TWI769019B - 利用重金屬污染土壤再製之多孔輕質粒料、及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種多孔輕質粒料，其係將回收廢玻璃與受重金屬污
染的土壤結合並利用電磁感應加熱進行玻璃化反應而得；該多孔輕質粒料的結晶相至少包含有石英及莫來石，且該多孔輕質粒料的密度為在0.1~2.0g/cm3之間、孔隙率為在30%~90%之間、吸水率為在80%以下。本發明之多孔輕質粒料皆通過粒料規範測試，可做為不同再利用材料能夠提高廢玻璃及污染土壤之經濟性，將有害廢棄物賦予產品之新生命，並轉化為人類生活所需之產品，取代原本需開採之天然石材，保護自然環境，增進循環經濟。
Description
本發明係關於一種多孔輕質粒料，特別是關於一種將重金屬污染土壤進行玻璃化反應後所得的多孔輕質粒料及其製作方法。
社會因科技進步而快速發展，人類過著便利舒適的生活，卻伴隨著大量廢棄物產生，而可用資源日益減少，將廢棄物回收再利用已是目前國際趨勢，不但能降低垃圾量，更能減少資源浪費，達到循環經濟的效果。
除了大量廢棄物處理的問題，土壤污染也不可忽視，台灣土壤污染嚴重且量體龐大，目前農地土壤受污染場址共7,343個，其中重金屬污染佔99%，且尚有2017個場址尚未解除列管，多數位於桃園、彰化地區。重金屬指的是密度大於4g/cm3之元素，因為重金屬不易被生物利用，容易在生態環境中不斷累積，透過食物鏈不斷累積在動物體內，最終影響食物鏈頂端的人類，引發各種不同的疾病，在在顯示台灣需要更快速有效且經濟的處理污染土壤之整治技術。
常見的土壤重金屬污染整治方式有固化/穩定化(Solidification/Stabilization)、翻轉稀釋法(Soil Blending and Dilution)、土壤酸洗(Soil washing)、玻璃化法(Vitrification)等，根據環保署資料統計，台灣最常使用之整治方法為犁耕工法、排土/客土法、萃取移除法、電動力法，但犁耕工法及排土/客土法對高濃度重金屬污染之土壤整治效果不佳，需耗費更多土壤資源，且破壞犁底層及影響原地土壤狀態，而萃取移除工法尚未成熟，離地整治需耗費大量經費及廢水處理問題，現地整治則有二次污染之風險。
既有之污染土壤玻璃化技術僅朝2個方向研發：一是完成污染土壤玻璃化做為回收土壤砂粒之用，或是作為安定掩埋場覆土(僅取代一般砂粒之用，大量購買時，目前價格1公斤低於1.0元)；一是作為玻璃瀝青之低價玻璃配料使用(因目前廢玻璃回收費用已經跌到每公斤0.55元左右)。對於從事重金屬污染土壤處理業者不具有經濟誘因，所以寧願將其載去掩埋場賺取中間清除費用(清運費用可達每噸1,000-1,500元)，而不願更進一步投資進行玻璃化。而進行掩埋處理業者每噸僅進場費即30,000元以上，更無意願進行低單價成品之玻璃化製程投資。而若要將玻璃化成品應用於高價值領域，則必須要進行二次製程，將該玻璃化成品磨碎與發泡物質混合均勻後再次加熱製成多孔材料。
因此，如何將目前應回收之廢棄物與應處理之廢棄物結合，利用新穎技術將其轉化為有價之大宗資材，為目前資源回收產業未來發展之重點。若能將回收玻璃與受重金屬污染的土壤結合做為原料，生產產品過程中一併處理有害廢棄物，不僅能解決污染土壤問題，還能降低生產成本使企業有利可圖，形成多贏局面。
有鑑於此，本發明人等經由潛心研究及尋找用於解決傳統技術之上述問題點的各種可能方案，結合電磁感應加熱將重金屬污染土壤轉化為有價值之多孔材，既可去除污染問題，還可以延續土壤資源壽命，成為有利用價值之物質，符合循環經濟之旨趣。
具體而言，本發明利用已經超出污染管制標準之土壤及適當之添加劑進行發泡型之玻璃化，以達到製作低比重且高孔隙率之多孔輕質粒料，作為製作透氣石、輕質骨材等之應用，同時符合法規標準。再者，本發明利用重金屬污染土壤再製多孔輕質粒料的方法屬於一步到位之製作方法，較以往習知技術必須先加熱到1400℃，才能將污染土壤玻璃化到完全合格，再將此玻璃化成品磨碎與發泡物質混合均勻後，再次加熱製成多孔介質之作法更佳，此方法較以往兩階段方法可以節省許多電力能源，時間與經費。
