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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
鋁系淨水污泥燒結資源化為氧化鋁吸附劑研究
計畫編號：NSC 90-2211-E002-038 執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日 主持人：林正芳教授 國立台灣大學環境工程學研究所 計畫參與人員：陳俐婷 國立台灣大學環境工程學研究所 郭學文 國立台灣大學環境工程學研究所 蔡兆原 國立台灣大學環境工程學研究所 一、摘要 淨水污泥產量日益大，將減少最終處 置場所之使用年限，故本研究將淨水污泥 經燒結程序再利用，本研究之研究內容為 以電子顯微照相、X 光繞射分析、比表面 積測定及表面酸鹼滴定法來探討淨水污泥 在高溫下燒結之晶表面特性；並以 SO42-、 MoO42-、SeO42-、Hg(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)等離子進 行平衡吸附實驗及競爭吸附實驗，輔以表 面錯合模式模擬，以探討燒結產物與離子 間之界面反應。 實驗結果顯示淨水污泥中以 SiO2 含 量最高佔 54%，其次為 Al2O3及 Fe2O3， 其餘成分均低。燒結產物經由電子顯微照 相、X 光繞射分析及比表面積測定，發現 淨水污泥中主要的結晶相為 SiO2，且隨溫 度增加而有減少之趨勢。淨水污泥經燒結 後結構更為緻密，在 1000～1100℃燒結溫 度、成型壓力 1～3 噸、延時 0.5～1.5 小時 之操作條件下，比表面積為 2～5 m2 /g。因 燒結物之 SiO2含量大於 50%，表面位址多 屬帶負電之位址，不利於吸附陰離子。 而以溫度 1000℃、成型壓力 2 噸、延 時 1.5 小時之燒結粉末進行平衡吸附實 驗， 結果顯示燒結 物對陰 離子 SO42-、 MoO42-、SeO42-之吸附效果皆低，陽離子 之吸附率隨 pH 值上升而增大，於 pH = 4.8 時對 Cr(Ⅲ)之吸附容量為 1.40 mg/g 燒結 物，Cr(Ⅲ)之吸附不受背景電解質影響， 為內層吸附離子；於 pH = 6.0 時對 Hg(Ⅱ) 之吸附容量為 0.43 mg/g 燒結物，Hg(Ⅱ) 受背景電解質影響，為外層吸附離子。 Cr( Ⅲ ) 與 燒 結 物 之 吸 附 競 爭 力 大 於 Hg(Ⅱ)。基於平衡吸附實驗結果，以三層 模式模擬結果發現 Cr(Ⅲ)以 Cr3+內層雙鉤 及 CrOH+內層單鉤吸附於燒結物表面，反 應之固有平衡常數 pKint 分別為 3.5 及 7.7；Hg(Ⅱ)以 HgOH+外層雙鉤吸附於燒結 物表面，固有平衡常數 pKint為-3.75。 關鍵字：淨水污泥、燒結、吸附、三層模 式 Abstr actDaily generation of water industry sludge account is increasing yearly. The final disposal of the waste water sludge becomes a severe burden for both the administration and the environment. Therefore, the study applies sintering technology to convert water sludge to a useful and stable adsorption material. The properties of the sintered materials were characterized using SEM, XRD, BET and acid –base titration. In addition, adsorption experiments in conjunction with TLM simulation were employed for SO42-, MoO42-,
2 water/sintered materials interface.
The elemental analysis of original water sludge shows the major constituents as SiO2(54%), Al2O3 (21%) and Fe2O3 (6.6%).
The SEM and XRD analyses on sintered materials also reveal that SiO2 is the
principle compound of the matrix. The crystallized SiO2 decreases as sintering
temperature increases. BET measurements gave the specific surface of 2 ~ 5 m2 per gram sintered materials. As composition of SiO2 is more than 50%, surface of the
sintered materials become negatively charged.
The adsorption effect of SO42- 、
MoO42- 、 SeO42- is not significant.
Adsorption of Cr(Ⅲ) and Hg(Ⅱ) on the sintered materials show that sorption is dependent on system’s pH. The sorption densities are 1.40 mg Cr/g at pH 4.8 and 0.43 mg Hg/g at pH 6.0. Sorption of Cr(Ⅲ) is unaffected by solution electrolyte. However, sorption of Hg(Ⅱ) is significantly affected by solution electrolyte. Affinity of Cr(Ⅲ) for the surface reacting sites seem to out-compete Hg( Ⅱ ). Simulation of the experimental results by TLM has revealed that Cr3+ forms inner-sphere bidentate complexes and CrOH2+ forms monodentate complexes. The intrinsic adsorption constants (pKint) for Cr3+ and CrOH2+ are 3.5 and 7.7, respectively; and for Hg(Ⅱ) as out-sphere complex is -3.75.
