理工學院優秀專題競賽論文
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組別:▓實作組□設計組
以不同水萃取條件進行 MSWI 飛灰離子釋出之探討
Ion release detections for MSWI fly ash at different water extraction conditions
*鍾政宏 李鴻璋 國立聯合大學環境與安全衛生工程學系
摘要
本研究以國內某
垃圾焚化（
MSWI
）飛灰為對象，探討不同水萃取液固比條件對飛灰中離子釋出
之影響及相關之變化。飛灰經 TCLP 檢測，Pb 溶出值為 10.3 ±1.4 mg/L，超過法規標準值(5 mg/L)，
故為有害事業廢棄物。本研究在不同液固比（L/S = 2、5、10）下，以 600 rpm 攪拌速率，進行 5 分
鐘水萃取飛灰實驗。結果顯示水萃
取後飛灰之 Cl 離子可快速釋出，且亦可溶出飛灰大量 Pb 及部分
Cd，檢測水萃取後飛灰 Cd、Pb 總量略有上升，然而除了 L/S = 10 之 Pb 略高於 TCLP 法規標準外，
其餘溶出值均已低於法規標準，此亦顯示降低飛灰水萃取之液固比，可兼顧飛灰有害之 Pb 有效釋出
及處理後飛灰符合 TCLP 法規標準。此外，水萃取後飛灰氯含量降至約 8%，本研究成果可作為探討
MSWI 飛灰特性、萃取再利用之參考。
關鍵字：飛灰、水萃取、離子、重金屬、釋出
Abstract
A municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash was sampled and extracted by water at different
liquid/solid (L/S) ratio to detect the varieties of ions release condition.
The MSWI fly ash
was identified as
industrial hazardous waste since its Pb leaching concentration (
10.3 ±1.4 mg/L) exceeded regulatory limit of
5 mg/L
. Water extraction experiments for MSWI fly ash at L/S = 2, 5, and 10 were employed at 600 rpm
stirring speed for 5 minutes. The results show that chloride ion quickly released from MSWI fly ash, and
much of Pb and few of Cd also dissolved. After water extraction, total Cd and Pb contents in MSWI fly ash
slightly increased; nevertheless, metal concentrations were below TCLP limits except L/S = 10 for Pb. In
brief, low L/S ratio benefits effective dissolution of hazardous Pb and pass of regulatory TCLP test. Finally,
chloride content in the extracted MSWI fly ash was 8% and all the results can be provided as reference for
relative researches, including characteristics, extraction and reuse of MSWI fly ash.
Keywords: Fly ash; Water extraction; Ion; Heavy metal; Release
1. 前言
台灣都市垃圾從早期以掩埋為主發展到近期以焚化為 主，焚化不僅可以節省空間，且能有效將其產生之熱能回收 再利用，而垃圾掩埋導致污染物質滲入土壤之問題亦可減 少。依據環保署統計，2010 年台灣焚化廠之焚化處理量為 6,235,390 公噸，產生焚化灰渣 1,294,429 公噸，約佔焚化處 理量之 21%；灰渣中生飛灰量約 301,846 公噸，約佔焚化處 理量之 5%（環保署督察總隊，2011）。 垃圾焚化飛灰中含有微量重金屬物質，經毒性特性溶出 程序(TCLP)試驗，Pb 及 Cd 常不符合法規標準，故被認定理工學院優秀專題競賽論文
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組別:▓實作組□設計組
為「有害事業廢棄物」。現今國內大多以固化/穩定化方式處 理焚化飛灰，但有溶出有害物質之潛在危險。為解決此問 題，焚化飛灰後續處理應朝無害化與再利用之目標邁進，故 須了解飛灰之性質與特性並探討有效萃取飛灰有害物質之 方法。 本研究將朝向以水作為萃取劑，改變其固液比，探討其 離子溶出的效果及其它相關變化，以作為後續萃取飛灰及在 利用之參考。2.