意即，本發明提供了一種利用重金屬污染土壤再製之多孔輕質粒料，其特徵在於：該多孔輕質粒料的結晶相至少包含有石英及莫來石，且該多孔輕質粒料的密度為在0.1~2.0g/cm3之間、孔隙率為在30%~90%之間、吸水率為在80%以下。
根據本發明之一觀點，該多孔輕質粒料的面乾內飽和之比重為在1.5~3.0之間。
根據本發明之一觀點，該多孔輕質粒料的氯離子濃度為在12ppm以下。
根據本發明之一觀點，該多孔輕質粒料的28天抗壓強度大於255kgf/cm2。
根據本發明之一觀點，該多孔輕質粒料係適用於營建工程材料、園藝植栽之材料、或過濾材。
再者，本發明還可以提供一種利用重金屬污染土壤再製多孔輕質粒料之製作方法，其係包含以下步驟：將含重金屬之土壤與回收廢玻璃之磨碎過篩料(以下簡稱玻璃粉)混合，接著加熱至一特定溫度並於該特定溫度下保持至少3分鐘；其中該土壤中之不含水部分包含有40wt%以上的二氧化矽、以及10wt%以上的三氧化二鋁；該土壤相對於該玻璃粉的重量比為在1：1~1：20之間；該土壤的含水率為在1wt%~10wt%之間；該特定溫度為在700~1000℃之間。
根據本發明之一觀點，其中進一步包含添加1wt%~10wt%的發泡劑；較佳為添加3wt%~10wt%的發泡劑；更加為添加的發泡劑；最佳為添加10wt%的發泡劑。
根據本發明之一觀點，其中該發泡劑為選自碳酸鈣、碳酸鈉、氧化鈉、氧化鈣、及氧化鎂中之至少一種；較佳為選自碳酸鈣、碳酸鈉、及氧化鈉中之至少一種；更佳為選自碳酸鈣、碳酸鈉中之至少一種。
根據本發明之一觀點，其中該特定溫度一般為在700~1000℃之間；較佳為在750~950℃之間；更佳為在800~900℃之間；最佳為850℃。
根據本發明之一觀點，該土壤的含水率一般為在1wt%~10wt%之間；較佳為在3wt%~10wt%之間；更佳為在5wt%~10wt%之間；最佳為10wt%。
根據本發明之一觀點，其中該土壤中所含之重金屬係包括砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、鋅中之至少一種；較佳為包括鉻、銅、鎳、鉛、鋅、中之至少一種。
圖1A至圖1C為依序顯示實施例1至9中之多孔輕質粒料S1至S9有關吸水率、密度差異率、及重金屬鉛穩定率的因子反應圖。
圖2A及2B為顯示多孔輕質粒料S1至S9的XRD分析結果圖。
圖3為顯示抗壓強度試驗中標準砂及多孔輕質粒料的抗壓強度比較圖。
圖4為顯示透氣石之適用分析中各樣品水分散失隨時間的變化比較圖。
以下，更進一步地配合實施例及圖式而詳細地說明本發明。然而，下列說明僅為例示性說明，非作為限制本發明說明書及申請專利範圍。除非本說明書另有定義以外，在本文中所用的科學與技術詞彙之含義與本發明所屬技術領域中具有通常知識者所理解與慣用的意義相同。
此外，本項技藝中具有通常知識者應當明瞭：本發明當然不受限於此等實例而已，亦可利用其他相同或均等的功能與步驟順序來達成本發明。
在本文中，對於用以界定本發明範圍的數值與參數，本質上不可避免地含有因個別測試方法所致的標準偏差，因而大多是以約略的數量值來表示，然而於具體實施例中則盡可能精確呈現的相關數值。在本文中，「約」通常視本發明所屬技術領域中具有通常知識者的考量而定，一般係指代表實際數值落在平均值的可接受標準誤差之內，例如，該實際數值為在一特定數值或範圍的±10%、±5%、±1%、或±0.5%以內。
首先，以下說明本發明之實施例所使用的各項檢測方法。
為確保玻璃化之土壤樣品能有效固化重金屬，在本發明之實施例中對已玻璃化樣品進行重金屬消化溶出實驗，用以驗證玻璃化後樣品不會有重金屬溶出。消化溶出方法參考行政院環境保護署環檢所提供之廢棄物與底泥中金屬檢測方法-酸消化法(NIEAM353.02C)，且與使用設備之參數做結合，其消化步驟如下所示：先行秤取1.0g之乾燥固體樣品，加入2.0ml低汞硝酸(HNO3：H2O=1：1)與5.0ml低汞鹽酸(HCl：H2O=1：4)與固體混合，再放置消化器進行加熱消化溫度(設定95℃)消化30min，半小時後待其降溫20min，馬上添加2.0ml雙氧水(30%)使其反應10min，反應過後再放置消化器(溫度設定85℃)再進行消化30min，亦待其降溫10min後，再次添加2.0ml雙氧水(30%)反應10min，最後再次放入消化器中(溫度設定85℃)消化30min，將添加去離子水定量稀釋。消化溶出結果由感應耦合電漿發射光譜儀(OptimaTM 7000DV，ICP-OES)進行檢測。
