后，再放入105℃烘箱中烘干24小时，以确保生坯形状完整性。
在本实施例中，所制成的生坯尺寸大小为：长10公分、宽5公分及厚0.5公分。
需注意的是，在上述步骤(B)中，生坯的含水率为10～20wt％，含水率是以生胚的总重量为基准。若含水率过高将导致坯体无法成型，而如果含水率过低则会造成坯体破裂。
在本实施例及部分其他实施例中，生坯的含水率为15wt％。由此，以达到较佳的成型效果。
最后，将生胚执行一烧结程序(C)。由此，以烧结形成调湿陶瓷。在本发明实施例中，烧结程序的烧结温度为700～1000℃。在本实施例及部分其他实施例中，烧结程序的烧结温度为700～800℃。在本实施例及部分其他实施例中，烧结程序的烧结温度为750℃。使用者可以根据其调湿陶瓷的需求来选择合适的烧结温度。详细来说，使用者可过调整烧结温度来改变所制备的调湿陶瓷的调湿能力及机械强度。当烧结温度越低时，所制备的调湿陶瓷具有较佳的调湿能力，而当烧结温度越高时，所制备的调湿陶瓷则具有较佳的机械强度。其中，烧结程序的升温速率介于1～30℃/min。待温度到达750℃时，持温20分钟后自然降至室温。其中，烧结程序可以是氧化烧结(高温矩形炉，空气气氛烧结，有氧环境)、还原烧结(管状炉，氮气气氛烧结，无氧环境)。由此，所烧结制成的调湿陶瓷同时具有优异的调湿能力以及机械强度。
在本发明实施例中，调湿陶瓷的焚化锅炉灰的用量为5～60wt％，废弃玻璃的用量为10～85wt％坡缕石的用量为10～60wt％。在本发明部分实施例中，焚化锅炉灰的用量为10～30wt％，废弃玻璃的用量为50～80wt％，坡缕石的用量为10～30wt％。在本发明部分实施例中，焚化锅炉灰的用量为10～20wt％，废弃玻璃的用量为60～75wt％，坡缕石的用量为15～25wt％。使用者可根据其需求来选择焚化锅炉灰、废弃玻璃、坡缕石的重量比例，于此不重复描述。
如上所述，由于本案所使用的焚化锅炉灰具有发泡特性以及多孔特性，并且借助废弃玻璃作为胶结剂，因而可在维持调湿陶瓷的机械强度下成功制备具有较佳调湿效果的调湿陶瓷。
以下测试本发明实施例的调湿陶瓷。
一、调湿性能评价基准
在本发明中，吸放湿试验方法是以JIS A 1470～1进行测试，并且依照日本所定的调湿建材调湿性能评价基准(调湿建材性能评价委员会，2006)，中湿域(50～70％)的吸放湿试验，24小时连续试验中，依前12小时的吸湿量而评定为不同等级，且后12小时的放湿量需为吸湿量的70％以上，才符合日本的调湿材料的评价基准。
请参阅图3，图3为本发明实施例的调湿陶瓷在不同烧结温度的吸放湿试验。如图所示，本发明实施例的调湿陶瓷的放湿量皆符合评价基准的要求(吸湿量的70％以上)，其吸湿量分别为85.22g/m2、65.26g/m2、42.38g/m2、23.16g/m2，由图显示在700℃的吸湿量最多，可达到最高级(第三级)的标准。另请参阅图4A至图4D，图4A至图4C分别为本发明实施例的调湿陶瓷在不同烧结温度的SEM分析结果，图4D分别为本发明比较例的调湿陶瓷在850℃烧结的SEM分析结果。如图4A所示，在700℃下由于烧结温度较低，颗粒的排列也较为松散，形成较多开放孔隙，使吸湿效果较佳。如图4B所示，在750℃下部分玻璃开始熔融使颗粒开始粘结导致部分孔洞开始缩减，因而调湿量稍微降低，但仍可达第二级调湿材料。如图4C所示，在800℃下玻璃产生熔融状态，烧结体内开放孔隙开始被填满，部分转为封闭孔洞。如图4D所示，在850℃下由于提高烧结温度致使废弃玻璃有较长的时间形成熔融态形成致密化，进而封闭孔洞结构导致水蒸气吸附性能消失，所制备的调湿陶瓷的吸湿量下降。
