TWI837018B - 去除染整污泥中有機物的方法、其製備的去除有機物的染整污泥、合成無機聚合材料的方法及其製備的無機聚合材料 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種去除染整污泥中有機物的方法，其包含進行一乾燥步驟、進行一破碎步驟以及進行一水熱步驟。乾燥步驟係將一染整污泥於一乾燥溫度下移除水份，以得到一乾燥染整污泥。破碎步驟係將乾燥染整污泥破碎後，以形成複數個染整污泥碎片。水熱步驟係將染整污泥碎片添加一催化劑後，於一水熱溫度下進行水熱反應並維持一停留時間，以去除染整污泥中的有機物。藉此，本發明透過水熱法以在相對低溫下去除染整污泥中的有機物，並將其用以合成無機聚合材料，達到染整污泥再利用的目的。
Description
本發明係關於一種去除染整污泥中有機物的方法，尤其是一種關於利用水熱法去除染整污泥中有機物的方法、其製備的去除有機物的染整污泥、合成無機聚合材料的方法及其製備的無機聚合材料。
在紡織工業中，由於各種纖維製成布料後，需經過印染處理，才能使其成為美觀適用的布料，但容易產生大量的染整污泥，且染整污泥含有化學有機物殘留，若處理不當，對環境的危害與人類健康風險日益增加。目前，紡織染整污泥之有機物可經1000
oC的高溫去除，但其含水率較高，且以高溫焚化的方法去除有機物有耗能及成本高的缺點。
有鑑於此，如何有效地去除染整污泥中的有機物，且可在不耗能源的情況下，達到染整污泥再利用的目的，遂成相關業者努力的目標。
本發明之一目的在於提供一種去除染整污泥中有機物的方法及其製備的去除有機物的染整污泥，其係運用水熱法，以在相對低溫下去除染整污泥中的有機物，並調整條件參數以在不耗能及成本低的情況下達到較佳的有機物去除率。
本發明之另一目的在於提供一種合成無機聚合材料的方法及其製備的無機聚合材料，其係將廢棄之染整污泥去除有機物後並配合膠結材料混合而得，且所合成的無機聚合材料可作為建築用的水泥建材。
本發明之一實施方式提供一種去除染整污泥中有機物的方法，包含進行一乾燥步驟、進行一破碎步驟以及進行一水熱步驟。乾燥步驟係將一染整污泥於一乾燥溫度下移除水份，以得到一乾燥染整污泥。破碎步驟係將乾燥染整污泥破碎後，以形成複數個染整污泥碎片。水熱步驟係將染整污泥碎片添加一催化劑後，於一水熱溫度下進行水熱反應並維持一停留時間，以去除染整污泥中的有機物。
依據前段所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中乾燥溫度可為100
oC至130
oC。
依據前段所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中染整污泥碎片可通過10目數至100目數的篩網。
依據前段所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中催化劑可為氫氧化鈉。
依據前段所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中催化劑的濃度可為5 M至9 M。
依據前段所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中染整污泥碎片與催化劑的添加比例可為1:2 g/mL至1:8 g/mL。
依據前段所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中水熱溫度可為200
oC至280
oC。
依據前段所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中停留時間可為10分鐘至60分鐘。
本發明之另一實施方式提供一種去除有機物的染整污泥，其係藉由如前述去除染整污泥中有機物的方法製備而得。
本發明之再一實施方式提供一種合成無機聚合材料的方法，包含進行一混合步驟、進行一添加步驟以及進行一灌模步驟。混合步驟係將一爐石粉與一燃煤飛灰混合，以形成一第一混合物。添加步驟係將如前述去除有機物的染整污泥添加至第一混合物中，以形成一第二混合物。灌模步驟係將第二混合物灌模於一模具中，並進行養護處理，脫模後得到一無機聚合材料。
依據前段所述之合成無機聚合材料的方法，其中爐石粉與燃煤飛灰的重量比例可為70:30。
依據前段所述之合成無機聚合材料的方法，其中去除有機物的染整污泥的添加量可為40 wt%至60 wt%。
本發明之又一實施方式提供一種無機聚合材料，其係藉由如前述合成無機聚合材料的方法製備而得。
依據前段所述之無機聚合材料，其中無機聚合材料的抗壓強度可為15 MPa至30 MPa。
藉此，本發明利用水熱法，以在低溫不耗能的情況下去除染整污泥中的有機物，並將去除有機物後的染整污泥運用於無機聚合材料的合成，得到建築用的水泥建材，達到染整污泥的有效利用。
