理工學院優秀專題競賽論文
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組別:■實作組□設計組
以廢棄燃煤飛灰製成多孔陶瓷之特性及可行性分析研究
Characteristics and feasibility analyses for fabricating porous ceramics using waste coal fly ash
*楊慶翔 林俊男 國立聯合大學環境與安全衛生工程學系
摘要
本研究以 20、40、60、80%汽電共生廠燃煤飛灰與高嶺土均勻混合成漿料，在泡綿及海綿前軀體
下，以模板法製備胚體後以
1,
200 與
1,
300
°C
燒成，分析燒成後樣品性質及探討其可行性。在孔隙率
方面，不論泡綿或海綿，20
–
80%燃煤飛灰/
1,
200
°C
或
1,
300
°C
，均可製成高孔隙率
（72–87%）
之多
孔陶瓷；吸水率則與孔隙率呈正向關係。提高煤灰比例，海綿多孔陶瓷在體密度及抗壓強度方面均有
提高現象；而泡綿多孔陶瓷卻呈現先微升再下降情況，推估為燃煤飛灰與高嶺土原料之顆粒比重不同
且泡綿孔洞過小，故泡綿內部漿料以高嶺土為主。綜合本研究，在 40–60%煤灰及
1,
300
°C
燒成溫度
下，兼具有效提升多孔陶瓷機械強度、
僅
略減少孔隙率之優點，亦驗證廢棄煤灰具有製成高附加價值
多孔陶瓷之可行性。
關鍵字：燃煤飛灰、模板法、多孔陶瓷、孔隙率、抗壓強度Coal fly ash (CFA) sampled from a combined heat and power factory was firstly mixed with kaolinite at
20, 40, 60, and 80%, respectively. Polyurethane (PU) and melamine (Mel) sponges was then employed as
precursors in template method and fired at 1,200 or 1,300 °C for fabricating porous ceramics to analyze the
product characteristics and method feasibility. The results show that 20–80% CFA/
1,
200 or
1,
300
°C
porous
ceramics giving high porosities of
72–87%
and water absorption was positively related with porosity.
Moreover, bulk density (ρ
b) and compressive strength (CS) increased with the ratios of CFA for PU-sponged
ceramics. However, ρ
band CS increased firstly and then decreased for Mel-sponged ceramics, implying that
high kaolinite ratio in the inner pore space of Mel caused by different density between CFA and kaolinite. In
conclusion, 40–60% CFA/
1,
300
°C
porous ceramics presents both of high mechanical strength and slightly
decreasing high porosity properties, which verifies the feasibility of recycling waste CFA as a high
vaue-added porous ceramics.
Keywords: Coal fly ash; Template method; Porous ceramics; Porosity; Compressive strength
1. 前言
多孔陶瓷係利用改良部分傳統陶瓷之製程、材料來完成 具有多孔洞之陶瓷。由於多孔陶瓷基材具有耐高溫、穩定 性好、熱傳導率小等優點，加上高孔隙孔洞而具有較高之 比表面積特殊性，故發展作為吸附、分離、過濾等用途。 探討多孔陶瓷之製成材料主要有:骨材（aggregate）、黏理工學院優秀專題競賽論文
