TWI414499B - 太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法及產品 - Google Patents

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太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法及產品
本發明係一種涉及於固體廢物處理與陶瓷的技術領域，尤指太陽能板廢棄物再利用而製成玻璃陶瓷。
按由全球面臨氣候變遷，造成暖化日益嚴重以及能源逐漸耗竭等問題，各國積極投入發展替代能源及綠色科技產業，其中運用太陽能來發電的綠色科技，是許多國家積極推動的方向，由於太陽能電池是將太陽能轉換成電能的裝置，需有陽光才能運作，太陽能電池與蓄電池串聯，將有陽光時所產生的電能先行儲存，以供無陽光時放電使用。使用中較沒有釋放二氧化碳等破壞生態環境問題，因而被視為未來重要新興能源。
一般而言，太陽能電池利用太陽光直接發電的光電半導體薄片，該薄片在接受太陽光等光線照射，即可輸出電壓及電流，而太陽能電池(又可稱晶片或是矽晶，分成非晶矽、多晶、單晶)在設計所需要的電流進行切割後焊接箔條導線，完成之後用箔條串聯成一組，再和強化玻璃層層疊置，並且進行真空封裝以製成稱太陽能板，而數個太陽能板組成方陣。
太陽能電池有分成薄膜太陽能電池，以及矽晶圓太陽能電池，根據行政院環保署公佈資料顯示，2007年國內市場約含3，998，295kg/y之太陽能板(太陽能板是組裝太陽能板廠商所製造之單晶矽、多晶矽及薄膜)，太陽能板廢棄量約191，186kg/y，其中廢薄膜類太陽能電池約8，603kg/y，廢矽晶類太陽能電池約171，111kg/y。薄膜類廢棄太陽能電池的玻璃矽含量高達(68.35%)，因此如何處理這些廢棄物，也是一項重要問題，發明人因此思考，如能將廢棄太陽能板廢玻璃資源化再利用，將可有效解決太陽能板廢玻璃之問題。
本發明者鑑於前述的問題，進而用心研究開發，因此本發明主要目的係在提供一種太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法及產品，其主要是將廢棄太陽能板，以最低成本而再利用為玻璃陶瓷之原料，有效減少廢棄太陽能板玻璃，並將廢棄材料轉換為有價值的再利用資源。
為了可達到前述的目的，本發明所運用的技術手段係在於提供一種太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法，其係包含：備料：將數太陽能板廢玻璃集中一起，該太陽能板廢玻璃是太陽能板製品製造時發生損毀及生命週期結束後所產生之廢棄物；研磨成粉末：太陽能板廢玻璃研磨成粉末，研磨粉末細度範圍為100~400m2 /kg；加壓成型：將研磨後的粉末施以120~220kgf/cm2 範圍內的壓力，以固定成型為指定形狀的基體；熱處理：將前述加壓成型的該基體，送入高溫爐加熱以構成燒結體，熱處理條件是加熱溫度範圍是在600℃~850℃之間，而熱處理時間是在1~4小時，加熱速率範圍是在5~20℃/min；玻璃陶瓷成品：燒結體完成熱處理階段，自高溫爐取出而冷卻之後即為玻璃陶瓷成品。
因此依據本發明的技術手段，本發明可以獲得的功效簡要說明如下所列：
1、本發明以廢棄太陽能板，作為製作玻璃陶瓷之原料，其廢棄太陽能板玻璃的矽含量高達68.35%，透過本發明的製法，未來將可有效減少每年所產生8，603kg廢棄太陽能板玻璃，減少廢棄物的產生。
2、本發明開拓太陽能板廢玻璃的再利用途徑以及市場需求量，提高產品單位價值，建立具市場性的再生原料應用技術，有效解決太陽能廢玻璃處置問題。
3、利用太陽能板廢玻璃做為玻璃陶瓷材料，可降低以往製造玻璃陶瓷多是需要1000℃以上的熱處理溫度，因此本發明可以降低生產玻璃陶瓷的成本，同時減少能源損耗。