穩定率(Immobilization Percentage,IP)用來表示樣品將重金屬固化於其中而不被溶出之強度表示(Yang et al.,2014)，其運算方式如下所示：
其中，C0為玻璃化前重金屬溶出濃度，C1為玻璃化後重金屬溶出濃度。
1.體積量測
首先，利用排水法測得多孔輕質粒料的體積。為使體積量測趨近真實，需先將材料泡水，使材料內部吸滿水份，再將表面多餘之水份
擦乾，呈現面乾內飽和之狀態(saturated surface dry,SSD)再量測體積。由自製塑膠空罐外接水管量測體積，先將罐中裝滿水，高於水管之水自然流出，使水面基準線統一，待水面穩定後，緩慢將待測體積之材料放入水中，減少波動，收集流出之水精秤重量，再乘上水的密度獲得體積。
2.密度及密度差異百分比
將各組樣品之密度依下式計算，再與基準(玻璃及土壤之密度(約為2.5))做比較，計算出密度之差異百分比，如下式；密度差異越多，代表密度越小且體積越大、孔隙越多，可初步判斷不同條件對孔隙率之影響。
3.吸水率
吸水率定義為乾燥骨材達面乾內飽和狀態(saturated surface dry,SSD)，吸收之水重常以乾重百分比來表示，如下式。將樣本於室溫下置入水中達24±4小時，再將骨材取出，以擦乾表面，達面乾內飽和之狀態精秤重量，隨後將樣本取出置於烘箱以105±5℃乾燥24小時，得烘乾之重量。
4.孔隙率
當孔隙的體積包含在材料體積內，得到之比重稱為容積比重，計算方式為特定溫度下，材料於空氣中的單位體積重量對該溫度下相同體積蒸餾水於空氣中重量之比值。顆粒的孔隙體積與總體積(顆粒體積加孔隙體積)之比值，稱為孔隙率。
5.XRD特徵分析
利用高解析X光繞射儀(HRXRD)觀察材料之結構變化，探討加熱前後玻璃之變化及對粒料之影響。本試驗委託中興大學研究發展處-科技部補助貴重儀器中心協助檢測，為使準確性提高，需將樣品破碎至100 mesh以下，偵測速率為1.5°/min。
在本發明之實施例中所使用之重金屬污染土壤來自南投縣南投市的中部偏西北地帶，為傳統地域名稱一牛運堀之列管農地，土壤採集回來後先將雜草、碎石去除，接著以鐵盤鋪鋁箔紙盛裝，送入烘箱以105±5℃乾燥12小時，確認其乾燥並冷卻後，以50 mesh之篩網過篩。利用經能量色散X射線光譜儀分析該土壤樣品的組成分，可知該土壤樣品含有59.05wt%的二氧化矽、16.05wt%的氧化鋁、5.42wt%的氧化鐵。另外，在試驗前先進行污染土壤的毒性溶出試驗，並將結果紀錄於表1中。
另外，在實施例中所使用的玻璃為一般家庭常見之回收玻璃罐，如酒瓶、牛奶罐、玻璃罐醬料等常見玻璃罐。收集之廢玻璃罐將標籤去除後，以中性洗劑及清水清洗乾淨，確保罐中無殘留物。自然風乾後以鐵鎚破碎，收集通過50 mesh之玻璃粉。
將污染土壤與玻璃粉以2：6.9之重量比混合均勻，然後以10g樣品為基準，並且以土壤含水量、碳酸鈣添加量、加熱溫度、及維持時間作為變動因子，以田口試驗方法將樣品分成9個組別。在樣品中分別如下表1之比例添加碳酸鈣後放入石墨坩鍋(石墨坩鍋之外徑為60mm、內徑為50mm、高度60mm，線圈內徑大約為70mm)內，在利用固態半導體高週波
機(供應商：非凡熱科國際股份有限公司，型號：SP-30KW)對9組不同樣品分別進行750℃、850℃、950℃電磁感應加熱與3分鐘、5分鐘及10分鐘維持時間之實驗。加熱完成後，將坩鍋移至旁邊靜置以室溫冷卻，即獲得多孔輕質粒料S1至S9。
