[[alternative]]A study on the heavy metals adsorption by palygorskite to enhance the stabilization of MSWI fly ash on the ball milling process

碩士[[abstract]]都市垃圾焚化飛灰中含有高量的可溶解性鹽類(如氯鹽、鈉鹽…)，且重金屬有溶出之疑慮，進而影響其再資源化發展。因此，去除鹽類的水萃程序為前處理最常用的方法之一。水萃可去除溶解性鹽類，同時也將大量的重金屬鉛和其他重金屬帶到水萃液中，使得水萃液中含大量重金屬。根據文獻，坡縷石是一種多孔性的天然黏土礦物，具有高吸附量的優點，且濕式研磨對焚化飛灰有穩定重金屬的效果，因此本研究以坡縷石吸附飛灰水萃液之重金屬，並引進機械化學濕式研磨技術，使重金屬達到穩定不易溶出的效果，製造出無害化的原料。 研究分為兩部份，第一部份：坡縷石吸附重金屬能力之研究，解決水萃廢水中重金屬含量的問題，以實際水萃程序所產生之水萃液，探討坡縷石在此環境中對重金屬的吸附能力。第二部份：研磨對水萃灰加吸附後坡縷石的穩定效果探討，解決水萃灰和吸附後坡縷石重金屬溶出的問題，在水萃灰與吸附後坡縷石混合的情況下，探討機械化學對重金屬穩定的影響，最後應用序列萃取(Sequential Extraction Procedure)討論各種重金屬研磨後之穩定特性。 由實驗結果得知，添加3 g改性後的坡縷石能有效的將100 ml的水萃液中重金屬吸附處理到符合放流水標準。將水萃灰與吸附重金屬的坡縷石以乾重比10：3混合並進行研磨，研磨能有效減少混合灰粉體粒徑至2.5 μm，且對混合灰中重金屬具有穩定的作用，使用研磨2小時即可抑制鉛、鋅的TCLP溶出，分別從1.18與0.66 mg/L降至0.03與0.01 mg/L；序列萃取結果也顯示研磨之後，重金屬鉛、鋅、銅、鎘，皆傾向形成較穩定的重金屬型態，顯示濕式研磨對水萃灰與坡縷石兩種材料混合一樣能有效降低其重金屬溶出，將重金屬穩定在粉體中。[[abstract]]Municipal solid waste incinerator (MSWI) fly ash contains a large amount of solubility of salts (ex: chloride, sodium …), and easily dissolved heavy metals that can affect its recycling. Therefore, the water extraction was usually used to remove the salts as the pretreatment process for fly ash recycling. Pb and other heavy metals would be removed into the water extraction solution at the same time. The waste water from water extraction could contain a large number of the heavy metals. Many studies indicate that palygorskite is porous natural clay minerals and have the advantage of adsorption. The wet milling process can stabilize the heavy metals of MSWI fly ash. In this study, palygorskite was used to adsorb the heavy metals of extracted water and then the wet milling process was used to stabilize the heavy metals in the milled mixture of the fly ash and the adsorbed palygorskite. Finally, a non-hazardous mater will be made after the processes. This study consists of two parts: first one, discussing palygorskite adsorption capacity of heavy metals to solve the problem of the heavy metal of extracted solution. Second one, the wet milling was used to investigate the stabilization effect on water extracted fly ash and adsorbed Palygorskite. The results of the experiment show that add 3g of modified palygorskite was able to effectively treat heavy metals to meet the effluent standards for water-extraction solution of 100ml. The extracted fly ash and adsorbed Palygorskite mixed and milled by the dry weight ratio 10:3. Milling can effectively reduce the mixed ash of the particle size D50 to 2.5 μm and stabilized the heavy metals in the mixed ash. The milling can restrain the leaching of Pb and Zn of TCLP after 2 hours extraction. The TCLP concentration of Pb and Zn were decreased from 1.18 and 0.66 mg/L to 0.03 and 0.01 mg/L. The results of sequential extraction procedure (SEP) shows that the heavy metals of Pb, Zn, Cu, Cd were tend to form more stable species after milling.