下述將更詳細討論本發明各實施方式。然而，此實施方式可為各種發明概念的應用，可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施方式是僅以說明為目的，且不受限於揭露的範圍。
＜去除染整污泥中有機物的方法＞
請參照第1圖，其係繪示依照本發明之一實施方式之去除染整污泥中有機物的方法100的步驟流程圖。在第1圖中，去除染整污泥中有機物的方法100包含步驟110、步驟120以及步驟130。
步驟110為進行一乾燥步驟，其係將一染整污泥於一乾燥溫度下移除水份，以得到一乾燥染整污泥，其中乾燥溫度可為100
oC至130
oC。
步驟120為進行一破碎步驟，其係將乾燥染整污泥破碎後，以形成複數個染整污泥碎片。詳細來說，為了提高後續的反應效率，需降低乾燥染整污泥的粒徑，故將乾燥染整污泥以破碎機進行研磨粉碎，且破碎後的染整污泥碎片需通過10目數(2 mm)至100目數(0.149 mm)的篩網，以達到降低染整污泥之粒徑的目的。
步驟130為進行一水熱步驟，其係將染整污泥碎片添加一催化劑後，於一水熱溫度下進行水熱反應並維持一停留時間，以去除染整污泥中的有機物。詳細來說，水熱法是一種在密閉容器內，將碳化合物轉化的濕式化學方法，而水熱法的反應溫度範圍大多在水的沸點和臨界點(374
oC)之間，相較於焚化法為低，故可透過具有分解能力的亞臨界水以去除染整污泥中的有機物。
另外，本發明之去除染整污泥中有機物的方法100會受到催化劑種類、催化劑濃度、染整污泥碎片與催化劑的添加比例(固液比)、水熱溫度以及停留時間的影響而有不同的有機物去除率。具體地，本發明所選用的催化劑可為氫氧化鈉，催化劑的濃度可為5 M至9 M，染整污泥碎片與催化劑的添加比例可為1:2 g/mL至1:8 g/mL，水熱溫度可為200
oC至280
oC，停留時間可為10分鐘至60分鐘，並藉由上述條件參數可使水熱反應後的染整污泥達到較佳的有機物去除率。
據此，本發明進一步提供一種去除有機物的染整污泥，其係藉由前述之去除染整污泥中有機物的方法100製備而得，透過水熱法以在相對低溫且不需另外進行高溫燒結而消耗大量能源的情況下，即可去除染整污泥中的有機物，且本發明之去除有機物的染整污泥可作為後續無機聚合材料的合成原料，進而達到廢棄染整污泥的有效利用。
＜合成無機聚合材料的方法＞
請參照第2圖，其係繪示依照本發明之另一實施方式之合成無機聚合材料的方法200的步驟流程圖。在第2圖中，合成無機聚合材料的方法200包含步驟210、步驟220以及步驟230。
步驟210為進行一混合步驟，其係將一爐石粉與一燃煤飛灰混合，以形成一第一混合物，其中爐石粉與燃煤飛灰的重量比例可為70:30。
步驟220為進行一添加步驟，其係將前述之去除有機物的染整污泥添加至第一混合物中，以形成一第二混合物，其中去除有機物的染整污泥的添加量可為40 wt%至60 wt%。
步驟230為進行一灌模步驟，其係將第二混合物灌模於一模具中，並進行養護處理，脫模後得到一無機聚合材料，其中模具的形狀沒有限制，故可根據所需將無機聚合材料製成任何形狀。
據此，本發明再進一步提供一種無機聚合材料，其係依據前述之合成無機聚合材料的方法200製備而得。詳細來說，本發明利用前述去除染整污泥中有機物的方法100所得到的去除有機物的染整污泥來合成無機聚合材料，而所合成的無機聚合材料的抗壓強度可為15 MPa至30 MPa，達到建築材料混凝土的抗壓標準。因此，本發明所合成的無機聚合材料可直接作為混凝土使用，相較於傳統的水泥混凝土，除了具有經濟價值外，亦可兼顧降低溫室氣體排放，減緩全球暖化的效果。
茲以下列具體實施例進一步示範說明本發明，用以有利於本發明所屬技術領域通常知識者，可在不需過度解讀的情形下完整利用並實踐本發明，而不應將這些實施例視為對本發明範圍的限制，但用於說明如何實施本發明的材料及方法。
＜試驗例＞
＜去除染整污泥中的有機物＞
本發明之試驗例1至試驗例18係將染整污泥置於烘箱中以105
oC恆溫12小時移除殘餘水分，去除水分後的染整污泥以小型破碎機進行研磨粉碎，使粉碎後的染整污泥碎片皆通過100目數的篩網。接著，將染整污泥碎片與催化劑添加至水熱罐並鎖入其中，再將水熱罐置入高溫爐中於水熱溫度下維持一段停留時間以進行水熱反應。最後，將水熱反應後的染整污泥經由有機物含量測定，評估各種試驗條件與試驗參數之試驗例所得的有機物去除率。
＜催化劑種類的影響＞
本發明之試驗例1至試驗例5係將染整污泥碎片與不同種類的催化劑進行水熱反應，以評估催化劑種類對於去除染整污泥中有機物的影響。關於試驗例1至試驗例5所使用的催化劑種類、催化劑濃度、固液比(染整污泥碎片與催化劑的添加比例)、水熱溫度及停留時間如下表一所示。