接著，進行多孔輕質粒料S1至S9的毒性溶出試驗，並將結果紀錄於表1中；分析多孔輕質粒料S1至S9的密度、密度差異百分比、及吸水率、以及重金屬鉛的穩定率，並將結果紀錄於表1中，處理後均符合我國現行土壤污染管制標準。
從吸水率的結果來看，可以看到各組實驗的吸水率皆有20%以上，其中以實施例4為最高，吸水率可達72.86%。利用田口試驗法計算出各個變動水準(Level)後可知，溫度為影響吸水率最顯著之控制因子，其次為含水量，再來為碳酸鈣添加及維持時間；在低溫加熱(750℃)的實施例1至3中的樣品結構鬆散易碎，吸水性能跟著下降，而溫度高(950℃)的實施例6至9中的樣品雖然結構完整，但高溫使氣體膨脹且逸散，不利於形成小孔洞，甚至孔洞結構消失，因此適當溫度為首要條件，850℃為較佳之溫度。水分在100℃左右就開始逸散，將尚未融化之樣品粉末分散，使顆粒間孔隙增加，當溫度到達融合溫度時，顆粒間的孔隙被玻璃結構包住，產生緻密的孔隙，但水分太多會使氣體逸散情形劇烈，且影響加熱效率，因此水分需適當添加，10%之水分添加有較佳之效果。雖然碳酸鈣在700℃開始產生氣體，因為電磁感應加熱升溫十分快速，會使內外加熱不均勻產生溫差，若結構尚未成形，碳酸鈣所產生之氣體無法留存，結構無法產生孔洞。由於其他控制因子影響顯著，導致維持時間相較下影響較小，但加熱時間越久會使氣體膨脹，孔洞相互連通變大，孔洞變大使吸水率下降。
從密度差異百分比的結果來看，加熱溫度低(750℃)的組別由於加熱不完全樣品沒完全成型，密度減少大約10%，溫度較高(750℃、
950℃)的組別密度沒有太多差異，密度差異百分比大約為60%。利用田口試驗法計算出各個變動水準(Level)後可知，影響密度的控制因子依序為溫度、維持時間、含水量及碳酸鈣添加。溫度影響樣品成型及融合，若溫度不足密度差異不大，而850℃及950℃效果差異甚小。維持時間影響反應時間，反應時間越長產生之氣體越多，但時間維持過久，孔洞破裂造成氣體逸散，反而使密度增加。含水率與碳酸鈣添加差異不大，影響原因應該與吸水率類似，水分使未結合之顆粒間孔隙增加，當到達融合溫度時，顆粒間的孔隙被玻璃結構包住，產生緻密的孔隙，但水分太多會使氣體逸散劇烈，且影響加熱效率，粉末飛散後又依重力堆積，不會有較大之顆粒間孔隙，因此水分需適當添加。內外加熱不均勻產生溫差，碳酸鈣所產生之氣體無法留存，結構無法產生孔洞。
從重金屬溶出量及重金屬鉛穩定度的結果來看，在未進行玻璃化反應的污染土壤中，重金屬汞及鉛為超標狀態，其中鉛污染濃度超過農地法規標準將近30倍，而汞污染也有約7倍濃度的超標，可見污染情況十分嚴重。而經過玻璃化反應後所得的多孔輕質粒料S1至S9，雖有砷溶出之情況，推測為碳酸鈣中含有少量砷，但濃度皆很低，因此不在考慮範圍內，其餘重金屬濃度皆有下降之趨勢。又因本發明所採用的加熱溫度為在700℃以上，實務上較適用於沸點在700℃以上的鉻、銅、鎳、鉛、鋅中之至少一種重金屬成分的污染土壤。
再者，從重金屬鉛穩定度的結果來看，穩定率最高之組別為實施例4，可達93.38%，其次為實施例8的91.81%及實施例9的89.58%。利用田口試驗法計算出各個變動水準(Level)後可知，溫度為影響最大的控制因子，其次依序為維持時間、發泡劑添加及含水量。在溫度750℃的組別中，做出來的樣品幾乎沒有成型，一碰就碎，十分脆弱，推測可能原因為樣品混合物在750℃加熱下，無法完全融合，導致玻璃無法固定重金屬，使
重金屬穩定率極差，溫度提高可使樣品充分融合，使固定效果更好。而維持時間越久，樣品充分受熱，重金屬與玻璃反應時間越久，固定效果更佳。發泡劑及水分添加對重金屬固定效果影響較小，發泡劑添加越多使玻璃及土壤熔點降低，更容易使玻璃與重金屬結合。
接著，基於上述表1的結果，分別繪製多孔輕質粒料S1至S9有關吸水率、密度差異率、重金屬鉛穩定率的因子反應圖，如圖1A至1C所示。
由圖1A可看出，當以溫度850℃、碳酸鈣添加量為10%、含水率10%及維持時間3分鐘時製作多孔輕質粒料時，為吸水率的最佳條件；由圖1B可看出當以溫度850℃、碳酸鈣添加量為10%、含水率10%、及5分鐘之維持時間製作多孔輕質粒料時，具有最佳之密度差異；由圖1C可看出，在溫度850℃、高碳酸鈣添加量、含水率10%及維持時間10分鐘有最佳的重金屬穩定效果。