[[tableofcontents]]目錄 圖目錄 IV 表目錄 VII 第一章 前言 1 1-1 研究緣起 1 1-2 研究目的 2 第二章 文獻回顧 4 2-1 垃圾焚化飛灰之特性 4 2-1-1 焚化飛灰之物理特性 5 2-1-2 焚化飛灰之化學特性 7 2-1-3 焚化飛灰溶出特性 8 2-1-4 焚化飛灰水萃前處理 9 2-2 坡縷石簡介 11 2-2-1 坡縷石特徵 11 2-2-2 坡縷石之物化特性 12 2-2-3 坡縷石熱活化技術 13 2-2-4 坡縷石在環境方面應用 16 2-2-5 等電位點pH值 18 2-3 吸附理論 19 2-3-1 吸附現象 19 2-3-2 吸附模式 20 2-4 研磨粉體技術 24 2-4-1 超細粉體之物理化學性質 25 2-4-2 研磨程序相關研究 28 2-5 重金屬鏈結型態 29 第三章 研究方法 31 3-1 實驗設計 31 3-2 實驗步驟 32 3-2-1 水萃前處理操作參數 34 3-2-2 等溫吸附實驗參數 34 3-2-3 桌上型球磨機操作參數 34 3-3 實驗材料 36 3-4 樣品分析方法 37 3-5 實驗設備與分析儀器 40 3-5-1 實驗設備 40 3-5-2 分析儀器 43 第四章 結果與討論 46 4-1 樣品物化特性之研究 46 4-1-1 焚化飛灰之物化特性 46 4-1-2 坡縷石之物化特性 54 4-2 坡縷石對重金屬吸附之影響 58 4-2-1 坡縷石量對不同重金屬吸附之變化 58 4-2-2 時間對吸附量的影響 60 4-2-3 等溫吸附模式 60 4-2-4 吸附後的坡縷石重金屬TCLP溶出 62 4-2-5 吸附對水萃液氯離子影響 62 4-3 研磨對水萃灰和坡縷石性質的影響 63 4-3-1 粒徑分析 63 4-3-2 晶體型態分析 66 4-3-3 SEM表面微觀結構分析 68 4-3-4 重金屬質量平衡 74 4-3-5 重金屬TCLP溶出 77 4-3-6 序列萃取之重金屬溶出 79 第五章 結論與建議 83 5-1 結論 83 5-2 建議 84 參考文獻 85 圖目錄 圖2- 1 反應灰之SEM圖 6 圖2- 2 液/固比5 水萃後水萃廢液氯離子含量變化 10 圖2- 3 坡縷石在晶面上的離子、分子投影圖 12 圖2- 4 坡縷石不同溫度熱活化之SEM圖 15 圖2- 5 吸附平衡濃度與平衡吸附容量關係圖 (Freundlich) 21 圖2- 6 吸附平衡濃度與平衡吸附容量關係圖 (Langmuir) 22 圖2- 7 吸附平衡濃度與平衡吸附容量關係圖 (B.E.T) 23 圖2- 8 在球磨機中球體示意圖 25 圖3- 1 實驗流程圖 33 圖3- 2 序列萃取實驗流程圖 39 圖3- 3 電熱式乾燥烘箱 40 圖3- 4 電加熱式矩形高溫爐 41 圖3- 5 毒性特性溶出(TCLP)程序裝置 41 圖3- 6 桌上型球磨機 42 圖3- 7 恆溫震盪器 42 圖3- 8 感應耦合電漿原子發射光譜分析儀 43 圖3- 9 雷射粒徑分析儀 44 圖3- 10 敞發射掃描式電子顯微鏡 44 圖3- 11 X光粉末繞射分析儀 45 圖4- 1 焚化飛灰外觀 46 圖4- 2 原飛灰(FA)及水萃灰(WFA)之粒徑分佈 48 圖4- 3 原飛灰(FA)之SEM(x1,000) 48 圖4- 4 原飛灰(FA)之SEM(x5,000) 49 圖4- 5 原飛灰(FA)之SEM(x10,000) 49 圖4- 6 水萃灰(WFA)之SEM(x1,000) 50 圖4- 7 水萃灰(WFA)之SEM(x5,000) 50 圖4- 8 水萃灰(WFA)之SEM(x10,000) 51 圖4- 9 焚化飛灰之物種分析 53 圖4- 10 坡縷石外觀 54 圖4- 11 坡縷石之粒徑分析 55 圖4- 12 坡縷石之SEM(x1,000) 56 圖4- 13 坡縷石之SEM(x15,000) 56 圖4- 15 時間對吸附量的影響 60 圖4- 16 研磨0~4小時研磨灰之粒徑分佈 64 圖4- 17 研磨8~96小時研磨灰之粒徑分佈 65 圖4- 18 不同研磨時間研磨灰之平均粒徑 65 圖4- 19 不同研磨時間的研磨灰之物種分析 67 圖4- 20 研磨前(FP-0)之SEM圖(x1,000) 70 圖4- 21 研磨前(FP-0)之SEM圖(x5,000) 70 圖4- 22 研磨前(FP-0)之SEM圖(x10,000) 71 圖4- 23 研磨1小時(FP-1)之SEM圖(x1,000) 71 圖4- 24 研磨1小時(FP-1)之SEM圖(x10,000) 72 圖4- 25 研磨24小時(FP-24)之SEM圖(x1,000) 72 圖4- 26 研磨24小時(FP-24)之SEM圖(x10,000) 73 圖4- 27 研磨96小時(FP-96)之SEM圖(x5,000) 73 圖4- 28 研磨96小時(FP-96)之SEM圖(x10,000) 74 圖4- 29 序列萃取之重金屬Pb型態變化 80 圖4- 30 序列萃取之重金屬Cu型態變化 81 圖4- 31 序列萃取之重金屬Zn型態變化 81 圖4- 32 序列萃取之重金屬Cd型態變化 82 圖4- 33 序列萃取之重金屬Cr型態變化 82 表目錄 表2- 1 國外都市垃圾焚化飛灰之元素分析 7 表2- 2 重金屬個鍵結型態之移動性 30 表4- 1 焚化飛灰物理特性 47 表4- 2 焚化飛灰之元素組成 52 表4- 3 焚化飛灰之重金屬總量 52 表4- 4 焚化飛灰之重金屬TCLP溶出量 54 表4- 5 坡縷石物理特性 55 表4- 6 坡縷石之元素組成 57 表4- 7 不同坡縷石添加量吸附100ml飛灰水洗液重金屬濃度變化 59 表4- 8 等溫吸附模式模擬 61 表4- 9 吸附後的坡縷石之重金屬TCLP溶出量 62 表4- 10 吸附前後水萃液氯離子濃度 63 表4- 11 研磨後研磨灰與研磨液之質量平衡 76 表4- 12 混合灰研磨後重金屬TCLP溶出量 78[[note]]學號: 602480104, 學年度: 10