| 表一 | |||||
| 催化劑 種類 | 催化劑 濃度 (M) | 固液比 (g/mL) | 水熱 溫度( oC) | 停留 時間 (分鐘) | |
| 試驗例1 | 水 | 1 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例2 | 乙醇 | 1 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例3 | 過氧化氫 | 1 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例4 | 碳酸鉀 | 1 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例5 | 氫氧化鈉 | 1 | 1:4 | 240 | 60 |
請參閱第3圖，其係繪示試驗例1至試驗例5之有機物去除率的結果圖。由第3圖的結果可見，使用水、乙醇、過氧化氫及碳酸鉀作為催化劑進行水熱反應的試驗例1至試驗例4的有機物去除率皆未達到50%，而使用強鹼之氫氧化鈉作為催化劑進行水熱反應的試驗例5，其有機物去除率可達到58.5%，故本發明選用氫氧化鈉作為最佳的催化劑種類，以進行後續的測試。
＜催化劑濃度的影響＞
本發明之試驗例5至試驗例9係將染整污泥碎片與不同濃度的氫氧化鈉作為催化劑進行水熱反應，以評估催化劑濃度對於去除染整污泥中有機物的影響。關於試驗例5至試驗例9所使用的催化劑種類、催化劑濃度、固液比(染整污泥碎片與催化劑的添加比例)、水熱溫度及停留時間如下表二所示。
| 表二 | |||||
| 催化劑 種類 | 催化劑 濃度 (M) | 固液比 (g/mL) | 水熱 溫度( oC) | 停留 時間 (分鐘) | |
| 試驗例5 | 氫氧化鈉 | 1 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例6 | 氫氧化鈉 | 3 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例7 | 氫氧化鈉 | 5 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例8 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例9 | 氫氧化鈉 | 9 | 1:4 | 240 | 60 |
請參閱第4圖，其係繪示試驗例5至試驗例9之有機物去除率的結果圖。由第4圖的結果可見，染整污泥中有機物的去除率隨著氫氧化鈉濃度的增加而上升，是以有機物去除率與催化劑濃度呈現正相關，而使用濃度為7 M及9 M的氫氧化鈉作為催化劑進行水熱反應的試驗例8及試驗例9，其有機物去除率均可達到95%以上，且兩者之間的差距僅為1%，故本發明選用7 M作為最佳的催化劑濃度，以進行後續的測試。
＜固液比的影響＞
本發明之試驗例8、試驗例10至試驗例12係將染整污泥碎片(固)與氫氧化鈉(液)以不同比例混合進行水熱反應，以評估固液比對於去除染整污泥中有機物的影響。關於試驗例8、試驗例10至試驗例12所使用的催化劑種類、催化劑濃度、固液比(染整污泥碎片與催化劑的添加比例)、水熱溫度及停留時間如下表三所示。
| 表三 | |||||
| 催化劑 種類 | 催化劑 濃度 (M) | 固液比 (g/mL) | 水熱 溫度( oC) | 停留 時間 (分鐘) | |
| 試驗例8 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例10 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:1 | 240 | 60 |
| 試驗例11 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:2 | 240 | 60 |
| 試驗例12 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:8 | 240 | 60 |
請參閱第5圖，其係繪示試驗例8、試驗例10至試驗例12之有機物去除率的結果圖。由第5圖的結果可見，染整污泥中有機物的去除率隨著固液比的增加而上升，是以有機物去除率與固液比呈現正相關，而使用固液比為1:2 g/mL以上進行水熱反應的試驗例8、試驗例11及試驗例12，其有機物去除率均可達90%以上，且固液比為1:4 g/mL的試驗例8之有機物去除率已達最大值。另一方面，固液比的增加會導致染整污泥有機物的去除成本增加，故本發明選用1:4 g/mL作為最佳之固液比，以進行後續的測試。
＜水熱溫度的影響＞