二、机械特性
请参阅下表一。表一为本发明实施例及比较例的调湿陶瓷以氧化烧结的烧结体机械特性。如表一所示，烧结温度与收缩率、抗弯强度成正比，与视孔隙率、吸水率成反比。其中，视孔隙率与吸水率与调湿能力有所关联，可作为调湿能力，尤其是吸湿能力的初步指标。
如表一所示，700℃的调湿陶瓷的调湿能力虽然最好，但平均抗弯强度较低；750℃的调湿陶瓷的平均抗弯强度已达6.12MPa，并且可符合CNS3299～4陶瓷面砖强度要求，并且调湿能力为评价基准的第二级；800℃的调湿陶瓷的抗弯强度可符合CNS要求，并且可维持调湿能力于第一级的评价基准。
表一
三、氧化与还原烧结的比较
在本发明中，分别以矩形炉及管状炉在空气气氛氧化烧结及氮气气氛还原烧结的，并分析二者的调湿能力、机械特性(抗弯强度)、烧结过程重金属挥发及烧结体重金属稳定性。
请参阅图5，图5为本发明实施例的调湿陶瓷以不同烧结气氛进行烧结的吸放湿曲线(烧结温度750℃)。如图5所示，二种烧结气氛对所制成的调湿陶瓷的调湿能力相近，均符合日本评价基准的第二级要求。
请一并参阅表二，表二本发明实施例的调湿陶瓷以不同烧结气氛进行烧结的机械特性。
表二
如表二所示，二种烧结气氛对所制成的调湿陶瓷的体密度、收缩率、视孔隙率及吸水率等机械特性影响相近；其中以氮气烧结的调湿陶瓷具有较佳的抗弯强度，其抗弯强度已明确高出CNS3299～4陶瓷面砖强度要求。
如图5及表二所示，二种烧结气氛对所制成的调湿陶瓷的调湿能力及机械特性都相近。
四、重金属溶出量
以下测试本发明实施例的调湿陶瓷的重金属溶出量。请参阅表三，表三为本发明实施例的调湿陶瓷以不同烧结气氛在750℃烧结毒性溶出试验结果。
表三
| 元素 | 氮气气氛 | 空气气氛 | 再利用标准 |
| Pb | 0.02 | 0.01 | ≦4 |
| Zn | 5.15 | 4.71 | ～ |
| Cd | 0.01 | 0.01 | ≦12 |
| Cu | 0.21 | 0.18 | ≦0.8 |
| Cr | 0.23 | 2.77 | ≦4 |
Unit：mg/L
如表三所示，Pb、Zn、Cu、Cd溶出浓度皆远低于再利用标准，亦即本发明的调湿陶瓷的重金属在环境中非常不易溶出。另一方面，重金属Cr的溶出浓度低于再利用标准，为稳定安全的环保产品，若使用氮气气氛烧结可进一步将重金属Cr溶出值减少至十分之一以下。因此，本发明可有效控制烧结过程中重金属的溶出量，并且使用氮气气氛还原烧结，可进一步提升所制备的调湿陶瓷的环保性能。
五、重金属固相稳定率
以下测试本发明实施例的调湿陶瓷的重金属固相稳定率。请参阅图6，图6为本发明实施例的调湿陶瓷以不同烧结气氛在750℃烧结的重金属固相稳定率。
如图6，重金属Pb在二种烧结气氛下都有75％留在固相，并且Zn、Cu、Cr在二种烧结气氛下大于75％留在固相。因此，本发明可有效控制重金属于烧结过程中挥发所造成的二次污染。
根据上述本发明所公开的实施例，由于本发明是利用焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石制成调湿陶瓷，因而可以达成以下技术功效：
