TWI554488B - 廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法 - Google Patents

Description

廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法

本發明係與廢棄污泥或飛灰再利用之技術領域有關，更詳而言之是將無害的廢棄污泥或飛灰先行前處理而成為陶瓷原料，繼而灌注多孔前驅體(porous precursor)，再經燒成成為高附加價值多孔陶瓷之廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法者。

多孔陶瓷具有耐高溫、穩定性高、熱傳導率低、耐沖洗、比表面積高、多孔洞、可製成閉合或相通孔洞等之優點及材質特殊性，故逐漸發展作為過濾、吸附、輕質、隔熱、吸音、催化、傳導、透氣、生物骨材、電化學等之新穎材料，不僅發揮多孔陶瓷之特性，且成效優於傳統材料。

惟，絕大多數多孔陶瓷均係以純原料為骨材，如：石英砂、碳化矽、矽藻土、純矽、剛玉、堇青石、莫來石、鈦酸鋁、氧化鋯等，主要原因係較易掌握製程之控制條件及燒成產品之物化性質。

習知有關多孔陶瓷之中華民國發明及新型專利案或公開案如下：(1)發明專利：第031487號「多孔性陶瓷板製造方法」；第037096號「多孔性陶瓷材料及其產製方法」；第062584號「多孔陶瓷過濾網體及其製造方法」；第109130號「製造氧化物陶瓷薄膜的方法」；第134739號「多孔隙陶瓷材料之製造方法」；第164707號「採用陶瓷多孔體之過濾器」；第189596號「含砷地表水處理程序及其多孔陶瓷過濾裝置」；第202784號「多孔質陶瓷及其製造方法，以及微波導基板」；第203799號「多孔質氮化矽陶瓷及其製造方法」；第I241917號「多孔隙陶瓷骨骼填充材料之製造方法」；第I260712號「作為半導體裝置中之低k膜的多孔陶瓷材料」；第I262896號「多孔性二氧化矽乾凝膠的製備方法」；第182090號「長效型的多孔陶瓷空氣清淨器」；第I305722號「具有多孔性組織之人工骨頭」；第I311922號「複合多孔膜及其製造方法」；第I312787號「多孔性聚合物膜之製法」；公開第200517358號「應用電弧爐集塵灰燒結製成多孔性陶瓷」；公開第200914070號「多孔生物材料及其製法」等。(2)新型專利：第367935號「多孔陶瓷成型機」；第M266974號「多孔陶瓷載體」；第M302299號「多孔陶瓷裝置」等專利案及公開案。

進一步說明前揭之多孔專利技術，可概分為三：其一為以無機礦物原料為骨材製成多孔陶瓷之技術，主要為以二氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化鋯、或莫來石等原物料，經壓模、加入黏結劑/有機溶劑、或射出成型等，以燒結、壓延、或金屬氧化物沉積等方式製成多孔陶瓷。其二為將已是多孔陶瓷之物品進行排列裝置或加工，以利於過濾、吸附或釋放(脫附)物質之技術。其三為以有機聚合物製成多孔薄膜之技術，唯製成之有機薄膜並不屬於無機之多孔陶瓷。此外，前揭專利案中，以廢棄物為原料製成之多孔陶瓷係公開第200517358號發明，該發明係利用廢棄之有害電弧爐集塵灰(含重金屬Cd、Pb、Zn等)，加入煤矸石、少量水分，經造粒、壓成空心磚/連瑣磚，再藉高溫燒結製成多孔陶瓷(磚)，其燒結過程中較低沸點之重金屬即行氣化。

其次，拋光石英磚(polished porcelain tile)因質地堅硬、表面光滑、具天然石材特質，故已蔚為瓷磚建材中甚受歡迎且大量使用之瓷磚。惟，拋光石英磚製程中，胚體燒成後之研磨程序，約10%之胚體被磨除，而與研磨噴水、研磨片之磨除顆粒(如碳化矽顆粒)及其成分(如氯鎂等成分)成為含泥污水，匯流進入廢水處理廠，經混凝、沉澱、污泥脫水等程序，最後成為拋光石英磚研磨污泥(以下簡稱研磨污泥)。由於研磨污泥夾雜前述物質與成分，不易再利用，故多作窪地填土或掩埋場棄土，實為資源之浪費。

