TWI382005B - 建築材料及其之製造方法 - Google Patents

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Description

建築材料及其之製造方法
本發明係有關於一種製造一建築材料的方法,尤指一種製造陶瓷面磚的方法;以及以所揭示方法製備而成的建築材料。
台灣自民國96年起,除偏遠地區外,生垃圾將不再送進掩埋場掩埋,而是需予以焚化或進行其他適當的中間處理,因此產生大量焚化底渣。而工業廢棄物焚化底渣(industrial waste incinerator bottom ash)較都市垃圾焚化底渣含有更高量的重金屬,因此並不適宜直接掩埋。故,業界與政府一直在思索如何能有效地處理或再利用這些可能有害的焚化底渣。
過去也有許多關於這些工業廢棄物焚化物(如,高爐爐石(blast furnace slag)、飛灰(fly ash)、污泥灰(sewage sludge ash)等)的研究,但多半專注於如何使其固化或玻璃化,藉此使得其中的有毒成分不會在掩埋後釋出,但並非著眼於再利用。
本申請案則是著眼於工業廢棄物焚化底渣的再利用,因工業廢棄物焚化底渣中含有SiO2、Al2O3及Fe2O3等成分,恰恰為一般建築材料(特別是陶瓷面磚燒結體)的成分,故較都市垃圾廢棄物焚化爐所產之底渣更適合做為建築材料用之替代材料。而且,目前市場上處理工業廢棄物焚化底渣的價格約為1,800元/噸,委託掩埋 價格高昂;若能以燒結固化將其中可能有害的重金屬包覆於內,製成可再利用的建築材料,將可兼具環保及經濟二大優點。
本案發明人發現可以工業廢棄物焚化底渣取代部分黏土來製造建築材料,特別是陶瓷面磚,進而開發出可將工業廢棄物焚化底渣再利用的技術。發明人發現,工業廢棄物焚化底渣除了可以當作填充劑,加強所燒製成之陶瓷面磚硬度外,更可減少燒製面磚時的黏土用量。當以30%之工業廢棄物焚化底渣取代黏土,並以所燒製成之面磚與目前市面常見尺寸之面磚做經濟分析,發現以工業廢棄物焚化底渣取代黏土來燒製面磚,可節省30-50%之成本。
本發明係設計用來解決上述的問題。因此,本發明之一目的係提供一種製造一建築材料的方法,以及以所揭示方法製備而成的建築材料。
以下將詳述本發明之其他目的與優點,並可由本發明之較佳實施例得到更清楚的瞭解。並且,可以藉由單獨地或組合地使用記載於隨附申請專利範圍中之手段而理解本發明之目的與優點。
為達上述目的,提供一種製造一建築材料的方法,包括將一黏土與一工業廢棄物焚化底渣以重量比約9:1至6:4的比例混合;在10-150 kgf/cm2的壓力下, 將該混合物模製成多個粗產物;及對該些粗產物實施一熱處理,以製成該建築材料。
較佳地,該熱處理是指以5~20℃/分鐘的升溫速度,在900℃至1200℃的溫度下燒結約0.5-6小時。
較佳地,該工業廢棄物焚化底渣是指平均粒徑在20~105 μm的底渣。
較佳地,該建築材料是瓦片、陶瓷面磚或紅磚,且其形狀可為正方形、矩形、圓形、三角形、多邊形或菱形。
依據本發明另一態樣,提供一種依據上述方法所製備而成之建築材料,該些建築材料是利用包含以下步驟的方法所製備而成:將黏土與工業廢棄物焚化底渣以重量比約7:3的比例混合,在50 kgf/cm2的壓力下模製成形,並在5℃/分鐘的升溫速度下於1200℃的溫度下燒製至少6小時而成。所燒製成的建築材料孔隙在約4μm至約10μm間,硬度在約3 GPa至7 Gpa間。
下文中,將配合附圖詳細說明本發明之較佳實施例。在敘述前,應瞭解在說明書及後附之申請專利範圍中的用語不應被解釋成限制在一般及字典上的意義,基於為了最佳釋明而允許發明人適當地定義用語之原則,應以對應本發明之技術觀點的意義與觀念而為解釋。因此,於此所提之敘述是僅為說明之目的之一較佳實施例,並非意圖限制本發明的範籌,所以應瞭解在不 脫離本發明之精神及範疇下,對本發明為其他均等意義及修改是可能的。