本發明之試驗例8、試驗例13至試驗例15係將染整污泥碎片與氫氧化鈉於不同水熱溫度下進行水熱反應，以評估水熱溫度對於去除染整污泥中有機物的影響。關於試驗例8、試驗例13至試驗例15所使用的催化劑種類、催化劑濃度、固液比(染整污泥碎片與催化劑的添加比例)、水熱溫度及停留時間如下表四所示。
| 表四 | |||||
| 催化劑 種類 | 催化劑 濃度 (M) | 固液比 (g/mL) | 水熱 溫度( oC) | 停留 時間 (分鐘) | |
| 試驗例8 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 240 | 60 |
| 試驗例13 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 150 | 60 |
| 試驗例14 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 180 | 60 |
| 試驗例15 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 210 | 60 |
請參閱第6圖，其係繪示試驗例8、試驗例13至試驗例15之有機物去除率的結果圖。由第6圖的結果可見，染整污泥中有機物的去除率隨著水熱溫度的增加而上升，是以有機物去除率與水熱溫度呈現正相關，而於水熱溫度為200
oC以上進行水熱反應的試驗例8及試驗例15，其有機物去除率均可達90%以上。另一方面，由於水熱溫度的增加會導致耗能增加，且染整污泥中僅存的少量有機物質並不會造成後續合成材料的強度不足，故本發明選用耗能較低的210
oC作為最佳之水熱溫度，以進行後續的測試。
＜停留時間的影響＞
本發明之試驗例15至試驗例18係將染整污泥碎片與氫氧化鈉進行水熱反應並維持不同的停留時間，以評估停留時間對於去除染整污泥中有機物的影響。關於試驗例15至試驗例18所使用的催化劑種類、催化劑濃度、固液比(染整污泥碎片與催化劑的添加比例)、水熱溫度及停留時間如下表五所示。
| 表五 | |||||
| 催化劑 種類 | 催化劑 濃度 (M) | 固液比 (g/mL) | 水熱 溫度( oC) | 停留 時間 (分鐘) | |
| 試驗例15 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 210 | 60 |
| 試驗例16 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 210 | 15 |
| 試驗例17 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 210 | 30 |
| 試驗例18 | 氫氧化鈉 | 7 | 1:4 | 210 | 45 |
請參閱第7圖，其係繪示試驗例15至試驗例18之有機物去除率的結果圖。由第7圖的結果可見，染整污泥中有機物的去除率隨著停留時間的增加而上升，是以有機物去除率與停留時間呈現正相關，而停留時間為30分鐘以上的試驗例15、試驗例17及試驗例18，其有機物去除率均可達約89%。另一方面，雖然染整污泥有機物的去除率於停留時間30分鐘時已達最大值，但為了確保水熱反應完全，故本發明選用45分鐘作為最佳之停留時間。
根據上述試驗例，本發明優選地選擇試驗例18作為最佳的試驗條件與試驗參數。具體地，本發明將3克的染整污泥碎片與12 mL的7 M氫氧化鈉(固液比為1:4 g/mL)添加至水熱罐並鎖入其中，再將水熱罐置入高溫爐中於水熱溫度210
oC、停留時間45分鐘下進行水熱反應，以去除染整污泥中的有機物，且經由有機物含量測定，試驗例18之有機物去除率可達89.9%，而去除有機物後的染整污泥則用以合成後續的無機聚合材料。
＜實施例＞
＜合成無機聚合材料＞
本發明之實施例1至實施例3係將爐石粉與燃煤飛灰以重量比例為70:30混合並作為膠結材料預混拌3分鐘後，添加試驗例18所製得之去除有機物的染整污泥混拌5分鐘成均勻漿體，再將漿體灌模於圓柱模具中並進行養護處理，養護3天後脫模以得到無機聚合材料，且於養護28天後進行抗壓強度測試。具體地，實施例1至實施例3中的去除有機物的染整污泥的添加量分別為40 wt%、50 wt%及60 wt%。
請參閱第8圖，其係繪示實施例1至實施例3在不同養護天數下的抗壓強度圖。由第8圖的結果可見，養護期為3天時，實施例1至實施例3的抗壓強度皆約為7 MPa，是以去除有機物的染整污泥的添加量對所合成的無機聚合材料的抗壓強度影響較小。然而，隨著養護期增長，去除有機物的染整污泥的添加量則對所合成的無機聚合材料的抗壓強度影響較大，且於養護期28天時，實施例1至實施例3的抗壓強度分別為27.7 MPa、20.8 MPa、18.1 MPa，故當去除有機物的染整污泥的添加量越多，無機聚合材料的抗壓強度則越低。