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結劑（binder）及造孔劑（pore-forming agent）三種。骨材為 多孔陶瓷之骨架，主要成分是 Si、Al；黏結劑是用來黏結 骨材之間以利成型之材料；常用的材料有高嶺土、聚乙烯 醇(PVA)、玻璃粉等；造孔劑顧名思義是使其可形成孔洞 或可在高溫下消失之物質，常用的材料有纖維素、澱粉、 碳粉等[1]。 目前絕大部分製成多孔陶瓷使用之物料為高純度原物 料，此原因係為了掌控成品的性質及構造。本研究選擇以 燃煤飛灰為原料來製成多孔陶瓷的考量有：其一是根據美 國能源資訊署資料顯示，2009 年台灣燃煤消耗量為 66.240 百萬公噸[2]，而目前國內燃煤飛灰之再利用途徑多作為混 凝土的添加料，故亦有再開發新穎之應用領域，其二燃煤 飛灰的主要成分是 SiO2及 Al2O3，且 Si、Al 的比例與多孔陶 瓷常用的主體原料–堇青石相似。 本研究製成多孔陶瓷的方法主要是參考模板法，以泡綿 及海綿作為主體，考量原料之特性，故最高燒成溫度採1,200 °C 與1,300 °C。
2. 文獻探討
在國內相關研究中，吳晴雯(2007)研究以不同粒徑之碳 化矽、高嶺土與聚乙烯醇缩丁醛(PVB)製成多孔陶瓷，燒 成溫度為 1,300 °C，分析項目有熱傳導值、孔隙率、體密度 及抗壓強度[3]。 在國外相關研究中，Silva et al. (2009)研究以模板法製 成多孔陶瓷結構樣品，利用植物纖維海綿為模板，漿料由 黏土、沙及鉀長石混合浸泡而成，探討纖維素完全分解之溫 度，根據線性收縮可得到最佳的溫度 1,175 °C，燒成時間為 120 分鐘，經過 XRD 分析後發現，燒結晶體像類似堇青石 與莫來石[4]。而 Sokolar et al. (2010)研究以壓模成型來製成 多 孔 結 構 樣 品 ， 使 用 的 原 料 有 燃 煤 飛 灰 (70%) 及 黏 土 (30%)，控制燒成溫度在 1,000–1,150 °C，由結果得知，燃 煤飛灰粒徑大小會影響孔隙率的高低[5]。 綜合評估上述之研究及過去之研究成果製成多孔陶 瓷，並根據原料之特性，使用高嶺土來配合成型及燒製程 序，再運用助熔劑改變燒製過程中熔融之現象。3. 研究方法
3.1 燃煤飛灰之基本性質分析
取汽電共生廠之燃煤飛灰攜回實驗室後，先進行 105 ± 1 °C 烘乾、破碎、過篩、充份混合等前處理。 燃煤飛灰基本性質分析依據環保署標準檢測方法，包 括：pH 值（NIEA R208.04C）、毒性特性溶出程序（TCLP， NIEA R201.14C）。3.2 多孔陶瓷樣品之製作過程
多孔陶瓷樣品以 20、40、60、80%等不同比例之燃煤 飛灰及高嶺土混合，倒入 PE 瓶中，添加試劑水及有機粘合 劑(聚乙烯醇，PVA)並充分攪拌，再經球磨數個小時完成所 需之漿料。再以真空之方式灌注泡綿及海綿前驅體，取出 樣品並陰乾，用高溫爐以 1 °C/min 之升溫速率進行高溫燒 成至 1,200 °C及 1,300 °C。3.3 多孔陶瓷樣品之試驗
參考中華民國國家標準 CNS 619/R3013 耐火磚吸水 率、孔隙率及體密度試驗法對多孔陶瓷試體燒成特性分 析，主要試驗的項目有吸水率、孔隙率、體密度及抗壓強度。4. 結果與討論
4.1 探討燃煤飛灰之基本性質
如表 1，燃煤飛灰 pH 值為 7.78 ± 0.31，為中性偏鹼之廢 棄物。另外，經由毒性特性溶出程序（TCLP）檢測燃煤飛 灰的重金屬溶出濃度，發現重金屬所溶出的濃度皆低於法規 標準，且 Cd、Cr、Cu、Pb 均為 ND，只有 Zn 溶出 0.31 ± 0.14 mg/L，故燃煤飛灰屬於無害物質，有再利用之價值。 表 1 燃煤飛灰重金屬之 TCLP 檢測結果 燃煤飛灰 法規限制 pH 7.78 ± 0.31 2.0-12.5 Cd (mg/L) ND < 1.0 Cr (mg/L) ND < 5.0 Cu (mg/L) ND < 15.0 Pb (mg/L) ND < 5.0 Zn (mg/L) 0.31 ± 0.14 < 25* *：舊有標準，ND：未檢測出理工學院優秀專題競賽論文 3
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4.2 燒成多孔陶瓷之特性試驗與分析
表 2 為燒成多孔陶瓷樣品之各項性質（吸水率、孔隙率、 體密度及抗壓強度）測定結果。 表 2 多孔陶瓷樣品之各項試驗數據 由圖 1 可知，泡綿多孔陶瓷的吸水率低於海綿多孔陶 瓷，應係泡綿原本的孔洞比海綿小，故吸水率亦較低，另 外，1,200 °C所燒成之兩種多孔陶瓷吸水率皆高於 1,300 °C 所燒成，係因 1,300 °C具有較高含量的玻璃物質之故。 圖 1 不同燃煤飛灰比例所燒成之多孔陶瓷的吸水率(M 為泡 綿，P 為海綿) 以泡綿所燒成之多孔陶瓷，如果燃煤飛灰比例增加， 不論 1,200 °C或 1,300 °C，吸水率呈現之曲線均是先微降再 上升，推估是燃煤飛灰原料和高嶺土原料顆粒之比重不同 的緣故。此外，以海綿所燒成的多孔陶瓷，若燃煤飛灰比例 增加，不論是 1,200 °C或 1,300 °C，吸水率皆呈持續下降之 現象，推估是燃煤飛灰裡含有 Na、K、Mg、Ca 等助熔劑， 故燃煤飛灰比例提高會使 SiO2提早玻璃化，而降低吸水 率。 