TWM616103U

TWM616103U - 以金屬置換法去除有害重金屬之系統

Info

Publication number: TWM616103U
Application number: TW110205889U
Authority: TW
Inventors: 顧洋; 劉志成; 吳惠婷; 李連智; 李祈煌; 黃蔚國
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2021-08-21

Abstract

一種以金屬置換法去除有害重金屬之系統，包含：一酸洗單元，將物料、水、酸液輸入酸洗槽；一緩衝單元以定量輸出；一第一過濾單元以截留濾漿；一殘渣蒐集單元以乾燥形成物料飛灰渣；一中和單元以中和第一過濾器的輸出溶液；一第二過濾單元以過濾中和槽的輸出物；一乾燥脫水單元及沉澱單元，以乾燥濾得的沉澱物形成金屬沉澱物；一真空濃縮單元以乾燥後得到工業鹽；一控制單元以控制流量及蒐集感測數據；其中於第一及/或第二過濾單元之後，以金屬置換反應單元加入金屬材料於溶液內進行金屬置換反應，去除溶液中的有害的重金屬。

Description

以金屬置換法去除有害重金屬之系統

本創作主要為一種去除有害重金屬之系統，特別是有關於一種應用金屬置換反應以去除溶液中的有害重金屬的系統。。

目前在一些建築、道路工程中使用的建材已可採用焚化廢棄物料製程中而衍生之副產物。由於該廢棄物料例如城市垃圾等在焚燒過程中會產生飛灰，即在煙氣淨化系統(APC)中收集的殘渣因其具有較高浸出濃度的重金屬，被政府列為危險廢物。當飛灰被釋放到自然環境中後，由於酸雨等因素的作用，飛灰中的重金屬浸出，重新釋放到水體或土壤中，對周圍環境造成危害。

惟，若能有效地、環保地去除飛灰等物料中的重金屬，即為需要各廠商努力的課題。

本新型的目的在於提供一種以金屬置換法去除有害重金屬之系統，應用參與反應的物料種類及溶液份量，自動地估算出應參與金屬置換反應的金屬材片的種類及份量。

為達成上述目的，本新型提供一種以金屬置換法去除有害重金屬之系統，包含：一酸洗單元，係分別將物料、水、廢酸和純酸經對應的電控閥門控制的多個輸送管道進入一酸洗槽，每一輸送管對應設置一流量計以量測其流量，該酸洗槽包含一具阻力感測器的電動攪拌器，以對該酸洗槽內的泥漿物質進行攪拌並藉由感測其轉動阻力值推估該泥漿物質的黏度，該酸洗槽內具有一用以偵測該酸洗槽內的物料的酸鹼值之第一酸鹼值偵測器；一緩衝單元，係以一緩衝槽盛接該酸洗槽之輸出物質，使能定量輸出；一第一過濾單元，係以一第一過濾器過濾該緩衝槽之輸出，以截留一濾漿，通過該第一過濾器的溶液係以一排出管道排出，並於該輸出管道上設置一第一流量感測計；一殘渣蒐集單元，係以一料斗蒐集通過該第一過濾器的渣塊，並經乾燥後形成一物料飛灰渣；一中和單元，係以一第一中和槽盛裝該第一過濾器的輸出溶液，並進行酸鹼中和，該第一中和槽內具有一第二酸鹼值偵測器，以反饋槽內之反應物的酸鹼值；一第二過濾單元，係以一第二過濾器過濾該第一中和槽的輸出物，通過該第二過濾器的溶液以一排出管道排出，該第二過濾器的一濾出管道上設置一第二流量感測計；一乾燥脫水單元，係將該第二過濾器濾得的沉澱物進行乾燥；一沉澱單元，係蒐集經該乾燥脫水單元處理後的物質，獲得一金屬沉澱物，且以一重量感測器秤重並輸出該金屬沉澱物的重量資訊；一真空濃縮單元，係將該第二過濾器之該排出管道排出的溶液濃縮成高鹽份鹵水，並經乾燥後得到工業鹽；以及一控制單元，係以一微處理器分別電性連接該些電控閥門、該電動攪拌器以控制其啟閉，該微處理器並電性連接該第一流量計、第二流量計、該阻力感測器、該第一酸鹼值偵測器和該第一流量感測計，以蒐集其對應的感測數據；其中，於該第一過濾單元及/或該第二過濾單元之後，設置一金屬置換反應單元，係將通過該第一過濾器及/或該第二過濾器的溶液，以一金屬置換槽盛接並加入一金屬材料進行金屬置換反應，以去除溶液中的有害的重金屬。