文獻探討
焚化飛灰之無害化已有許多人進行探討。王薪嘉(2008) 利用電沉積法處理飛灰中重金屬物質。Mizutani et al. (1996) 以連續萃取方式，在不同液固比條件下萃取 MSWI 飛灰，結 果顯示重金屬溶出量隨液固比增加而增加。Wang et al. (2001) 研究水萃取對飛灰重金屬溶出之影響，利用液固比(L/S) = 2–100 進行 1 小時水萃取實驗，結果顯示部分物質溶出量隨 液固比增加而提高，部分物質不受液固比影響。比較上述研 究，水不僅取得容易也較便宜並可呈現某種程度的萃取效 果。3. 研究方法
3.1. 飛灰採樣及保存
本研究利用之飛灰採集自國內某大型垃圾焚化廠進入 固化混練機前之集塵灰，將其進行烘乾前處理後置於儲存箱 保存。3.2. 飛灰基本性質分析
以環保署及國家標準檢驗方法分析其飛灰基本性質，包 括 pH、導電度、重金屬毒性特性溶出程序(TCLP)、重金屬 總量(TC)、水分、灰分、可燃分及氯離子含量等。3.3. 水萃取飛灰程序
取適量飛灰，以不同液固比(L/S = 2、5、10)，以 600 rpm 進行 5 分鐘之水萃取。水萃取後進行液固分離，濾液及固體 物分別進行相關檢測。3.4. 水萃取飛灰後之濾液測定
針對水萃取後之濾液以選擇性離子電極棒測定其 Cl 離 子濃度、以火焰式原子吸收光譜儀(AA)測定其 Pb、Cd 離子 濃度。3.5. 水萃取飛灰後之固體物測定
針對水萃取後之固體物進行相關之檢測，包括重金屬溶 出量(TCLP)、重金屬總量(TC)、細粒料氯離子含量等。以 探討飛灰在水萃取前後之相關變化。4. 研究結果與討論
4.1. MSWI 飛灰之基本性質分析
本研究之飛灰基本性質之分析結果如表 1 及表 2 所示。 飛灰之 pH 值為 11.5，故飛灰為高鹼性物質。其乃因飛灰中 含有鹼金屬及鹼土金屬之氧化物，且在垃圾焚化過程中，噴 入大量之 Ca(OH)2所致，其目的為有效去除酸氣及攔截空氣 中之污染物。飛灰之水分、灰分及可燃分分別為 0.8、88.7 及 10.5%，因本研究之飛灰已先進行烘乾前處理，故水分僅 為 0.8%；而未燃物及後段空污防治設備中添加活性碳應係 造成可燃分為 10.5%之因。此外飛灰氯離子含量為 23.6%， 比例約佔飛灰之 1/4，應係焚化之垃圾中含有有機含氯物質 (如 PVC)所致。 在飛灰之 TCLP 重金屬溶出方面，表 2 中 Cd 值為 ND； Pb 值為 10.3 mg/L，超過 TCLP 之法規標準(5.0 mg/L)，故 本研究使用之 MSWI 飛灰屬有害事業廢棄物。在重金屬總量 方面，Cd 及 Pb 數值分別為 77.5 及 1547 mg/kg。 表 1 MSWI 飛灰飛重金屬之性質分析結果 pH Water (%) Ash (%) Combustible (%) Specific conductivity (ms/cm) Chloride ion in fine material (%) 11.5 ± 0.0 0.8 ± 0.1 88.7 ± 2.8 10.5 ± 0.1 154 ± 2 23.6 ± 0.8 表 2 MSWI 飛灰重金屬之分析結果Total metal content
Regulatory limit (mg/kg)
Cd ND ＜ 1.0 77.5 ± 3.5
Pb 10.3 ± 1.4 ＜ 5.0 1,547 ± 422
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4.2. 水萃取 MSWI 飛灰及濾液測定
飛灰在轉速 600 rpm 及時間為 5 min 之條件下，隨液固 比變化之水萃取濾液氯離子濃度如圖 1 所示。由圖 1 可知， 在轉速及時間固定下，液固比愈高，其濾液之氯離子濃度愈 低。推測其原因，應係稀釋作用造成之結果。 圖 1 水萃取氯離子濃度變化圖：600 rpm、5 min 另在濾液之 Cd 及 Pb 濃度方面，結果如表 3 所示。由表 3 可知 Cd 未檢出，推測其原因，原灰之 Cd 物種以 CdO 及 CdCl2兩種為主，故較難溶出；Pb 濃度在 L/S = 2、5、10 下分別為 386.4、94.4 及 39.0 mg/L，推測其原因，在 600 rpm 條件下，液相中含大量 OH– ，Pb 屬兩性金屬，易與 OH– 形 成大量 Pb(OH)2、Pb(OH)3 – 、Pb(OH)4 2– 等，故較易溶出。 表 3 水萃取 MSWI 飛灰濾液重金屬濃度(mg/L) L/S=2 L/S=5 L/S=10 Cd ND ND ND Pb 386.4 94.4 39.0 600 rp m 、5 min4.3. 水萃取後飛灰固體物之檢測