綜上所述，本發明利用水熱法來去除染整污泥中的有機物，並調整水熱反應的條件及參數以在不耗能及成本低的情況下達到較佳的有機物去除率。接著，再將去除有機物後的染整污泥合成無機聚合材料，其抗壓強度可達27.7 MPa，有利作為建築用的水泥建材，具有符合經濟效益且可降低溫室氣體排放之功效，進而達到廢棄染整污泥的有效利用。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:去除染整污泥中有機物的方法
200:合成無機聚合材料的方法
110,120,130,210,220,230:步驟
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圖係繪示依照本發明之一實施方式之去除染整污泥中有機物的方法的步驟流程圖；
第2圖係繪示依照本發明之另一實施方式之合成無機聚合材料的方法的步驟流程圖；
第3圖係繪示試驗例1至試驗例5之有機物去除率的結果圖；
第4圖係繪示試驗例5至試驗例9之有機物去除率的結果圖；
第5圖係繪示試驗例8、試驗例10至試驗例12之有機物去除率的結果圖；
第6圖係繪示試驗例8、試驗例13至試驗例15之有機物去除率的結果圖；
第7圖係繪示試驗例15至試驗例18之有機物去除率的結果圖；以及
第8圖係繪示實施例1至實施例3在不同養護天數下的抗壓強度圖。
100:去除染整污泥中有機物的方法
110,120,130:步驟
Claims (12)
- 一種去除染整污泥中有機物的方法，包含：進行一乾燥步驟，其係將一染整污泥於一乾燥溫度下移除水份，以得到一乾燥染整污泥；進行一破碎步驟，其係將該乾燥染整污泥破碎後，以形成複數個染整污泥碎片；以及進行一水熱步驟，其係將該些染整污泥碎片添加一催化劑後，於一水熱溫度下進行水熱反應並維持一停留時間，以去除該染整污泥中的有機物，其中該催化劑為氫氧化鈉，該水熱溫度為210℃至280℃。
- 如請求項1所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中該乾燥溫度為100℃至130℃。
- 如請求項1所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中該些染整污泥碎片通過10目數至100目數的篩網。
- 如請求項1所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中該催化劑的濃度為5M至9M。
- 如請求項1所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中該些染整污泥碎片與該催化劑的添加比例為1：2g/mL至1：8g/mL。
- 如請求項1所述之去除染整污泥中有機物的方法，其中該停留時間為10分鐘至60分鐘。
- 一種去除有機物的染整污泥，其係藉由如請求項1所述之去除染整污泥中有機物的方法製備而得。
- 一種合成無機聚合材料的方法，包含：進行一混合步驟，其係將一爐石粉與一燃煤飛灰混合，以形成一第一混合物；進行一添加步驟，其係將如請求項7所述之去除有機物的染整污泥添加至該第一混合物中，以形成一第二混合物；以及進行一灌模步驟，其係將該第二混合物灌模於一模具中，並進行養護處理，脫模後得到一無機聚合材料。
- 如請求項8所述之合成無機聚合材料的方法，其中該爐石粉與該燃煤飛灰的重量比例為70：30。
- 如請求項8所述之合成無機聚合材料的方法，其中該去除有機物的染整污泥的添加量為40wt%至60wt%。
- 一種無機聚合材料，其係由如請求項8所述之合成無機聚合材料的方法製備而得。
- 如請求項11所述之無機聚合材料，其中該無機聚合材料的抗壓強度為15MPa至30MPa。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI837018B true TWI837018B (zh) | 2024-03-21 |
Family
ID=
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113248097A (zh) | 2021-05-26 | 2021-08-13 | 北京科技大学 | 一种剩余污泥预处理方法 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113248097A (zh) | 2021-05-26 | 2021-08-13 | 北京科技大学 | 一种剩余污泥预处理方法 |
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