TWI549763B

TWI549763B - 咖啡渣輕質磚及其製造方法

Info

Publication number: TWI549763B
Application number: TW104139477A
Authority: TW
Inventors: 王金鐘
Original assignee: 王金鐘
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201718118A

Description

咖啡渣輕質磚及其製造方法

本發明是有關於一種輕質磚製作方法，特別是指一種將咖啡渣經脫水、烘乾、粉碎、研磨成粉末，再應用無機聚合之技術將咖啡渣製作成輕質磚的方法。

在世界的人口中，飲用咖啡的人口越來越多，我國亦是如此，全世界每年的咖啡輸出量超過660萬公噸，在日常生活中，已充滿著飲用咖啡的文化。

但是，沖泡咖啡後所產生之咖啡渣，約佔咖啡重量的67%，咖啡渣是屬於有機廢棄物，可採用焚化或就地掩埋法當作土壤之肥料也並無危害，而我國地狹人稠，在可利用且有限土地的資源情形下，若不能大幅提升回收再利用的比例，是必對於我們的生活環境造成負擔。

因此，如何避免咖啡渣以焚化的方式，或是以掩埋的方式進行廢棄物的處理，並增加咖啡渣的產業可利用性，是相關研究人員亟需努力的目標。

有鑒於此，本發明之一目的是提供一種咖啡渣輕質磚製造方法，包含一備製步驟、一活化步驟、一膠結步驟、一加熱步驟，及一養治步驟。

首先進行該備製步驟，準備複數水淬爐石粉及咖啡渣粉末。

接著進行該活化步驟，將該水淬爐石粉利用鹼活化處理技術，形成一無機聚合物漿體。

然後進行該膠結步驟，將該無機聚合物漿體與咖啡渣粉末依比例進行混拌膠結，再澆置或壓製成型咖啡磚。

接著進行該加熱步驟，將成型咖啡磚坯送入烘箱加熱一段時間。

最後進行該養治步驟，將加熱後之咖啡磚坯拆模後浸水養治一段時間，增強其抗壓強度，以得到該咖啡渣輕質磚。

本發明之又一技術手段，是在於上述之備製步驟中，該水淬爐石粉之細度為4500~5000cm²/g，而該咖啡渣粉末是經烘乾、研磨成粉末狀，其比重為1.5，液限為0，塑性指數為0，屬於粉土質砂。

本發明之另一技術手段，是在於上述之活化步驟是以鹼當量設定為6~10%，而鹼模數比設定為1.0~2.0，水膠比設定為1~1.67製作成該無機聚合物漿體。

本發明之再一技術手段，是在於上述之該膠結步驟中，該無機聚合物漿體與該咖啡渣粉末之膠結重量比(膠骨比)為3~5。

本發明之又一技術手段，是在於上述之該加熱步驟中，是將該無機聚合物漿體與咖啡渣粉末混合料澆置或壓製於模具中成型咖啡磚，並送入烘箱中以攝氏60度加熱48小時。

本發明之另一技術手段，是在於上述之該養治步驟中，是將該咖啡磚拆模後，浸水養治3~28天。

本發明之再一技術手段，是在於上述之咖啡渣輕質磚製造方法，更包含一位於該養治步驟後之抗壓強度測試步驟，將通過抗壓強度150kgf/cm²的咖啡渣輕質磚作為建築用普通磚。

本發明之另一目的是提供一種咖啡渣輕質磚，包含一75~84wt%之無機聚合物，及一16~25wt%之咖啡渣粉末。該無機聚合物是由水淬爐石粉，及鹼活化劑所組成。

本發明之另一技術手段，是在於上述之鹼活化劑是選自於矽酸鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉、磷酸鈉，及此等之組合。

本發明之再一技術手段，是在於上述之鹼活化劑之pH值不小於11.5。

本發明之有益功效在，先以不同之鹼當量、鹼模數比，及水膠比，調配出不同比例之無機聚合物漿體，再與該咖啡渣粉末以不同之比例進行拌合膠結，並再以澆置或壓製成型磚坯以加熱及養治得到該咖啡渣輕質磚。