由圖 2 可知，泡綿多孔陶瓷之孔隙率低於海綿多孔陶 瓷，推估為泡綿原先的孔洞較海綿小之關係，且 1,300 °C多 孔陶瓷之玻璃物質比例較 1,200 °C多，為孔隙率下降之重要 原因。 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 0 20 40 60 80 P or os it y P-1200 P-1300 M-1200 M-1300Coal fly ash (%) 燃煤飛灰 (％) 孔隙率 燃煤飛灰(%) (% ) 圖 2 不同燃煤飛灰比例所燒成之多孔陶瓷的孔隙率(M 為泡 綿，P 為海綿) 以溫度 1,200 °C及 1,300 °C所燒成的泡綿多孔陶瓷， 燃煤飛灰比例由 20%提升至 80%，孔隙率均先微降再上 升，推估與燃煤飛灰原料及高嶺土原料顆粒比重差異有 關。此外，以溫度 1,200 °C及 1,300 °C所燒成之海綿多孔 陶瓷，燃煤飛灰比例由 20%提升至 80%，孔隙率皆持續下 降，推估燃煤飛灰比例增加，會促進熔融反應而提早玻璃 化。 由圖 3 可知，泡綿多孔陶瓷之體密度低於海綿多孔陶 瓷，且 1,300 °C 所燒成之多孔陶瓷之體密度皆高於 1,200 °C 燒成之試體。 圖 3 不同燃煤飛灰比例所燒成之多孔陶瓷的體密度(M 為泡 綿，P 為海綿) 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0 20 40 60 80 S pec if ic w e igh t P-1200 P-1300 M-1200M-1300
Coal fly ash (%) 燃煤飛灰 (％) 體密度 (g/ cm 3) 燃煤飛灰(%) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 0 20 40 60 80 W a te r a b so rp ti o n
Coal fly ash (%)
P-1200 P-1300 M-1200 M-1300 吸水率 燃煤飛灰 (％) 燃煤飛灰(%) ( % )
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以泡綿所燒成之多孔陶瓷，在 1,200 °C 或 1,300 °C 下，若燃煤飛灰由 20%提升至 80%，體密度均先微升再下 降，推估高嶺土原料顆粒比重較燃煤飛灰小，故燃煤飛灰 比例增加，泡綿內部之漿料以高嶺土為主；此外，以海綿所 燒成之多孔陶瓷，若燃煤飛灰由 20%提升至 80%，體密度 皆持續上升，推估玻璃化反應會使體密度提高。 由圖 4 大致上可知，泡綿多孔陶瓷的抗壓強度高於海綿 多孔陶瓷，且 1,300 °C 所燒成之多孔陶瓷之抗壓強度大於 1,200 °C之多孔陶瓷。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 20 40 60 80 C om pr es si ve st re ng th (M P a) P-1200 P-1300 M-1200 M-1300Coal fly ash (%) 燃煤飛灰 (％) 抗壓強度 (MPa ) 圖 4 不同燃煤飛灰比例所燒成之多孔陶瓷的抗壓強度(M 為 泡綿，P 為海綿) 以溫度 1,200 °C及 1,300 °C所燒成之泡綿多孔陶瓷， 燃煤飛灰比例由 20%提升至 80%，抗壓強度皆微升再下 降，與體密度相同。此外，以溫度 1,200 °C及 1,300 °C所 燒成的海綿多孔陶瓷，燃煤飛灰比例由 20%提升至 80%， 抗壓強度皆持續上升，顯示高比例有助於多孔陶瓷之抗壓 強度。
5. 結論與建議
(1) 最高燒成溫度分別為 1,200 °C和 1,300 °C，燃煤飛灰 比例在 20-80%下，以泡綿及海綿為主體，進行模板法 所製成之多孔陶瓷，結果顯示可成功製成出開孔性之 多孔陶瓷。 (2) 燃煤飛灰原料屬於熟料，比重較重易沉降，而高嶺土原 料屬於生料，比重輕易維持懸浮狀態，故燃煤飛灰比例 高於 60%，則燃煤飛灰漿料將不易進入泡綿內部，故泡 綿內部漿料以高嶺土為主。 (3) 泡綿多孔陶瓷不論 1200 °C或是 1300 °C：吸水率之曲 線及孔隙率的曲線均為呈現微降再上升之現象。體密 度之曲線與抗壓強度之曲線皆為呈現持續下降之趨勢。 (4) 海綿多孔陶瓷不論 1200 °C或是 1300 °C：吸水率之曲 線及孔隙率曲線均為呈現微升再下降之趨勢。體密度 曲線與抗壓強度曲線皆呈現持續上升之現象。 (5) 由(3)、(4)可得：製成之泡綿及海綿多孔陶瓷之吸水率、 孔隙率與體密度、抗壓強度均呈反向之關係。 (6) 未來若有研究多孔陶瓷應用之用途，可參考本研究所測 定之各項性質。誌謝
本專題研究曾獲國科會專題研究計畫之經費補助，計畫 編號為： NSC 98-2221-E-239-005。研究期間感謝系上老師、 學長姐及材料系師長儀器設備之協助與幫忙，特表致謝。參考文獻
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