依據一例示的實施方式,將黏土與工業廢棄物焚化底渣依比例混合,以供後續燒製成不會有有害物質滲出且機械強度與一般建築材料相當之環保建築材料,藉此達成工業廢棄物焚化底渣減容、減量以及產品「安定化」、「無害化」的目地。
因此,依據本揭示內容所燒製而成的環保建築材料,不僅產品品質(尤指機械強度、硬度等物理性質)與一般非回收材料製成的建築材料相當外,也不會有有毒物質溶出,同時因係使用工業廢棄物焚化底渣製成,故除了可有效地減少工業廢棄物容量外,其價格也較一般建築材料來得低廉,至少可節省30-50%之成本。
依據一例示的實施方式,將黏土與工業廢棄物焚化底渣以重量比約9:1至6:4的比例混合,在10-150 kgf/cm2的壓力下,將該混合物模製成多個粗產物;及對該些粗產物實施一熱處理,以製成該建築材料。
在此所述之黏土為一般市售的黏土,至於工業廢棄物焚化底渣則取自東部工業區的工業廢棄物焚化爐。依據經濟部工業局,所謂「工業廢棄物」是指『事業之中央主管機關屬經濟部工業局者,其所產生的事業廢棄物稱之為工業廢棄物』(楊致行,『工業廢棄物之回收與資源化』,經濟部情勢暨評論季刊,第八卷第二期,2002年)。因此,原則上本揭示內容所指的工業廢棄物焚化底渣為各類事業廢棄物經焚化爐燃燒後,累積在爐底的 剩餘灰燼物質(不包括飛灰),經過以網目為10 mm2的篩子粗篩、球磨後,再以200號網篩篩分後,平均粒徑在20~105 μm的物質。
黏土與工業廢棄物焚化底渣重量的混合比例約在9:1至6:4間,例如約8:2。在一較佳實施例中,混合比例約為7:3。將依比例混合後的混合物,在10-150 kgf/cm2的壓力下,模製成多個粗產物。此壓力較佳是約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140或150 kgf/cm2。在一實例中,模製成形的壓力約為50 kgf/cm2。所壓製成的這些粗產物形狀及大小,可視最終應用來調整。以形狀來說,可以是正方形、矩形、圓形、三角形、多邊形、菱形或任何適當的形狀。接著,對這些粗產物實施熱處理,以將其燒製成欲求的建築材料。在此所指的熱處理是指將該些粗產物放入電窯、瓦斯窯、材窯等高溫爐中,以5~20℃/分鐘的升溫速度,於900℃至1200℃的溫度下進行燒結約0.5-6小時。此升溫速度可為5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20℃/分鐘。在一實例中,這些粗產物是在1200℃的溫度下,以5℃/分鐘的升溫速度下於1200℃的溫度下燒製6小時,待冷卻至室溫後,即可獲得欲求的建築材料。在燒結過程中,高溫爐中可為供氧或厭氧狀態。
依據所揭示方法燒製而成的該些建築材料,其性質與一般非回收材料製成的建築材料相當,其孔隙大小約在4μm至約10μm間,硬度在約3 GPa至7 Gpa間,磨 耗量更在0.0198-0.0002 g之間,遠低於台灣中央標準局(CNS 3299)對於未施釉陶瓷面磚之規定的0.1 g。此外,毒性特性溶出試驗(Toxicity characteristic leaching procedure,TCLP)及原子吸收光譜分析(Flame Atomic Absorption Analysis,FLAA),也確認以工業廢棄物焚化底渣取代部分黏土所燒製成的建築材料不會有諸如如,重金屬之類的有毒物質溶出。因此,在產業上適合用來製造各式回收或環保建築材料。
可利用本揭示內容之方法進行燒製的建築材料包括瓦片、陶瓷面磚或紅磚。在一實例中,依據本揭示內容方法所燒製而成的建築材料為陶瓷面磚。
下文中,將經由實施例詳細敘述本發明。然而,本發明並不限於實驗例,而且在後附的申請專利範圍之範疇內可以實施各種的實施例。
實施例 燒製陶瓷面磚