901‧‧‧備製步驟

902‧‧‧活化步驟

903‧‧‧膠結步驟

904‧‧‧加熱步驟

905‧‧‧養治步驟

906‧‧‧抗壓強度測試步驟

圖1是一流程圖，說明本發明咖啡渣輕質磚製造方法之一第一較佳實施例；圖2是一分析圖，說明本發明之一水淬爐石粉之X光繞射分析圖；圖3是一分析圖，說明本發明之一咖啡渣粉末之X光繞射分析圖；圖4是一晶相圖，說明本發明之一無機聚合物漿體於鹼當量AE=6%，及鹼模數比Ms=1.0時的晶相態樣；圖5是一晶相圖，說明該無機聚合物漿體於鹼當量AE=6%，及鹼模數比Ms=1.5時之晶相態樣；圖6是一晶相圖，說明該無機聚合物漿體於鹼當量AE=6%，及鹼模數比Ms=2.0時之晶相態樣；圖7是一晶相圖，說明該無機聚合物漿體於鹼當量AE=8%，及鹼模數比Ms=1.0時之晶相態樣；圖8是一晶相圖，說明該無機聚合物漿體於鹼當量AE=8%，及鹼模數比Ms=1.5時之晶相態樣；圖9是一晶相圖，說明該無機聚合物漿體於鹼當量AE=8%，及鹼模數比Ms=2.0時之晶相態樣；圖10是一晶相圖，說明該無機聚合物漿體於鹼當量 AE=10%，及鹼模數比Ms=1.0時之晶相態樣；圖11是一晶相圖，說明該無機聚合物漿體於鹼當量AE=10%，及鹼模數比Ms=1.5時之晶相態樣；圖12是一晶相圖，說明該無機聚合物漿體於鹼當量AE=10%，及鹼模數比Ms=2.0時之晶相態樣；圖13是一流程圖，說明本發明咖啡渣輕質磚製造方法之一第二較佳實施例；圖14是一分析圖，說明本發明在鹼當量AE=6%與鹼模數比Ms=2.0時，該咖啡渣輕質磚在不同之水膠比(W/B)及膠骨比(B/A)的抗壓強度關係；圖15是一分析圖，說明本發明在鹼當量AE=8%與鹼模數比Ms=2.0時，該咖啡渣輕質磚在不同之水膠比(W/B)及膠骨比(B/A)的抗壓強度關係；圖16是一分析圖，說明本發明在鹼當量AE=10%與鹼模數比Ms=2.0時，該咖啡渣輕質磚在不同之水膠比(W/B)及膠骨比(B/A)的抗壓強度關係；及圖17是一分析圖，說明本發明中以不同之鹼當量AE與該咖啡渣輕質磚的凝固時間的關係。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在進行詳細說明前應注意的是，類似的元件是以相同的編號來作表示。

參閱圖1，為本發明咖啡渣輕質磚製造方法之第一較佳實施例，適用於一種咖啡渣輕質磚，該咖啡渣輕質磚是由一無機聚合物，及一咖啡渣粉末所組成。其中，該無機聚合物佔75~84wt%，該咖啡渣粉末佔16~25wt%，且該無機聚合物是由水淬爐石粉，及鹼活化劑所組成。

該第一較佳實施例中，該咖啡渣輕質磚製造方法包含列步驟：首先執行一備製步驟901，準備複數水淬爐石粉及咖啡渣粉末。其中，該水淬爐石粉是煉鋼過程中加入石灰石作為助熔劑，並加入焦炭作為還原劑，鐵礦石經還原反應後殘留之非鐵物質即為高爐石，經過高壓水冷卻方式產出水淬高爐之爐碴，最後所磨成之粉末即為該水淬爐石粉，較佳地，該水淬爐石粉之細度為4500~5000cm²/g，比重2.93。實際實施時，也可使用其他規格之水淬爐石粉，不應以此為限。此外，該咖啡渣粉末為一般沖泡咖啡後所留下之廢棄物，經烘乾、研磨成粉末狀，其比重為1.5，液限為0，塑性指數為0，屬於粉土質砂(SM)。

參閱表1，為發明人針對該水淬爐石粉及該咖啡渣粉末X光繞射分析(XRD)瞭解咖啡渣各個相位的組成生成物，其中，以C、O、Si、Ca等元素含量最高，配合XRD分析所得的各種化合物，再以重量分析計算其化學成份計量，進而推算咖啡渣粉末中各元素的氧化態含量百分比。