綜合以上田口試驗得出多孔輕質粒料之最佳操作條件皆為溫度850℃、碳酸鈣添加量為10%、含水率10%，而維持時間之部分須以重金屬穩定率為最主要優先之條件，因此加熱時間皆選擇10分鐘為最佳條件。
除此之外，將多孔輕質粒料S1至S9分別進行XRD特徵分析，結果如圖2A及圖2B所示，圖2A為多孔輕質粒料S1至S6的XRD分析結果圖，圖2B為多孔輕質粒料S7至S9的XRD分析結果圖。由圖2A及圖2B的結果可知，可以發現9組實驗石英及莫來石之晶相都存在，而燒製溫度較高之實施例7至9中的多孔輕質粒料S7至S9，其他晶相形成較不明顯，推測溫度破壞了土壤中原本的晶相結構，僅剩石英相及莫來石。較低溫之組別有較多晶相產生，樣品實施例1至3的多孔輕質粒料S1至S3中除了石英相外，還可以發現透輝石及矽灰石之繞射峰，透輝石有利於燒結和形成黏性層
(Karamanov and Pelino,2006)，若溫度升高可使樣品溶合完全。實施例4的繞射峰與高溫組相同，推測燒製時間長、反應時間足夠，造成與高溫組相同的結果。實施例5之繞射峰強度較低溫組弱，溫度升高使繞射變弱，但反應時間不足，無法與高溫組有相同晶相。實施例6的透輝石相十分強烈，推測是較高的碳酸鈣添加量，使透輝石相生成。
經由前述實施例1至9確定最佳多孔輕質粒料之製作條件後，為了能快速生產，因此需再做量產試驗，將樣品量增加至50g(污染土壤與玻璃粉的重量比為2：6.9)，操作參數為加熱溫度850℃、碳酸鈣添加量為10%、含水率10%，並分別選擇15分鐘及20分鐘作為試驗之維持時間，獲得多孔輕質粒料S10及S11。
然後，分析多孔輕質粒料S10及S11的吸水率、密度差異率、及鉛溶出濃度，並將結果記錄於表2中。
由上表2之結果可知，由於維持時間之變動，吸水率及密度差異15分鐘之加熱時間較20分鐘佳，但兩者皆有下降之趨勢，但還在可接受之範圍內。而重金屬溶出之結果，20分鐘之加熱效果較15分鐘佳，但基於節省能量及時間等考量因素，且兩者之溶出濃度皆通過500mg/kg之食用農地管制標準，甚至通過300mg/kg之食用農地監測標準，15分鐘
之維持時間，還是較20分鐘佳。綜合上述結果，15分鐘之維持時間，為量產試驗之結果。
為確認本發明之多孔輕質粒料的應用範圍，以下進行應用性分析，所採用的多孔輕質粒料樣品皆為實施例10所得的多孔輕質粒料S10。
多孔輕質粒料製做成混凝土需確認面乾內飽和之比重，以利計算混凝土墁料之粒料添加，而細粒料吸水性也會與塊狀材料之吸水性不同，基本測試項目包含面乾內飽和、比重及吸水率、及氯離子含量。
面乾內飽和之比重及吸水率的分析方法如下：
將樣品破碎後浸泡水中24±4小時，使之完全吸飽水，再小心倒出多餘之水防止漏失，將樣品攤平在不吸水之平面上，以電風扇吹並時時翻攪使均勻乾燥，直至樣品可自由流動之面乾內飽和狀態，以利進行重力法比重試驗。可使用圓錐模及搗棒檢驗表面含水量，得知是否達到面乾內飽和之狀態。表面含水量的測試是將圓錐模放在不吸水之平面上，填入樣品直至超過模頂，搗棒舉起高於樣品5mm以自由落體之方式敲擊數下，然後再次填入樣品直至超過模頂並再次敲擊，反覆數次後垂直提起圓錐模，若表面還有水份，細粒料維持圓錐模之形狀，若稍有坍落，即為面乾內飽和之狀態。
接著將空比重瓶裝滿水後放上瓶蓋，使多餘的水溢出，擦乾瓶身記錄精秤之重量；再將比重瓶裝三分之一的水，放入已知重量的面乾內飽和樣品，排除氣泡後，靜置一晚使細小顆粒沉降，避免加滿水後細小顆粒隨水流出；待細小顆粒沉降完全後，沿瓶壁小心注滿水，避免細小顆粒被揚起，蓋上瓶蓋使多餘的水溢出，再擦乾瓶身紀錄精秤之重量。
最後，以以下公式計算：
烘乾相對密度(比重)Sd=A/(B+S-C)
面乾內飽和相對密度(比重)Ss=S/(B+S-C)
視相對密度(視比重)Sa=A/(A+B-C)
吸水率As=100[(S-A)/A](%)
式中A=烘乾試樣之質量(g)；B=比重瓶加滿水之質量(g)；C=比重瓶填充試樣且加滿水之質量(g)；S=面乾內飽和之試驗質量(g)