在一些實施例中，該金屬置換反應單元更包含一回收處理的機制，係將附著於該金屬材料表面的重金屬刮除後回收該金屬材料。

在一些實施例中，該控制單元包含：一黏度控制單元，係根據一理想的黏度值比對該酸洗槽內的泥漿物質之黏度，並分別控制該物料與該水的輸送管道的電控閥門的啟閉時間，以將該泥漿物質調整成符合該黏度值的比例；一酸鹼值控制單元，係根據一液固比曲線之與時間對應的酸鹼值，比對該第一酸鹼值偵測器的酸鹼值，並控制該水輸送管道與該純酸輸送管道，以將該酸洗槽內的泥漿物質的酸鹼值調整成符合該液固比曲線的酸鹼值；一轉速控制單元，係根據該阻力感測器之感測值，控制並調整該電動攪拌器的轉速；一流量控制單元，係根據該水、該廢酸、該純酸的輸送管道對應的流量計，控制其進入該酸洗槽的流量。

在一些實施例中，中該金屬置換反應單元係設置於該第一流量感測計與該第一中和槽之間的管路或設置於該第二過濾器與該乾燥脫水單元之間的管路。

在一些實施例中，該金屬置換反應單元為二個，一個設置於該第一流量感測計與該第一中和槽之間的管路，且另一個設置於該第二流量感測計與該真空濃縮單元之間的管路。

在一些實施例中，該金屬置換反應單元為二個，一個設置於該第一流量感測計與該第一中和槽之間的管路，且另一個設置於該第二過濾器與該乾燥脫水單元之間的管路。

在一些實施例中，該金屬置換反應單元為二個，一個設置於該第二流量感測計與該真空濃縮單元之間的管路，且另一個設置於該第二過濾器與該乾燥脫水單元之間的管路。

在一些實施例中，其中該金屬置換反應單元為一第一金屬置換反應單元、一第二金屬置換反應單元與一第三金屬置換反應單元，該第一金屬置換反應單元係設置於該第一流量感測計與該第一中和槽之間的管路，該第二金屬置換反應單元係設置於該第二流量感測計與該真空濃縮單元之間的管路，該第三金屬置換反應單元係設置於該第二過濾單元與該乾燥脫水單元之間的管路。

本創作的特點為：本創作應用在進行以金屬置換法去除有害重金屬之系統中，根據待處理的物料的重金屬污染成份，預先採用能對應產生金屬置換反應的金屬材料，並根據設置在過濾製程中的流量感測器，以控制單元自動估算出待反應的溶液份量與應使用的金屬材料的量，於一金屬置換槽中進行金屬置換反應工藝，以將處理的溶液中的有害的重金屬去除。