本試驗中所用黏土為一般市售黏土,工業廢棄物焚化底渣取自東部某工業區之工業廢棄物焚化爐。表1示出工業廢棄物焚化底渣與市售黏土之化學成分配比。
首先,將工業廢棄物焚化底渣在105℃下烘乾24小時,接著以網目大小為10 mm2之篩網粗篩去除大型物質後,以球磨機研磨48小時,並繼續以200號篩篩分。
以不同重量比例將黏土與工業廢棄物焚化底渣充分混合均勻,包括100:0、9:1、8:2、7:3及6:4,在50 kgf/cm2壓力下,將20克材料加壓製作成40 mm(L)×40 mm(W)×6 mm(H)之樣品。自然陰乾後,以5℃/min之升溫速率加熱燒結,燒結溫度為900℃、1000℃、1100℃及1200℃等四種溫度,燒結停留時間皆為6小時,並於爐內自然冷卻至室溫,可獲得陶磁面磚。接著,測試所燒製成之陶磁面磚的各種性質,包括孔隙率、吸水率、抗折強度及硬度,結果分別示於第1~4圖;並以傅氏轉換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)儀分析所燒製成之陶磁面磚的鍵結,結果示於第5圖中;並以掃描式電子顯微鏡來觀察所燒製成陶磁面磚的結構,結果示於第6圖的照片中。
第1圖為在不同溫度下,分別以重量比例為0%、10%、20%、30%及40%的工業廢棄物焚化底渣來取代黏土後所燒製而成之陶磁面磚的孔隙率分析。由圖中可知,以工業廢棄物焚化底渣取代之純黏土陶磁面磚之孔 隙率會隨著燒結溫度升高而下降,由900℃時之37.89±0.69%,降低至1200℃燒結時之22.08±1.48%。以工業廢棄物焚化底渣取代部分黏土來燒結陶磁面磚時,由第1圖中可見,隨底渣之取代量增加,在1200℃取代量30%以下之黏土陶磁面磚孔隙率由純黏土之22.08±1.48%降低至取代30%時之4.73±0.37%,此主要是因工業廢棄物焚化底渣含大量的Fe2O3(19.57%),而Fe2O3有助熔效果,故燒結體內之SiO2形成黏滯流燒結機制大量填補孔隙。但在取代量40%時,陶磁面磚燒結體之孔隙再度提高至12.60±3.79%,此主要是因工業廢棄物焚化底渣內之重金屬造成燒結機制由原本的晶格擴散、晶界擴散及黏滯流燒結機制轉變為令燒結粉體粗化的表面擴散以及蒸發-沉降機制。
第2圖為所燒結之陶磁面磚燒結體的吸水率測試。由圖中可見陶磁面磚燒結體之吸水率因孔隙減小而隨之降低。
另外,採用三點抗折測試來測試所燒製之陶磁面磚燒結體的抗折強度,結果如第3圖所示。由圖中可見,燒結體之抗折強度受燒結溫度影響甚大,純黏土燒結體由900℃燒結之49.32±2.62 kg/cm2隨燒結溫度提高至1200℃時為146.85±19.21 kg/cm2。經工業廢棄物焚化底渣取代部分黏土後之陶磁面磚,因燒結體內之矽酸鹽含量提高,故其抗折程度有些許下降趨勢,在1200℃燒結溫度下,由純黏土之146.85±19.21 kg/cm2降至取代量40%時的89.83±19.13 kg/cm2
第4圖示出陶磁面磚燒結體之硬度。由圖中可知,純黏土之硬度由3.18±0.89 GPa隨燒結溫度升高至1200℃時為5.38±0.97 GPa。此即由於燒結體緻密化所造成之機械性質提升。經工業廢棄物焚化底渣取代後之陶磁面磚在1200℃燒結6小時後,由於燒結體孔隙減小使得燒結體更為緻密化,燒結體硬度由5.38±0.97 GPa提高到取代量20%時6.91±1.09 GPa,但取代量提高後(30%與40%),燒結體內部形成內孔隙,造成環保地磚之硬度略微降低至6.29±1.73 GPa。