為使貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如后：本發明係一種太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法及產品，請配合參看第一圖，其係為製法流程圖，顯示製法流程依序是：備料(10)：將太陽能板廢玻璃集中一起；本發明所指太陽能板廢玻璃是指太陽能板製品製造時發生損毀及生命週期結束後所產生之廢棄物，而太陽能板廢玻璃材料化學元素組成，經XRF(X-Ray Fluorescence)，以利用X射線螢光原理，來測量太陽能板廢玻璃化學組成的每一種元素，分析之後，太陽能板廢玻璃主要成分是以SiO2 為主，所佔百分比為68.35%，而CaO及Na2 O分別佔5.61%及7.66%，而組成分析可配合如附件一的表1所示。
研磨成粉末(20)：將太陽能板廢玻璃研磨成粉末，而本發明所需粉末粒徑分布可如第二圖所示，其中粉末之粒徑於38~125μm佔89.27%，大於125μm佔6.92%，而小於38μm佔3.81%。研磨流程中，是首先將太陽能板廢玻璃經由破碎手段以形成小塊玻璃，再利用球磨機研磨成粉末並控制其細度，研磨粉末細度範圍為100-400m2 /kg，較佳細度為300m2 /kg。本發明所使用之材料經以微波消化後來測定其重金屬總量如附件一的表2所示，各重金屬皆低於最小偵測極限。而太陽能板廢玻璃依據環保署公告之「事業廢棄物毒性特性溶出程序-NIEA R201.10T」固體廢棄物重金屬溶出程序部份進行溶出實驗，再利用火焰式原子吸收光譜儀測定溶出液過濾後重金屬含量，實驗結果如附件一的表3所示，各重金屬皆低於最小偵測極限，茲以說明本發明準備再利用的太陽能板廢玻璃，其重金屬含量完全符合不傷害人體的安全標準。
加壓成型(30)：將研磨後的粉末透過油壓機械，將前述太陽能板廢玻璃粉末，施以120~220kgf/cm2 範圍內的壓力，以固定成型為板狀體或是其它指定形狀的基體，較佳壓力狀態為200kgf/cm2 。
熱處理(40)：本發明是將前述加壓成型的基體，送入高溫爐加熱以構成燒結體，而高溫爐的窯燒氣氛環境可以是供氧或是厭氧狀態，本發明燒結熱處理條件如下所列：加熱燒結溫度範圍--600℃-850℃，較佳熱處理溫度為850℃;熱處理時間--1~4小時，較佳熱處理時間為2小時；加熱速率範圍--5-20℃/min，較佳加熱速率為5℃/min。
太陽能板廢玻璃之DTA(熱差分析)結果如附件二的圖1所示，太陽能板廢玻璃主要成份SiO2 熔點為1710℃，但因為玻璃中含有NaO使得熔點下降，故在熱處理700℃左右形成黏製流特性，並在熱差分析(DTA)圖上有一明顯之寬闊吸熱峰產生。本發明使用X-ray繞射儀(XRD)分析太陽能板廢玻璃，分析結果如附件二的圖2所示。
由於太陽能板廢玻璃為無定形之非結晶結構，故其繞射圖形呈現許多雜訊而無明顯繞射峰，當燒結溫度達到800℃在21.46°開始出現一明顯繞射峰，此位置為SiO2 晶相，而在30.06及35.60出現另外兩個明顯繞射峰，此位置為CaAl2 O4 晶相，燒結體之表面微結構是如附件三所示。由圖中可見燒結體經600℃燒結處理後，其表面粉體間可以觀察到明顯頸部成長現象，這是由於粉體原子藉由表面擴散機制所造成。在燒結溫度650℃圖中表面空隙明顯較600℃減少，其因在較高溫度下原子具有較高動能導致擴散速率增加。當燒結溫度達到700℃，由於矽酸鹽類熔融形成黏滯流(玻璃化)填滿孔隙，因此其表面呈現光滑且不具外部孔隙。表面結晶結構是在燒結至800℃以後開始出現，和XRD分析結果相符。
玻璃陶瓷成品(50)：當燒結體在完成熱處理階段，自高溫爐取出而冷卻之後即為玻璃陶瓷，玻璃陶瓷的硬度、抗折強度，都透過本發明的製法而有可靠確實的效果。請參看第三圖所示，玻璃陶瓷在燒結時密度之變化可知結構之緻密化程度，依本發明的方法，將太陽能板廢玻璃製成的玻璃陶瓷，其不同燒結溫度之密度變化情形，此由燒結溫度為600℃的2.05，隨著燒結溫度提升至650℃、700℃、750℃、800℃及850℃後，燒結體之密度分別為2.143、2.252、2.36、2.5及2.547，由上述可知，玻璃陶瓷之密度隨燒結溫度提升而有上升的趨勢，因此燒結溫度愈高，玻璃陶瓷成品的結構愈緻密。