多孔輕質粒料的氯離子含量是參考，參考細粒料中水溶性氯離子含量試驗法(CNS13407)，取30g的樣品加入30mL之水，浸泡24小時後，約隔5分鐘頂部及底部反轉搖晃均勻樣品一次，共計三次以萃出所含之鹽分，靜置一段時間後取上層澄清液，使用離子層析儀(Ion chromatography,IC)檢測氯離子，法規標準最大容許量為0.012%。
將分析結果記錄於表3中。
敲碎之多孔輕質粒料因破碎使內部孔隙外露，導致吸水率下降。而氯離子之測試合乎法規所訂0.012%之標準，可作為再生粒料使用。依照N、H粗粒料分類標準，本發明之多孔輕質粒料為N基本級，由於不是高等級粒料，以次要結構用混凝土為使用目標。
依照水硬性水泥可塑稠性水泥漿及墁料之機械拌合法(CNS3655)將本發明之多孔輕質粒料與水泥拌合製成水泥漿。
然後參考水泥與粒料之組合潛在鹼質反應性試驗法(水泥砂漿棒法CNS13619)、水硬性混合水泥(CNS15286)，來檢視水泥與粒料之組合對鹼質(鈉及鉀)氫氧化合物是否容易發生膨脹反應性之測定法。膨脹反應之鹼質通常來自水泥，在某些情況下亦有可能源自外界或混凝土其他之組成分，粒料之鹼質反應性可分為兩種形式：(1)鹼質與二氧化矽之反應：包括某些矽質岩石、礦物，及天然或人造玻璃等。(2)鹼質與碳酸鹽之反應：包括某些方解石質之白雲石及白雲石質之石灰石等白雲石系。此試驗法較不適於檢測第(2)種之反應，因由鹼質與碳酸鹽之反應所致水泥砂漿棒之膨脹量，通常甚小於由鹼質與二氧化矽之反應所致者。
本試驗委託台灣電力公司混凝土試驗研究中心協助測試，參照CNS1258卜特蘭水泥熱壓膨脹試驗法進行加速測試，水泥墁料配比與抗壓強度測試之配比相同，使用25x25x285mm方柱形試體之模具，試體之有效標距為250mm(金屬插頭之二最內點之長度)，模具應用鋼或不為水泥漿侵蝕之硬金屬製成，各部分組合起來時應嚴密適合且牢固扣緊，各邊應充分堅固不致脹出或扭曲。
試體製作完成後待水泥乾燥成型後即可拆模，立即放入23℃養護櫃養護24.0±0.5小時。將試體自養護櫃取出，利用延展測試儀量測長度，延展測試儀使用前須用校正棒校正，再放入高壓蒸煮爐內進行蒸煮，高壓蒸煮爐須鎖緊避免高壓造成氣爆，加熱之初須逐出空氣，應將出口開關打開值至有蒸汽噴出為止，使內部呈現飽和水蒸汽，再關閉開關，高壓蒸煮爐內溫度上升，溫度上升速率應在打開加熱開關後45-75分鐘內壓力升至20.8kgf/cm2。3小時後關閉加熱開關，使蒸煮爐冷卻，冷卻速率
在1.5小時後壓力降至0.7kgf/cm2以下，其餘壓力則略開出口開關，直到與外面壓力相等。試體取出後立即放入溫度高於90℃以上之熱水內，以加冷水之方式使試體溫度均勻下降，15分鐘內使水溫降至23℃，並使水溫維持15分鐘，將試體表面擦乾後即可再測量長度。
熱壓膨脹率可依下式計算：
經過高壓蒸煮後測量長度之結果如表4所示。表中多孔輕質粒料為最佳條件做出之砂漿棒，水泥為一般混凝土砂漿棒，皆為兩重複試驗，計算之結果顯示兩重複之試驗重複性高，而膨脹率通過0.8%之規範，代表本發明之多孔輕質粒料與水泥中之鹼性物質反應較小，不易發生膨脹反應，可做為細粒料取代砂粒。
參照水硬性水泥墁料抗壓強度檢驗法(CNS1010)進行試驗，使用50mm立方體試體測定水硬性水泥墁料抗壓強度之試驗法，將標準配方與製作出之輕質材料進行抗壓強度比較。摻配設計如表5所示，本試驗做出之材料為輕質材料，進行混凝土試驗前須泡水一晚，使粒料吸飽水份，避免混漿時輕質材料將水份吸乾，使水泥工作性降低，導致立方體試體製作失敗。輕質材料之重量為泡水後面乾內飽和之重量，因此水份添加有調
整。水泥為第一型卜特蘭水泥，水灰比為0.485，試體齡期選擇7天及28天，每一齡期製作3個試體，並將抗壓強度平均值記錄於表5中並繪製成圖3。
抗壓強度試驗測試結果如表6及圖13所示，試體齡期為7天及28天，以最佳條件之多孔輕質粒料及標準砂作為細粒料，製作出抗壓強度混凝土試體。將標準砂與最佳條件之多孔輕質粒料下式計算可得抗壓強度之差值與7天時的抗壓強度成長率。