第5圖示出以FTIR螢光光譜儀分析所燒製之陶磁面磚之鍵結。圖中可見為以工業廢棄物焚化底渣取代之純黏土中在波數1105 cm-1的位置有一石英網狀結構所形之Si-O-Si鍵結,在667 cm-1位置所出現高嶺石晶相中矽酸鹽類所形成之SiO3 2-之鍵結,另在810 cm-1波數位置出現CO3 2-中C-O之非對稱鍵結,此為黏土中Ca2+與大氣中CO2作用所形成之CaCO3所造成。而以20%工業廢棄物底渣取代之陶磁面磚於1454 cm-1波數位置出現C-O伸縮峰,此為工業廢棄物焚化底渣中Ca2+與大氣中之CO2形成鍵結造成。當取代量超過30%後,位於667 cm-1之鍵結消失,其原因為工業廢棄物焚化底渣之重金屬進入系統,在高嶺石晶相中之SiO3 2-鍵結被破壞形成玻璃相之SiO2
第6圖為以掃描式電子顯微鏡來觀察1200℃燒結之陶磁面磚燒結體的照片,其中分別以0、10%、20%、30%及40%之工業廢棄物焚化底渣來取代黏土進行燒 結。照片中可見純黏土(即,底渣取代量為0%)之燒結體在1200℃燒結後,其燒結體內部仍呈現許多孔隙。而含有工業廢棄物焚化底渣取代之陶磁面磚於燒結體內部開始呈現玻璃化且有分層現象,其中以20%工業廢棄物焚化底渣取代之陶磁面磚其孔隙降至約4 μm;30%以及40%取代量之陶磁面磚,由於SiO2含量增高,出現內部孔隙膨脹至約10 μm,並有燒結粗化現象;而在40%取代量之陶磁面磚SEM照片上可見其孔隙週圍多為玻璃化物質,且晶體則集中於中間,呈現一矽酸鹽玻璃化物質包覆晶體之現象,而此現象可有助於將工業廢棄物焚化底渣之重金屬有效包覆於燒結體中。
如上所述,本發明之較佳實施例已經參照附圖而詳細地敘述。然而,應瞭解當中所表示為本發明之較佳實施例者,其中詳細的敘述以及特定的實驗例僅為說明之目的而已,對本發明所屬技術領域中之技術人士而言,由以上詳細地說明,在本發明之範疇與精神內為各式變化與修改是顯而易見的。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之說明如下:第1圖為依據本發明一實施方式所燒製而成之陶磁面磚燒結體之孔隙率圖; 第2圖為根據本發明一實施方式所燒製而成之陶磁面磚燒結體之吸水率圖;第3圖為根據本發明一實施方式所燒製而成之陶磁面磚燒結體之抗折強度圖;第4圖為根據本發明一實施方式所燒製而成之陶磁面磚燒結體之硬度圖;第5圖為根據本發明一實施方式所燒製而成之陶磁面磚燒結體之FTIR鍵結分析圖;及第6圖為根據本發明一實施方式以不同比例之工業廢棄物焚化底渣取代黏土所燒製而成之陶磁面磚燒結體之SEM照片。

Claims (10)

  1. 一種製造一建築材料的方法,包括:將一黏土與一工業廢棄物焚化底渣以重量比約9:1至6:4的比例混合;在10-150 kgf/cm2的壓力下,將該混合物模製成多個粗產物;及對該些粗產物實施一熱處理,以製成該建築材料,其中該熱處理是指以5~20℃/分鐘的升溫速度,在900℃至1200℃的溫度下進行燒結約0.5-6小時,且燒結期間可為厭氧或供氧狀態。
  2. 如請求項1所述之方法,其中該建築材料是瓦片、陶瓷面磚或紅磚。
  3. 如請求項2所述之方法,其中該建築材料的形狀可為正方形、矩形、圓形、三角形、多邊形或菱形。
  4. 如請求項1所述之方法,其中該工業廢棄物焚化底渣是指平均粒徑在20~105 μm的底渣。
  5. 如請求項1所述之方法,其中該黏土與該工業廢棄物焚化底渣以重量比約7:3的比例混合,在50 kgf/cm2 的壓力下模製成形,並在5℃/分鐘的升溫速度下於1200℃的溫度下燒製至少6小時而成。
  6. 如請求項1所述之方法,其中該些建築材料之孔隙在約4μm至約10μm間,硬度在約3 GPa至7 Gpa間。
  7. 一種建築材料,其係以如請求項1所述之方法製備而成。
  8. 如請求項7所述之建築材料,其中該建築材料為陶瓷面磚。
  9. 一種建築材料,其係以如請求項5所述之方法製備而成。
  10. 如請求項9所述之建築材料,其中該建築材料為陶瓷面磚。
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