配合參閱圖2，為發明人在XRD分析及掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察圖，得知該水淬爐石粉為非結晶質化合物組成，再由晶相圖得知爐石粉是由多邊形片狀及角粒狀結構推疊而成。

配合參閱圖3，為發明人在XRD分析及掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察圖，得知咖啡渣粉末為非結晶質有機化合物組成，再由晶相圖得知咖啡渣由熔融片狀結構推疊而成，並存在許多大小不等的孔隙。

接著執行一活化步驟902，將該水淬爐石粉利用鹼活化處理技術，形成一無機聚合物漿體。通常來說，該水淬爐石粉含有SiO₂與Al₂O₃，具有潛在水硬性作用，並利用高鹼特性之鹼活化劑進行鹼活化處理，以提高環境中鹼性濃度，破壞材料表面之玻璃質晶形，進而達到與鹼活化劑離子快速反應之目的。較佳地，該鹼活化劑之pH值不小於11.5，即可提供足夠的能量溶解並破壞矽、鋁氧化物之鍵結及Ca²⁺之溶出，且該鹼活化劑是選自於矽酸鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉、磷酸鈉，及此等之組合。

在該第一較佳實施例中，該活化步驟902是以鹼當量設定為6~10%，鹼模數比設定為1.0~2.0，水膠比設定為1~1.67製作成該無機聚合物膠結材。其中，該鹼當量(AE)是使用NaOH以莫耳濃度M作為添加的基準，即Na₂O的等值用量；該鹼模數比(Ms)，即活化劑中SiO₂/Na₂O的重量比值。其利用NaOH及SiO₂來調整鹼當量及鹼模數比之技術已為業界所知悉，在此不再詳加贅述。

參閱圖4、5、6，分別為該無機聚合物膠結材(爐石無機聚合膠結材)於鹼當量AE=6%中，將鹼模數比(Ms)改變為1.0、1.5，及2.0時之晶相圖，其中，圓框為水化作用產物C-H-C膠體，方框為無機作用產物。

參閱圖7、8、9，分別為該無機聚合物膠結材(爐石無機聚合膠結材)於鹼當量AE=8%中，將鹼模數比(Ms)改變為1.0、1.5，及2.0時之晶相圖，其中，圓框為水化作用產物C-H-C膠體，方框為無機作用產物。

參閱圖10、11、12，分別為該無機聚合物膠結材(爐石無機聚合膠結材)於鹼當量AE=10%中，將鹼模數比(Ms)改變為1.0、1.5，及2.0時之晶相圖，其中，圓框為水化作用產物C-H-C膠體，方框為無機作用產物。

配合參閱表2，發明人在實驗過程中，首先是單純只使用水淬爐石粉進行無機聚合物製作，並分別將鹼當量(AE)設定為6%、8%及10%，及鹼模數比(M_S)設定為1、1.5、2.0，且水膠比為1.67、1.25、1的條件下進行調配，並養治3天、7天及28天後進行抗壓試驗。

由實驗得知，當該無機聚合物膠結材之鹼當量AE=6%時，因為水膠比(W/B)提高促使漿體內含水量增加，過多水量促使漿體產生滯留水，漿體硬固後滯留水散失因而產生孔隙，造成試體結構產生破壞面促使抗壓強度降低。

在抗壓試驗中，該無機聚合物膠結材之抗壓強度會隨著鹼當量(AE)、鹼模數比(M_S)增加而增加，且隨著養治時間增加而增加，並隨著水膠比增加而下降。因此，發明人決定使用鹼模數比Ms=2.0之等配比作為發明人咖啡磚膠結材料中固定的使用參數。

然後執行一膠結步驟903，將該無機聚合物漿體與咖啡渣粉末依比例進行混拌膠結，以形成一膠結混合材，再澆置或壓製成型咖啡磚。其中，該無機聚合物漿體與該咖啡渣粉末之膠結重量比(膠骨比)為3~5。