經計算後，多孔輕質粒料之7天抗壓強度成成長率約72%，標準砂為81%，7天時的成長率較標準砂慢。而多孔輕質粒料28天時的抗壓強度與標準砂比較，多孔輕質粒料之抗壓強度可達標準砂之88%，強度較弱之原因可能是多孔輕質粒料孔洞較多且比重較標準砂小，使強度下降。結果顯示抗壓強度通過次要結構混凝土之法規標準210kgf/cm2及水硬性
水泥28天抗壓強度255kgf/cm2，因此若要將多孔輕質粒料取代一般細粒料是可行的，且完全取代細砂，抗壓強度合乎規範。
參照ASTM C518及隔熱-穩態下之熱阻及相關性質測定-熱流劑儀器(CNS7332)及隔熱-穩態下之熱阻及相關性質測定-保護熱平板儀裝置(CNS7333)，試片墁料配比及養護與抗壓強度試體相同，壓製成長寬皆為18.1cm，高度1.5cm的片狀矩形(圖3.16)，選擇7天及28天兩個齡期，等齡期到時再從養護水中取出，放入105℃烘箱12小時，烘乾內部多餘之水氣後取出，室溫冷卻後即可測試。當試片平均溫度維持不變，且包圍試片與熱流計之加熱和冷卻裝置間的溫度也不變之穩定狀態時，板狀形式之熱流計儀器可建立一單方向且密度均勻之熱流率，該熱流率同時穿越了熱流計的中心計量區域以及平板試片的中心。藉由量測試片熱阻與標準試片熱阻之比值，本標準為一次級或相對方法。
需特別注意的是，在試片與熱流計全部區域上，是不可能獲得理想之單向密度熱流率的，因此須特別注意以下幾點：試片邊緣及熱流計之熱損失問題、標準試片和待測試片間厚度及熱性質之差異、標準試片熱阻的溫度邊界條件及校正程序時之邊界條件差異。若計量區域的熱流率密度為一常數，而溫度差△T和平均溫度Tm亦為恆定，可由標準試片的熱流率值Φs以及未知試片的熱流率值Φu，獲得標準試片的熱阻Rs以及未知試片的熱阻Ru比值，如下式：Ru/Rs=Φs/Φu
試片熱阻R依下式計算，其中f為熱流計的校正因子[W/(mV．m 2]，e為熱流計輸出(mV)：R=△T/fe
計算熱傳導係數λ及熱阻係數r依下式計算，d為試片平均厚度：λ=1/r=(d/△T)
樣本熱阻R以下式計算，單位為m 2 K/w：
式中，
=提供給加熱單元量測區的平均電力(w)；T1=試片的平均熱面溫度(K)；T2=試片的平均冷面溫度(K)；A=量測區域面積(m2)；D=平均試片厚度(m)
熱傳導係數之測試結果如表6所示，就相對結果而言，多孔輕質粒料之熱傳導係數較標準砂小，因為孔隙較多，所以熱傳導係數小，隔熱效果更好，且二者間有顯著差異，顯示本發明之多孔輕質粒料可作為隔熱用途之混凝土粒料。
將本發明之多孔輕質粒料、標準砂及一般傳統骨材進行比較，結果如表7所示。本發明之多孔輕質粒料比重較傳統骨材小，可有效減少載重。吸水率過高會影響混凝土的物理及化學安定性，使混凝土膨脹或
裂開，若是在低溫環境更會影響抗凍性，因此若能將多孔輕質粒料的吸水率降低，使多孔輕質粒料更安全。抗壓強度測試之結果顯示多孔輕質粒料可與一般骨材匹敵，水灰比選擇中間的一般比例，可排除水泥影響強度太多的問題。抗壓強度差異這麼大的原因，主要還是配比設計影響整體抗壓強度，若多孔輕質粒料與標準砂試體做比較，推測是比重較小，影響抗壓強度。
由上述表7的結果可知，本發明之多孔輕質粒料比重較傳統骨材小，可有效減少載重。吸水率過高會影響混凝土的物理及化學安定性，使混凝土膨脹或裂開，若是在低溫環境更會影響抗凍性，因此若能將多孔輕質粒料的吸水率降低，使多孔輕質粒料更安全。抗壓強度測試之結果顯示多孔輕質粒料可與一般骨材匹敵，水灰比選擇中間的一般比例，可排除水泥影響強度太多的問題。抗壓強度差異這麼大的原因，主要還是配比設計影響整體抗壓強度，若多孔輕質粒料與標準砂試體做比較，推測是比重較小，影響抗壓強度。
目前法規沒有透氣石之相關規定，因此以市售之輕質透氣石與材料做保水性試驗，選擇2種市售透氣石(市售A材料成分較混雜，有細顆粒、小石子、輕質材料等顆粒組成大小不一，市售B為材質及顆粒大小均一之透氣石。)及火山岩、本發明之多孔輕質粒料選擇2種粒徑進行比較。首先，分析各樣品的吸水率病換算出吸水率倒數，將結果記錄於表8中。