1:以金屬置換法去除有害重金屬之系統

11:酸洗單元

111:酸洗槽

1111:泥漿物質

112:電動攪拌器

113:阻力感測器

1131:轉動阻力值

114:酸鹼值偵測器

1141:酸鹼值訊號

12:緩衝單元

121:緩衝槽

1211:泥漿

13:第一過濾單元

131:第一過濾器

1311:排出管道

13111:第一流量感測計

1312:渣塊

14:殘渣蒐集單元

141:料斗

142:物料飛灰渣

21:中和單元

211:第一中和槽

2111:沉澱物

22:第二過濾單元

221:第二過濾器

2211:排出管道

22111:第二流量感測計

23:酸溶槽

24:乾燥脫水單元

25:沉澱單元

251:金屬氫氧化物

26:重量感測器

31:真空濃度單元

41:控制單元

411:微處理器

4111:黏度控制單元

4112:酸鹼值控制單元

4113:轉速控制單元

4114:流量控制單元

51,52,53,54:電控閥門

51’,52’,53’,54’:流量計

61,62,63:金屬置換反應單元

611:第一金屬置換槽

612:回收處理

621:第二金屬置換槽

622:回收處理

631:第三金屬置換槽

632:回收處理

633:第二中和槽

634:第三過濾器

71:金屬材料

711:表面

8:重金屬

A:酸液

A1:廢酸

A2:純酸

M:物料

W:水

a~f:以金屬置換法去除有害重金屬之方法步驟

p,p’,p”:金屬置換反應步驟

[圖1]為本創作一實施例之以金屬置換法去除有害重金屬之系統的系統方塊圖；

[圖2]為圖1之控制單元的系統方塊圖；

[圖3]為本創作一實施例之不同酸鹼值的物料的重金屬溶出動力試驗的溶出時間與酸鹼值對應曲線圖；

[圖4]本創作一實施例之物料的不同液固比黏度變化曲線圖；

[圖5]為本創作一實施例之以金屬置換法去除有害重金屬的流程示意圖；

[圖6]為本創作一實施例之以金屬置換法去除有害重金屬之方法的流程圖；及

[圖7]為本創作另一實施例之以金屬置換法去除有害重金屬之系統的系統方塊圖。

茲配合圖式將本新型實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本新型之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本新型有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本新型可據以實施的特定實施例。本創作所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本申請，而非用以限制本申請。另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語“包括”將被理解為意指包括所述元件，但是不排除任何其它元件。

請參照圖1至圖4所示，本實施例之以金屬置換法去除有害重金屬之系統1係包含：一酸洗單元11，係分別將物料M、水W、酸液A(廢酸A1和純酸A2)經對應的電控閥門(51,52,53,54)控制的多個輸送管道進入一酸洗槽111，每一輸送管對應設置一流量計(51’,52’,53’,54’)以量測其流量，該酸洗槽111包含一具阻力感測器113的電動攪拌器112，以對該酸洗槽111內的泥漿物質1111進行攪拌並藉由感測其轉動阻力值1131推估該泥漿物質1111的黏度，該酸洗槽111內具有一用以偵測該酸洗槽111內的物料M的酸鹼值之酸鹼值偵測器114；一緩衝單元12，係以一緩衝槽121盛接該酸洗槽111之輸出物質，使能定量輸出；一第一過濾單元13，係以一第一過濾器131過濾該緩衝槽121之輸出，通過該第一過濾器131的溶液係以一排出管道1311排出，並於該排出管道1311上設置一第一流量感測計13111；一殘渣蒐集單元14，係以一料斗141蒐集該第一過濾器131濾出的渣塊1312，並經乾燥後形成一無毒的物料飛灰渣142；一中和單元21，係以一第一中和槽211盛裝該第一過濾器131的輸出溶液，並對之進行一酸鹼中和反應，該第一中和槽211內可設置一酸鹼值偵測計(未圖示)，以反饋槽內之反應物的酸鹼值；一第二過濾單元22，係以一第二過濾器221過濾該第一中和槽211 的輸出物，通過該第二過濾器221的溶液以一排出管道2211排出，該排出管道2211上設置一第二流量感測計22111；一乾燥脫水單元24，係將該第二過濾器221濾得的沉澱物進行乾燥；一沉澱單元25，係蒐集經該乾燥脫水單元24處理後的物質，獲得一金屬沉澱物251，且以一重量感測器26秤重並輸出該金屬沉澱物251的重量資訊；一真空濃縮單元31，係將該第二過濾器221之該排出管道2211排出的溶液濃縮成高鹽份鹵水，並經乾燥後得到工業鹽；以及一控制單元41，係以一微處理器(MCU)411分別電性連接該些電控閥門(51,52,53,54)、該電動攪拌器112以控制其啟閉，該微處理器411並電性連接該第一流量感測計13111、第二流量感測計22111、該阻力感測器113、該酸鹼值偵測器114(以及前述設置於第一中和槽211內的酸鹼值偵測計)和該重量感測器26，以蒐集其對應的感測數據；其中，本創作實施例於該第一過濾單元13及/或該第二過濾單元22之後，設置一金屬置換反應單元(61,62)係將通過該第一過濾器131及/或該第二過濾器221的溶液，以一金屬置換槽(611,612)盛接並加入一金屬材料71進行金屬置換反應，以去除溶液中的有害的重金屬8。