將該咖啡渣粉末與該鹼模數比M_S=2.0之無機聚合物漿體進行混合膠結，其中，因為該咖啡渣粉末中又含有14%以上的油脂，每一批的咖啡渣粉末狀況又不相同很難掌控。因此，為讓咖啡渣粉末都能和無機聚合物漿體充分混拌，本研究特別選用無機聚合物漿體與咖啡渣粉末重量比(膠骨比B/A)以3，4及5等三種條件，進行數據分析。並比較含鹼當量對漿體抗壓強度之影響，再針對6%、8%及10%鹼當量範圍，鹼模數比為2.0，水膠比(W/B)為1.67、1.25、1，膠骨比(B/A)為3、4及5等配比，進行交叉比較。

接著執行一加熱步驟904，將該澆置或壓製成型咖啡磚送入烘箱加熱一段時間。較佳地，將依比例均勻混合該無機聚合物漿體及該咖啡渣粉末之膠結混合材，澆置或壓製於模具中，並送入烘箱中以攝氏60度加熱(養護)48小時，使該無機聚合物漿體中的成分膠結在一起，成型咖啡磚坯。

最後執行一養治步驟905，將加熱後之膠結混合材拆模後成咖啡磚坯浸水養治一段時間，增強其抗壓強度，以得到該咖啡渣輕質磚。較佳地，浸水養治的時間為3~28天。

參閱圖13，為本發明咖啡渣輕質磚製造方法的第二較佳實施例，該第二較佳實施例與該第一較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於該咖啡渣輕質磚製造方法更包含一位於該養治步驟905後之抗壓強度測試步驟906，將通過抗壓強度150kgf/cm²的咖啡渣輕質磚作為建築用普通磚。

參閱圖14，為該咖啡渣輕質磚在不同膠骨比及膠水比的抗壓強度關係，其中，150kgf/cm²虛線為國家標準CNS-382普通磚第3種磚抗壓強度要求。當在鹼當量(AE)固定於6%，鹼模數(M_S)設定為2.0下，將水膠比(W/B)設定為1.67、1.25、1.0，膠骨比(B/A)設定為3、4、5，並養治3天、7天，及28天的比較分析圖。當鹼當量(AE)固定於6%時，可以得知抗壓強度隨膠骨比增加而增加，隨養治時間增加而增加，其中，以水膠比W/B=1.0、膠骨比B/A=5抗壓強度最高效果最佳，並且在養治7天及28天即可滿足CNS-382普通磚第3種磚抗壓強度要求。

參閱圖15，為該咖啡渣輕質磚在不同膠骨比及膠水比的抗壓強度關係，其中，150kgf/cm²虛線為國家標準CNS-382普通磚第3種磚抗壓強度要求。當在鹼當量(AE)固定於8%，鹼模數(N_S)設定為2.0下，將水膠比(W/B)設定為1.67、1.25、1.0，膠骨比(B/A)設定為3、4、5，並養治3天、7天，及28天的比較分析圖。其中，以水膠比W/B=1.0、膠骨比B/A=5抗壓強度最高效果最佳，並且在養治7天及28天即可滿足CNS-382普通磚第3種磚抗壓強度要求。

參閱圖16，為該咖啡渣輕質磚在不同膠骨比及膠水比的抗壓強度關係，其中，150kgf/cm²虛線為國家標準CNS-382普通磚第3種磚抗壓強度要求。當在鹼當量(AE)固定於10%，鹼模數(M_S)設定為2.0下，將水膠比(W/B)設定為1.67、1.25、1.0，膠骨比(B/A)設定為3、4、5，並養治3天、7天，及28天的比較分析圖。其中，以水膠比W/B=1.0、膠骨比B/A=5抗壓強度最高效果最佳，並且在養治7天及28天即可滿足CNS-382普通磚第3種磚抗壓強度要求。

配合參閱表3，為發明人將該鹼模數比(M_S)固定於2.0，並改變鹼當量(AE)、水膠比(W/B)，及膠骨比(B/A)之抗壓強度的數據，依據CNS-382普通磚第3種磚抗壓強度要求，當強度大於150kgf/cm²時，即可成為建築材料。