此外，透過本發明的製法，本發明可以適度提昇燒結體的機械性質，請參看第四圖，當燒結溫度為600℃、650℃、700℃、750℃、800℃及850℃時，燒結體之硬度由600℃至650℃是呈比例上昇，650℃近乎持平穩定，到了800℃，玻璃陶瓷的燒結體硬度更為提昇，此乃玻璃陶瓷的緻密化而提昇了機械性質提升。而再配合第五圖，其為玻璃陶瓷在各燒結溫度之抗折強度變化，在燒結過程中，是呈上昇穩定趨勢，在750℃至800℃又一明顯提昇，可見玻璃陶瓷在燒結時，其抗折強度隨著燒結溫度升高至800℃左右確實有提升效果，此乃玻璃陶瓷在燒結過程中，燒結體表面之黏製流燒結現象增進燒結體緻密化效果，對完成的玻璃陶瓷，其機械強度發展有正面效果。
上述實施例僅為例示性說明本發明之技術及其功效，而非用於限制本發明。任何熟於此項技術人士均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化，因此本發明之權利保護範圍應如後所述之申請專利範圍所列。
 《本發明》
(10)．．．備料
(20)．．．研磨成粉末
(30)．．．加壓成型
(40)．．．玻璃陶瓷成品
(50)．．．熱處理
(一)圖式部分
第一圖係本發明較佳實施例之方塊流程圖。
第二圖係本發明較佳實施例之太陽能板廢玻璃研磨成粉末的粒徑分佈圖。
第三圖係本發明較佳實施例之太陽能板廢玻璃，在各種熱處理溫度的密度顯示圖。
第四圖係本發明較佳實施例之太陽能板廢玻璃各熱處理溫度的硬度顯示圖。
第五圖係本發明較佳實施例之太陽能板廢玻璃各熱處理溫度的抗折強度顯示圖。
附件一：太陽能板廢玻璃的組成分析以及重金屬情況顯示表。
附件二：太陽能板廢玻璃的在DTA與XRD分析圖表。
附件三：太陽能板廢玻璃熱處理溫度的表面組織放大分析照片。
(10)．．．備料
(20)．．．研磨成粉末
(30)．．．加壓成型
(40)．．．玻璃陶瓷成品
(50)．．．熱處理

Claims (6)

  1. 一種太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法，其係包含：備料：將數太陽能板廢玻璃集中一起，該太陽能板廢玻璃是太陽能板製品製造時發生損毀及生命週期結束後所產生之廢棄物；研磨成粉末：太陽能板廢玻璃研磨成粉末，研磨粉末細度範圍為100~400m2 /kg；加壓成型：將研磨後的粉末施以120~220kgf/cm2 範圍內的壓力，以固定成型為指定形狀的基體；熱處理：將前述加壓成型的該基體，送入高溫爐加熱以構成燒結體，熱處理條件是加熱溫度範圍是在600℃~850℃之間，而熱處理時間是在1~4小時；玻璃陶瓷成品：燒結體完成熱處理階段，自高溫爐取出而冷卻之後即為玻璃陶瓷成品。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法，所述研磨成粉末的流程中，粉末較佳細度為300m2 /kg。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法，所述加壓成型的流程，較佳壓力狀態為200kgf/cm2 。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法，所述熱處理的流程，高溫爐的窯燒氣氛環境可以是供氧或是厭氧狀態。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能板廢玻璃燒製成玻璃陶瓷之方法，所述熱處理的流程，較佳熱處理溫度為850℃，較佳熱處理時間為2小時，較佳加熱速率範圍是在5~20℃/min。
  6. 一種運用申請專利範圍第1項所述之太陽能板廢玻燒製成玻璃陶瓷之方法製成的產品，其係以太陽能板發生損毀及生命週期結束後所產生之太陽能板廢棄玻璃，經研磨成粉末細度範圍為100~400m2 /kg之玻璃粉末、對玻璃粉末施以120~220kgf/cm2 範圍內的壓力、以600℃~850℃之溫度熱處理而構成陶瓷玻璃，其表面光滑且不具外部孔隙。
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