(1)本案利用焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石制备具有高调湿效果的陶瓷材料，并且陶瓷材料具有足够的机械强度而可供使用，因而本案可有效解决焚化锅炉灰以及废弃玻璃处置的问题，进而达到材料有效的再利用，具有环保、高经济价值等多重功效。
(2)本案利用焚化锅炉灰及废弃玻璃二废弃物制备调湿陶瓷，由此，在商业实施上具有相当大的成本优势。
(3)本案调湿陶瓷最高可在12小时达200g/m2吸湿量，已远超过日本的调湿建材评价基准最高级(71g/m2)之规定，是具有优异调湿能力的调湿陶瓷。同时，本案由于具有适当的焚化锅炉灰、废弃玻璃及坡缕石重量比例，因而在750℃即可烧制吸湿量65.26g/m2，放湿率75.32％的烧结体，达到日本评价基准第二级的规定，且机械强度通过陶瓷面砖强度的要求(6.12MPa)。
(4)本案适当的材料组成以及烧结温度，可有效确保重金属停留于所制成的调湿陶瓷内，因而所制成的调湿陶瓷内在环境中为相当稳定安全。
所述的以上这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种调湿陶瓷，其特征在于，按照下列重量百分比例加以混合烧结制成：
一焚化锅炉灰，该焚化锅炉灰的用量为5～60wt％；
一废弃玻璃，该废弃玻璃的用量为10～85wt％；以及
一工业级坡缕石，该工业级坡缕石是由含水的层链状镁质硅酸盐组成，该工业级坡缕石的用量为10～60wt％。
2.如权利要求1所述的调湿陶瓷，其特征在于，该焚化锅炉灰的用量为10wt％，该废弃玻璃的用量为70wt％，该工业级坡缕石的用量为20wt％。
3.一种如权利要求1所述的调湿陶瓷的制作方法，包含：
进行一前处理步骤，包含：
搜集焚化锅炉灰，将该焚化锅炉灰进行水萃取处理，水萃取处理后的该焚化锅炉灰经一固液分离、过滤烘干、冷却、破碎的处理，以形成一焚化锅炉灰；
进行一废弃玻璃回收程序，以提供一废弃玻璃；以及
提供一工业级坡缕石，该工业级坡缕石是由含水的层链状镁质硅酸盐组成；
将该焚化锅炉灰、该废弃玻璃及该坡缕石混合以制成一生胚，其中，焚化锅炉灰的用量为5～60wt％，废弃玻璃的用量为10～85wt％，工业级坡缕石的用量为10～60wt％；以及
将该生胚执行一烧结程序。
4.如权利要求3所述的调湿陶瓷的制作方法，其特征在于，该焚化锅炉灰的用量为10wt％，该废弃玻璃的用量为70wt％，该工业级坡缕石的用量为20wt％。
5.如权利要求3所述的调湿陶瓷的制作方法，其特征在于，于该制成一生胚的步骤中，该生坯的含水率为10～20wt％，该生坯的含水率是以该生胚的总重量为基准。
6.如权利要求3所述的调湿陶瓷的制作方法，其特征在于，于该制成一生胚的步骤中，该生坯的含水率为15wt％，该生坯的含水率是以该生胚的总重量为基准。
7.如权利要求3所述的调湿陶瓷的制作方法，其特征在于，于该制成一生胚的步骤中，该生胚是以2000psi的压力压制成型，且压制时间为1分钟。
8.如权利要求3所述的调湿陶瓷的制作方法，其特征在于，该烧结程序的烧结温度为700℃～1000℃。
9.如权利要求3所述的调湿陶瓷的制作方法，其特征在于，该烧结程序的升温速率介于1～30℃/min。
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