參閱圖17，是以不同之鹼當量(AE)對該咖啡渣輕質磚的凝固時間進行比較。就終凝而言，當鹼當量AE=6%、水膠比W/B=1.67下降至1.0時，其終凝時間分別為120分鐘和80分鐘，當鹼當量(AE)上升為8%、水膠比W/B=1.67下降至1.0時，其終凝時間分別為95分鐘和55分鐘，當鹼當量AE上升為10%、水膠比W/B=1.67下降至1.0時，其終凝時間分別為95分鐘和55分鐘。由此可知，凝結時間隨鹼當量增加而縮短；同理當鹼當量AE=6%、水膠比W/B=1.67時，其終凝時間為120分鐘，當鹼當量AE=6%，水膠比W/B由1.67下降至1.00時，其終凝時間縮短為80分鐘，由此可知，終凝時間亦隨水膠比下降而縮短。

請參閱附件，為該咖啡渣之5cm×5cm×5cm咖啡磚試體，發明人將咖啡渣經脫水、烘乾、粉碎、研磨成粉末，嘗試應用無機聚合技術將咖啡渣粉末製作成咖啡輕質磚，並進行一系列試驗，以作為日後工程界設計參考。

綜合上述，本發明將該咖啡渣粉末及該無機聚合物漿體，進行等比例的混合(包含膠骨比B/A及水膠比W/B)，以得到混合著咖啡渣粉末之輕質磚料，並在不同的養治天數下進行該咖啡渣輕質磚的強度測試，最後取得符合國際規範之咖啡渣輕質磚的製作條件，以作為日後工程界設計參考，故確實能夠達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之二個較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

901‧‧‧備製步驟

902‧‧‧活化步驟

903‧‧‧膠結步驟

904‧‧‧加熱步驟

905‧‧‧養治步驟

Claims

一種咖啡渣輕質磚製造方法，包含以下步驟：一備製步驟，準備複數水淬爐石粉及咖啡渣粉末；一活化步驟，將該水淬爐石粉利用鹼活化處理技術，形成一無機聚合物漿體；一膠結步驟，將該無機聚合物漿體與咖啡渣粉末依比例進行混拌膠結，以形成一膠結混合材，再澆置或壓製成型咖啡磚；一加熱步驟，將該澆置或壓製成型咖啡磚送入烘箱加熱一段時間；及一養治步驟，將加熱拆模後成型咖啡磚浸水養治一段時間，增強其抗壓強度，以得到該咖啡渣輕質磚。
依據申請專利範圍第1項所述之咖啡渣輕質磚製造方法，其中，該備製步驟中，該水淬爐石粉之細度為4500~5000cm²/g，而該咖啡渣粉末是經烘乾、研磨成粉末狀，其比重為1.5，液限為0，塑性指數為0，屬於粉土質砂。
依據申請專利範圍第2項所述之咖啡渣輕質磚製造方法，其中，該活化步驟是以鹼當量設定為6~10%，而鹼模數比設定為1.0~2.0，水膠比設定為1~1.67製作成該無機聚合物漿體。
依據申請專利範圍第3項所述之咖啡渣輕質磚製造方法，其中，在該膠結步驟中，該無機聚合物漿體與該咖啡渣粉末之膠結重量比(膠骨比)為3~5。
依據申請專利範圍第4項所述之咖啡渣輕質磚製造方法，其中，在該加熱步驟中，是將該膠結混合材澆置或壓製模具中成型，並送入烘箱中以攝氏60度加熱48小時。
依據申請專利範圍第5項所述之咖啡渣輕質磚製造方法，其中，在該養治步驟中，是將該成型咖啡磚拆模後，浸水養治3~28天。
依據申請專利範圍第6項所述之咖啡渣輕質磚製造方法，更包含一位於該養治步驟後之抗壓強度測試步驟，將通過抗壓強度150kgf/cm²的咖啡渣輕質磚作為建築用普通磚。
一種咖啡渣輕質磚，包含：一75~84wt%之無機聚合物，由水淬爐石粉，及鹼活化劑所組成；及一16~25wt%之咖啡渣粉末。
依據申請專利範圍第8項所述之咖啡渣輕質磚，其中，該鹼活化劑是選自於矽酸鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉、磷酸鈉，及此等之組合。
依據申請專利範圍第9項所述之咖啡渣輕質磚，其中，該鹼活化劑之pH值不小於11.5。