此外，燃煤之汽電共生廠及火力發電廠，約產生6-9%燃煤量之飛灰，即燃煤飛灰(coal fly ash)。因燃煤飛灰具有卜作嵐材料(pozzolanic material)之性質，大多數國家(包括我國)多將燃煤飛灰作為混凝土添加料，惟，亦可開發新穎之應用領域。

基此，若能將研磨污泥與燃煤飛灰回收再利用並製成多孔陶瓷，顯然甚具實用價值，不過，由前述多孔陶瓷相關專利技術可知，目前並無運用無害之廢棄污泥或飛灰為陶瓷原料製成多孔陶瓷之技術。

本發明之主要目的在於提供一種廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，其可達「零廢棄」、「資源再利用」及「提升再利用產品附加價值」之功效，甚具實用價值。

緣是，為達成前述之目的，本發明提供一種以研磨污泥或燃煤飛灰為原料製備多孔陶瓷之方法，至少包含下列步驟：泥灰前處理：將研磨污泥或燃煤飛灰進行前處理；原料混合：將前處理獲得之細研磨污泥或細燃煤飛灰，與高嶺土、黏結劑溶液依適當比例混合；原料球磨：進行混合原料之球磨；灌注成型：混合原料經球磨後成為漿料，以漿料灌注多孔前驅體，並成型為多孔胚體；高溫燒成：以高溫燒成多孔胚體，完成多孔陶瓷之製備。

以下，茲舉本發明一較佳實施例並配合圖示作詳細之說明如後：請參閱圖一所示，本發明一較佳實施例之廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，主要包含下列步驟：本發明之第一步驟係泥灰前處理110：以孔徑大小75微米以下(ASTM ＃200篩以下)之習知旋轉篩或振動篩，將研磨污泥或燃煤飛灰過篩。通過篩網之細研磨污泥或細燃煤飛灰，即係可供為多孔陶瓷之原料；反之，未通過篩網之粗泥灰，多係異物或研磨片掉落之較大顆粒，則可供混凝土細骨材或其他用途。

此外，為促進泥灰過篩分離，可預先將研磨污泥或燃煤飛灰加水攪拌成泥漿，液固之重量比為5-15：1。此外，亦可在該旋轉篩或振動篩下方再設置一習知超音波震盪器，俾利震盪泥灰促進分離。

本發明之第二步驟係細泥灰烘乾及破碎120：將過篩分離之細研磨污泥或細燃煤飛灰以105±5 ℃之溫度加熱去除水分後，再利用習知破碎機予以破碎。

本發明之第三步驟係原料混合130：將已破碎之細研磨污泥或細燃煤飛灰與高嶺土、黏結劑溶液依適當比例混合。其中，黏結劑為聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纖維素(CMC)等有機聚合物，預先溶於水中成為黏結劑溶液，其濃度為1-15%；已破碎細研磨污泥、高嶺土之重量比例分別為10-50%及90-50%；已破碎細燃煤飛灰、高嶺土之重量比例分別為10-80%及90-20%；黏結劑溶液之重量比例為細研磨污泥或細燃煤飛灰與高嶺土合計重量之200-400%。

本發明之第四步驟係原料球磨140：將已混合原料予以球磨，球磨時間至少4小時。

本發明之第五步驟係灌注成型150：混合原料經球磨後成為漿料，以漿料灌注一多孔前驅體，並成型為一多孔胚體。其中，該多孔前驅體為海綿、泡綿或多孔乳膠等具多孔洞之有機體。灌注過程係在可抽真空之一容器內進行，先置漿料於該容器中，並抽真空以排除漿料內之空氣，其後將該多孔前驅體浸泡於漿料內，重覆多次抽真空、攪拌漿料、將多孔前驅體翻面之程序，即可將漿料均勻灌注多孔前驅體，而成型為該多孔胚體。

本發明之第六步驟係陰乾及烘乾160：將該多孔胚體置於無陽光之常溫室內進行陰乾，陰乾時間12-36 hr。陰乾後，將該多孔胚體烘乾，溫度為105±5 ℃，烘乾時間12-24 hr。

本發明之最後步驟係高溫燒成170：將烘乾之多孔胚體置入習知高溫爐，升溫速率為0.5-1.0 ℃/min，升溫至1200-1300 ℃，持溫0.5-1.0 hr，再自然降溫，即可燒成多孔陶瓷。