金屬置換反應是一種固-液氧化還原反應，金屬置換是包含兩個物種間，電子轉移的氧化還原反應。於反應過程中，電負度較高的金屬(犧牲金屬)會釋出電子；而電正度較高的金屬接收該電子後，以金屬形式沈積在犧牲金屬表面。金屬置換的驅動力是兩者氧化還原電位差，反應描述如下：

[數學式1]N+M2+→N2++M

其中，M是電正度較高的金屬，N是電負度較高的金屬。本創作的目標金屬是帶兩價的銅、鎘和鉛。

上述反應是由下列兩個半反應式組成，如數學式2、3：

[數學式2] 氧化反應(陽極)：N→N2++2e-

[數學式3]還原反應(陰極)：M2++2e-→M

本創作以鋁、鋅和鐵等金屬置換鉛、銅和鎘等金屬。鋁、鋅、鐵、鉛、銅和鎘之標準還原電位，在25℃標準電極電位如表1所示。

用鋅置換銅、鎘和鉛之可能氧化還原反應，如表2之用鋅置換銅、鎘和鉛的氧化還原反應(包括主反應與副反應)。

為消除溶氧效應，一般金屬置換過程中會通入氮氣，溶氧造成的副反應即可以忽略。此外，氫氣產生是主要的副反應，顯示犧牲金屬被侵蝕的效應，並且在犧牲金屬上產生氣泡，這會造成遮蔽效應與紊流。

值得一提的是，如圖5所示，前述該金屬置換反應單元(61,62,63)更包含一回收處理(612,622,613)的機制，係將附著於該金屬材料71表面711的重金屬8刮除後回收該金屬材料71，以利再應用。

進一步言，前揭該控制單元41係包含：一黏度控制單元4111，係根據一理想的黏度值比對該酸洗槽111內的泥漿物質1111之黏度，並分別控制該物料M與該水W的輸送管道的電控閥門(51,52)的啟閉時間，以將該泥漿物質1111調整成符合該黏度值的比例；一酸鹼值控制單元4112，係根據如圖3所示的一液固比曲線之與時間對應的酸鹼值，比對該酸鹼值偵測器114的酸鹼值，並控制該水輸送管道與該純酸輸送管道，以將該酸洗槽111內的泥漿物質1111的酸鹼值，在反應過程中，對應調整成符合該液固比曲線的酸鹼值(如圖4示出)；一轉速控制單元4113，係根據該阻力感測器113之感測值，控制並調整該電動攪拌器112的轉速；一流量控制單元4114，係根據該水w、該廢酸A1、該純酸A2的輸送管道對應的流量計，控制其進入該酸洗槽111的流量。

前述金屬置換反應單元(61,62,63)係設置於該第一流量感測計13111與該第一中和槽211之間的管路或設置於該第二過濾器221與該乾燥脫水單元23之間的管路。其設置的方式有多種型態，例如，設置三個金屬置換反應單元，其為一第一金屬置換反應單元611、一第二金屬置換反應單元621與一第三金屬置換反應單元631，該第一金屬置換反應單元611係設置於該第一流量感測計13111與該第一中和槽211之間的管路，該第二金屬置換反應單元6’係設置於該第二流量感測計22111與該真空濃縮單元31之間的管路，該第三金屬置換反應單元6”係設置於該第二過濾單元22與該乾燥脫水單元23之間的管路。

另一種金屬置換反應單元設置型態為設置二個，其中一個金屬置換反應單元6設置於該第一流量感測計13111與該第一中和槽211之間的管路，且另一個金屬置換反應單元6’設置於該第二流量感測計22111與該真空濃縮單元31之間的管路；或是該金屬置換反應單元為二個，一個金屬置換反應單元6設置於該第一流量感測計13111與該第一中和槽211之間的管路，且另一個金屬置換反應單元6”設置於該第二過濾器221與該乾燥脫水單元23之間的管路；或者是一個金屬置換反應單元6’設置於該第二流量感測計22111與該真空濃縮單元31之間的管路，且另一個金屬置換反應單元6”設置於該第二過濾器221與該乾燥脫水單元23之間的管路皆有助於去除產品或副產品中的有害的重金屬8。