Key words: water sludge, sinter, adsorption, TLM. 二、計畫緣由與目的 台灣地區每日所產生之淨水污泥體積 可達 24,500～293,500 m3 [1]，過去般多以 充當垃圾掩埋場填土的方式處理，但自朳 水處理過程中使用的含鋁混混凝劑，使淨 水污泥中鋁含量大增達 1.66%。如將上述 物質視為廢棄物將使最終處置場所使用年 限減少。 淨水污泥的主要成分為氧化矽在氫氧 化鋁，經燒結後所含之主要物種為金屬氧 化物。在過去許多相關研究中[2][3][4]顯示 鐵、鋁氧化物對於自然界中之重金屬（包 含重金屬之陰離子）之流佈與傳輸甚鉅。 且淨水污泥在燒結的過程中由於高壓高溫 的影響，造成污泥顆粒晶相改變[5]，而淨 水污泥所含之黏土物質經燒結變成金屬之 氧化物，也將影響吸附之效用。故本研究 目的在改變燒結溫度、燒結延時、壓力等 條件之燒結物，探討燒結物與各種常見 陰、陽離子間之界面反應，評做資源化再 利用產品之環境安全與穩定性。 三、結果與討論 3.1 淨水泥性質分析 自淨水廠採得之污泥，經台電實驗室 以 ICP 分析之其化學組成，如表 1 所示。 其中以 SiO2 含量最高佔 54%，其次為 Al2O3及 Fe2O3，其餘成分均低。 表 1、淨水污泥之化學組成（氧化態表示） 化合物 重量百分比 ( ﹪) 化合物 重量百分比 ( ﹪) Al2O3 20.93 CuO 0.04 CaO 0.30 MgO 1.85 CdO 0.02 PbO2 0.15 Cr2O3 0.03 SiO2 53.58 Fe2O3 6.63 ZnO 0.04 3.2 淨水污泥燒結體之表面特性 燒結產物經由電子顯微照相、X 光繞 射分析，發現淨水污泥在 1 小時燒結延 時、成型壓力 2 噸及不同燒結溫度（950 ～1,150℃）之操作條件下，主要的結晶相 為 SiO2，且隨溫度增加而有減少之趨勢。
3 淨水污泥經燒結後結構更為緻密，在 1,000～1,100℃燒結溫度、成型壓力 1～3 噸、延時 0.5～1.5 小時之操作條件下，比 表面積為 2～5 m2 /g。因燒結物之 SiO2含 量大於 50%，表面位址多屬帶負電之位 址，不利於吸附陰離子。 3.3 SO42-、MoO42-、SeO42-、Hg(Ⅱ)、Cr(Ⅲ) 在燒結粉末表面之固液界面反應 燒結粉末對 SO42-、MoO42-、SeO42-之 吸 附 曲 線 顯 示 ， 燒 結 粉 末 對 SO42-、 MoO42-、SeO42-三種陰離子之吸附效果不 佳，如圖 1 所示，以 SO42-之吸附率在 pH 約 3 時最高可達近 30%。 燒結粉末於 pH = 4.8 ± 0.2 時，對 Cr(Ⅲ)之吸附容量為 1.40 mg/g，如圖 2 所 示；於 6.0 ± 0.2 時，對 Hg(Ⅱ)之吸附容 量為 0.43 mg/g，如圖 3，兩者皆符合 Langmuir 模式之模擬。 圖 1 陰離子/燒結物平衡吸附反應， 燒結物 = 5 g/L，25℃。 圖 2 Langmuir 模擬 Cr(Ⅲ)吸附容量曲線， 燒結物 = 5 g/L，25℃。 圖 3 Langmuir 模擬 Hg(Ⅱ)吸附容量曲線， 燒結物 = 5 g/L，25℃。 以 0.001 N、0.01 N、0.1 N 之 NaCl 為背景電解質研吸附之影響，如圖 4 和圖 5 則可知：Cr(Ⅲ)不受背景電解質影響，為 內層吸附離子，吸附範圍為 pH = 3～5； Hg(Ⅱ)受背景電解質影響為外層吸附離 子，吸附範圍為 pH = 5～7，Cr(Ⅲ)及 Hg(Ⅱ)之吸附率皆隨 pH 上升而增大。 圖 4 背景電解質對 Cr(Ⅲ)之吸附影響， [Cr(Ⅲ)]T = 4×10-5M，燒結物=5 g/L，25 ℃。 圖 5 背景電解質對 Hg(Ⅱ)之吸附影響，
4 [Hg(Ⅱ)]T = 4×10-5M，燒結物=5 g/L，25℃。 3.4 競爭吸附 控制 Cr(Ⅲ)之濃度為 4×10-5 M、1× 10-4M 及 4×10-4M，而 Hg(Ⅱ)之濃度則固 定在 2×10-6 M。實驗結果顯示 Cr(Ⅲ)於濃 度大於 4×10-4 M 時，明顯抑制 Hg(Ⅱ)之 吸附，Cr(Ⅲ)對表面位址之競爭力大於 Hg(Ⅱ)。 3.5 TLM 模式之模擬 以 TML 模式模擬結果，Cr(Ⅲ)以 Cr3+ 內層雙鉤及 CrOH+內層單鉤吸附於燒結物 表面，形成表面(SO)2Cr+及(SO)CrOH+型 態，模擬結果如圖 6 與圖 7 所示，反應之 固有平衡常數 pKint分別為 3.5 及 7.7；而 Hg(Ⅱ)以 HgOH+外層雙鉤吸附於燒結物 表面，形成(SO -)2HgOH+型態，反應之固 有平衡常數 pKint為-3.75。 圖 6 TLM 模擬 CrOH2+ /燒結內層單鉤吸附 之結果[Cr(Ⅲ)]T = 4×10-5M，燒結物 = 5 g/L，25℃。 圖 7 TLM 模擬 Cr3+ /燒結內層雙鉤吸附之 結果[Cr(Ⅲ)]T = 4×10-5M，燒結物 = 5 g/L，25℃。 四、計畫成果自評 本計畫研究目的為改變燒結溫度、燒 結延時、壓力等條件之燒結物，探討燒結 物與各種常見陰、陽離子間之界面反應， 評做資源化再利用產品之環境安全與穩定 性。結果顯示燒結粉末對 SO42-、MoO42-、 SeO42-三種陰離子之吸附效果不佳，但對 Hg(Ⅱ)與 Cr(Ⅲ)吸附效果較好，且以 TLM 模式可良好模擬之。 五、參考文獻 [1] 張廣智，節水季刊，第 16 期，經濟部 水資源局（1999）
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