綜上所述，本發明廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，不僅可解決廢棄泥灰污染環境問題，亦可將廢棄泥灰作為資源，達到「零廢棄」、「資源再利用」及「提升再利用產品附加價值」之目的。緣是，本發明確實符合發明專利之要件，爰依法提出申請。

110．．．泥灰前處理

120．．．細泥灰烘乾及破碎

130．．．原料混合

140．．．原料球磨

150．．．灌注成型

160．．．陰乾及烘乾

170．．．高溫燒成

圖一係本發明較佳實施例之流程圖。

110．．．泥灰前處理

120．．．細泥灰烘乾及破碎

130．．．原料混合

140．．．原料球磨

150．．．灌注成型

160．．．陰乾及烘乾

170．．．高溫燒成

Claims (8)

1. 一種廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，用以可利用拋光石英磚研磨過程產生之污泥與燃煤之汽電共生廠或火力發電廠產生之飛灰製作多孔陶瓷，至少包含以下步驟：泥灰前處理：將研磨污泥或燃煤飛灰加水攪拌成泥漿再過篩，用以獲致粒徑小於75微米以下之細研磨污泥或細燃煤飛灰，液固之重量比為5-15：1；原料混合：將前處理獲得之細研磨污泥或細燃煤飛灰與高嶺土、黏結劑溶液混合，細研磨污泥與高嶺土之重量比例分別為10-50%及90-50%，而細燃煤飛灰與高嶺土之重量比例則分別為10-80%及90-20%，黏結劑溶液之重量比例為細研磨污泥或細燃煤飛灰與高嶺土合計重量之200-400%；細泥灰烘乾及破碎：將前處理獲致之細研磨污泥或細燃煤飛灰加熱去除水分，再予以破碎；原料球磨：將破碎之混合原料球磨為漿料；灌注成型：將漿料灌注一多孔前驅體，用以形成一多孔胚體；及高溫燒成：高溫燒成該多孔胚體，以獲致多孔陶瓷。
2. 如申請專利範圍第1項所述廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，其中，泥灰前處理之步驟中，係以孔徑大小75微米以下(ASTM # 200篩以下)之一旋轉篩或一振動篩將研磨污泥或燃煤飛灰過篩，用以過篩出細研磨污泥或細燃煤飛灰。
3. 如申請專利範圍第1項所述廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，其中，泥灰前處理之步驟中，可再在該旋轉篩或振動篩下方設置一超音波震盪器，俾利震盪泥灰促進分離。
4. 如申請專利範圍第1項所述廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，其中，細泥灰烘乾及破碎之步驟中，前處理獲致之細研磨污泥或細燃煤飛灰係以105±5℃之溫度加熱去除水分，再利用一破碎機予以破碎。
5. 如申請專利範圍第4項所述廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，其中，原料混合之步驟中，係將已破碎之細研磨污泥或細燃煤飛灰與高嶺土、黏結劑溶液混合。其中，黏結劑為聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纖維素(CMC)等有機聚合物，預先溶於水中成為黏結劑溶液，其濃度為1-15%。
6. 如申請專利範圍第1項所述廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，其中，灌注成型之步驟中，該多孔前驅體係海綿、泡綿或多孔乳膠等具多孔洞之有機體。灌注成型之方式，係先置漿料於可抽真空之一容器中，抽真空以排除漿料內之空氣，再將該多孔前驅體浸泡於漿料內，並重覆多次抽真空、攪拌漿料、將多孔前驅體翻面之程序，即可成型為該多孔胚體。
7. 如申請專利範圍第1項所述廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，其中，高溫燒成之步驟前，更包含有一陰乾及烘乾之程序，即將該多孔胚體進行陰乾，陰乾時間12-36hr；陰乾後，烘乾該多孔胚體，溫度為105±5℃，烘乾時間12-24hr。
8. 如申請專利範圍第7項所述廢棄泥灰再利用製備多孔陶瓷之方法，其中，高溫燒成之步驟，係將烘乾之多孔胚體置入高溫爐，升溫速率為0.5-1.0℃/min，升溫至1200-1300℃，持溫0.5-1.0hr，再自然降溫，即可燒成多孔陶瓷。