再一種金屬置換反應單元設置型態為設置三個，參照圖7所示，除了設置在該第二過濾單元22的排出管道2211之後的金屬置換反應單元62之外，亦可在該第二過濾單元22的濾出管道一側設置一金屬置換反應單元63。具體而言，在該第二過濾單元22的濾得固體物之濾出管道上，係先設置一酸溶槽2，使各金屬在酸中溶解，接著再設置一第三金屬置換槽631進行金屬置換反應，並接著設置一第二中和槽633以進行酸鹼中和反應後，再以一第三過濾器634濾得的沉澱物，再以該乾燥脫水單元24，將濾得的沉澱物進行乾燥，續以該沉澱單元25蒐集經該乾燥脫水單元24處理後的物質，獲得該金屬沉澱物251，並以該重量感測器26秤重並輸出該金屬沉澱物251的重量資訊(圖7示出)。

再請參閱圖6所示，本實施例之以金屬置換法去除有害重金屬之方法，係適於如前述金屬置換法去除有害重金屬之系統1，其製程步驟包含：

步驟a為一酸洗步驟：係分別將一特定比例的物料M、水W、廢酸A1和純酸A2混合並均勻攪拌，並在過程中藉由其混拌物的黏度及酸鹼值，即時控制該物料M、水W及廢酸A1的混入量，以於整個酸洗過程中維據一特定比例曲線(如圖3中之酸鹼值較接近於物料M酸鹼值之曲線)。

步驟b為一第一過濾步驟：係過濾經該酸洗步驟(步驟a)處理後之渣塊，餘下溶液。

步驟c為一中和步驟：經將該第一過濾步驟(步驟b)處理之溶液進行酸鹼中和；

步驟d為一第二過濾步驟：係過除經該中和步驟(步驟c)處理後之溶液；

步驟e為一金屬沉澱物提取步驟：係將該第二過濾步驟(步驟d)濾得之沉澱物進行乾燥脫水工藝，以取得一金屬沉澱物；

步驟f為一鹵水及工業鹽獲取步驟：係將該第二過濾步驟(步驟d)濾除之溶液進行真空濃縮處理，以形成高鹽份鹵水，再經乾燥後得到一工業鹽；

於上述步驟b及/或步驟d的後續進行一金屬置換反應步驟(p,p’,p”)，使經第一及/或經第二過濾步驟處理後之溶液與一可與特定有害的重金屬8發生置換反應的金屬材料71進行金屬元素置換，並使該些有害的重金屬8附著於該金屬材料71表面711而自該溶液中去除，該金屬材料71的金屬元素為鋅、鋁或鐵，該去除的有害的重金屬8元素為鎘、銅或鉛。

需指明的是，前述金屬置換反應步驟(p,p’,p”)使用之該金屬材料71為片狀或粉狀，並於一金屬置換反應單元(61,62,63)內進行該金屬置換反應步驟(p,p’,p”)之後，更包含一回收處理612的機制(於圖5示出者為片狀之金屬材料71)：係於該金屬材料71的表面711置換相對應的重金屬8元素之後，將該金屬材料71移出該金屬置換槽611後，將附著於片狀之該金屬材料71表面711的重金屬8刮除、熱熔後回收該金屬材料71，或者是將附著於粉狀之該金屬材料71表面711的重金屬8熱熔後回收該金屬材料71。

特別需要陳明的是，在一實施例中，置入該溶液的金屬材料71可由該控制單元41根據該物料M內含重金屬8成份而對應選出適當金屬成份的金屬材料71，且該金屬材料71的份量係由該第一流量感測計13111及/或該第二流量感測計22111測得之流量，經控制單元41自動地估算出適當的金屬置換反應的添加量。

綜上所述，本創作應用控制單元之MCU判斷經第一或第二流量感測計所測得的輸出量，對應控制該金屬置換槽內的用來進行金屬反應的金屬材料的量。並計算其金屬反應壽命將屆時，對該金屬材料進行一回收處理的機制，例如刮除該金屬材料表面的重金屬，即可對該金屬材料回收再利用之。

上述揭示的實施形態僅例示性說明本新型之原理、特點及其功效，並非用以限制本新型之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本新型之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本新型所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。