取體積50mL之樣品及相同體積市售透氣石進行試驗，加入等量之水，測量溫度及濕度，每天秤重觀察水份散失之狀況，將所得結果繪製成圖4並再將樣品散失至5毫升時之時間紀錄於表8中。
相對濕度不變時，材料的水釋放速率幾乎恆定，孔結構對水釋放速率沒有影響，釋水率與吸水率的倒數成線性關係。由表8的結果可知，本發明之多孔輕質粒料的吸水率雖無法達到最佳，但有30%左右之吸水率，還是可與市售材料匹敵。
另外，關於水分散失的狀況，結果如圖4及表8所示，大粒徑之多孔輕質粒料水分較不易散失，保水效果較好。本發明之多孔輕質粒料再生透氣石約10天水分散失至5毫升，市售A保水效果略差，而市售B材料水分散失較快，約經過9天水分即散失至5毫升。火山岩之保水效果最差，約8天多快9天時水分即散失至5毫升。
將含重金屬的污染土壤、廢玻璃、及碳酸鈣依表9所示之比例及操作條件進行玻璃化反應以獲得多孔輕質粒料，樣品處理方式及加熱方式和實施例1-11相同，在此不贅述。
分析所得之多孔輕質粒料的吸水率、密度、及孔隙率，並將結果記錄於表9中。
根據多孔輕質粒料的吸水率、密度、及孔隙率，可以應用於不同領域的材料；舉例來說，實施例12、15、及18中之多孔輕質粒料的吸水率皆在15%以上，適合作為沉水濾材使用；實施例13、17、22、及23中之多孔輕質粒料的密度皆在0.5g/cm3以下、孔隙率皆在80%以上，適合作為輕質透氣石用於園藝用途中；實施例14、16、19~21、24~26的密度皆在0.5g/cm3以上、孔隙率介於50~80%之間，適合做為多孔建材使用。藉此可知，透過調整原料比例及操作參數，本發明之多孔輕質粒料的吸水率、密度、及孔隙率皆能依應用領域需求進行調整，能夠廣泛的使用在不同領域中。
綜上所述，本發明的內容已經以如上的實施例舉例說明了，然而本發明並非僅限定於此等實施方式而已。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可再進行各種的更動與修飾；例如，將前述實施例中所例示的各技術內容加以組合或變更而成為新的實施方式，此等實施方式也當然視為本發明所屬內容。因此，本案所欲保護的範圍也包括後述的申請專利範圍及其所界定的範圍。
Claims (7)
- 一種利用重金屬污染土壤再製多孔輕質粒料之製作方法，其係包含以下步驟：將含重金屬之土壤、玻璃粉與發泡劑混合，接著加熱至一特定溫度並於該特定溫度下保持至少3分鐘；其中該土壤中之不含水部分包含有40wt%以上的二氧化矽、以及10wt%以上的三氧化二鋁；該土壤相對於該玻璃粉的重量比為在1：1~1：20之間；該土壤的含水率為在1wt%~10wt%之間；該發泡劑的含量為在1wt%~10wt%之間；該特定溫度為在750~950℃之間；以及該多孔輕質粒料的結晶相至少包含有石英及莫來石，且該多孔輕質粒料的密度為在0.1~2.0g/cm3之間、孔隙率為在30%~90%之間、以及吸水率為在80%以下。
- 如請求項1所記載之利用重金屬污染土壤再製之多孔輕質粒料之製作方法，其中該多孔輕質粒料的面乾內飽和之比重為在1.5~3.0之間。
- 如請求項1所記載之利用重金屬污染土壤再製之多孔輕質粒料之製作方法，其中該多孔輕質粒料的氯離子濃度為在12ppm以下。
- 如請求項1所記載之利用重金屬污染土壤再製之多孔輕質粒料之製作方法，其中該多孔輕質粒料的28天抗壓強度大於255kgf/cm2。
- 如請求項1所記載之利用重金屬污染土壤再製之多孔輕質粒料之製作方法，其中該多孔輕質粒料適用於營建工程材料、園藝植栽材料、或過濾材。
- 如請求項1所記載之重金屬污染土壤再製多孔輕質粒料之製作方法，其中該發泡劑為選自碳酸鈣、碳酸鈉、氧化鈉、氧化鈣、及氧化鎂中之至少一種。
- 如請求項1所記載之重金屬污染土壤再製多孔輕質粒料之製作方法，其中該土壤中所含之重金屬係包括砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、及鋅中之至少一種。
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