水萃取後飛灰固體物之 TCLP 檢測方面，由表 4 可知， Cd 之 TCLP 皆未檢出，Pb 在 L/S = 2、5 時，亦未檢出，而 L/S = 10 時，Pb 之濃度為 6.27，超出 Pb 之 TCLP 標準(＜5 mg/L)。推測其原因，應係較高 L/S 下 Pb 釋出濃度並未較低 L/S 多，故較高 L/S 水萃取後，Pb 之 TCLP 檢測反易不及格。 在總量方面，由表 4 可知，在水萃取後，Pb、Cd 之總 量略微上升，推測其原因，應係水萃取時大量之水溶性物質 釋出，使得飛灰固體之質量相對地減少所致。 表 4 水萃取後飛灰固體物重金屬之 TCLP 濃度及總量 Total metal content (mg/kg)Cd L/S=2 121 L/S=5 124 L/S=10 97 Pb L/S=2 1737 L/S=5 1773 L/S=10 1555 ND 6.27 5 min TCLP (mg/L) ND ND ND ND 圖 2 水萃取後飛灰固體物氯含量：600 rpm、5 min 水萃取後飛灰固體物氯含量檢測結果，如圖 2 所示，在 600 rpm 條件下，其測值約在 3.0–9.0%之間，液固比愈高， 其氯含量愈低。推測其原因，應係因萃取時，高液固比可使 飛灰有更多空間釋出氯離子所致。
5. 結論與建議
(1) 本研究之 MSWI 飛灰基本性質分析結果如下：pH 值為 11.5，為高鹼性物質；水分、灰分及可燃分分別為 0.8、 88.7 及 10.5%；氯離子含量為 23.6%。在重金屬方面， TCLP 之 Pb 濃度（10.3 mg/L）逾法規標準（5 mg/L）， 故為有害事業廢棄物；總量方面，Pb、Cd 之值分別為 1,547 及 77.5 mg/kg。 (2) 水萃取程序可快速地破碎飛灰，故氯離子在任何 L/S 皆 可大量釋出，但因稀釋作用，L/S 較高，其濃度會相對較 低。水萃取後濾液之重金屬方面，濾液之 Cd 值未檢出， 推測其因原灰之 Cd 物種以 CdO 及 CdCl2兩種為主，故 較難溶出；Pb 之濃度高達 39.0–386.4 mg/L，推測應是液 相中含大量 OH– ，使 Pb 形成可溶之 Pb(OH)2、Pb(OH)3 – 、理工學院優秀專題競賽論文
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Pb(OH)4 2– 等。 (3) 水萃取後飛灰固體物 TCLP 之 Cd、Pb 方面，Cd 之值皆 未檢出；Pb 之值在 L/S = 2 及 5 下未檢出，而在 L/S = 10 時值為 6.27 mg/L，超出法規標準。推測乃因較高 L/S 下 Pb 釋出濃度並未較低 L/S 多，故高 L/S 水萃取後，Pb 之 TCLP 檢測易不及格。總量部分，水萃取後飛灰之 Cd、 Pb 總量均略為上升，推測其應係大量之水溶性物質釋 出，使得飛灰固體之質量相對減少所致。 (4) 水萃取後飛灰氯含量方面，測值約在 3.0–9.0%之間，L/S 愈高，其值愈低。推測其因，應係高液固比可使飛灰有 更多空間釋出氯離子所致。 (5) 飛灰之成分較為複雜，故要再次利用較為困難；水萃取 不僅便宜且可一定功效的萃取出飛灰之有害物質，故本 研究由水萃取在時間及轉速固定下，探討水萃取液固比 變化之影響，此等成果可作為探討 MSWI 飛灰特性，萃 取及再利用之參考。誌謝
本研究獲得國科會產學合作計畫之經費補助，計畫編號 為： NSC 98-2622-E-239-010-CC2。研究期間感謝師長及學 長姐之指導及協助。參考文獻
[1] 環保署督察總隊，“垃圾資源回收（焚化）廠營運統 計資料庫＂，行政院環境保護署，台北（2011）。 [2] 王薪嘉，“MSWI 飛灰中重金屬經電沈積法回收後資 源化之研究＂，國立中興大學環境工程學系所，碩士 論文(2008)。[3] Mizutani, S., Yoshida, T., Sakai, S., and Takatsuki, H., “Release of metals from MSWI fly ash and availability in alkali condition,” Waste Management, Vol. 16, No. 5–6, pp. 537–544 (1996).
[4] Wang, K.S., Chiang, K.Y., Lin, K.L., and Sun, C.J., “Effects of a water-extraction process on heavy metal behavior in municipal solid waste incinerator fly ash,” Hydrometallurgy, Vol. 62, No. 2, pp. 73–81 (2001).
