理工學院優秀專題競賽論文
1
採用不同前處理對拋光石英磚污泥回用之燒成性質分析研究
Firing property analyses of recycling polished porcelain tile sludge using
different pretreatment methods
*簡雅平 劉昌旻 國立聯合大學環境與安全衛生工程學系
摘要
本研究以某一具代表性瓷磚廠之拋光石英磚研磨污泥為對象，進行回用製成瓷質地磚/面磚，探討再利用可 行性。研究共分三階段：第一階段為研磨污泥之物化性質分析；第二階段分別製備原始污泥(OS)、過篩/超音波 (US)污泥、過篩/超音波/臭氧(OZS)污泥三種，在10%及30%回用率下與石英磚原料(CS0)混合製成石英磚坏體； 第三階段為坏體燒成及樣品性質測定。結果顯示，US及OZS燒成樣品之性質分析及可燒成溫度範圍較OS佳，皆 可達CNS瓷質地磚及面磚標準。此外，30%回用率因污泥添加比例較10%高，成品性質不如10%，故建議未來可 採US及OZS進行實廠回用測試，OS則可利用其易膨脹特性發展輕質骨材或瓷磚。 關鍵字：石英磚污泥、回用、抗折強度、吸水率、瓷磚Abstract
A polished porcelain tile (PPT) sludge sampled from a representative tile factory was recycled as a raw material for the feasibility study of producing ground and wall tiles. Three phases in this research were carried out as follows: the first phase was physico-chemical property analysis of PPT sludge; the second phase was preparation of three kinds of sludge: original sludge (OS), screening/ultrasounding sludge (US), and screening/ultrasounding/ozonation sludge (OZS), and then mixed with ceramic stuff (as CS0) to fabricate green body; the third phase was firing green body and measurement of product properties. The results show that product property and firing temperature range of US- and OZS-tiles were better than those of OS-tile and passed the CNS criteria for ground and wall tiles. Furthermore, product property of 30% sludge was worse than that of 10% sludge. In conclusion, a practical recycling of US and OZS as tiles in tile factory and creating new methods for recycling OS as lightweight aggregate or tile are suggested.
Keywords: Porcelain tile sludge; Recycle; Flexural strength; Water absorption; Tile
1.前言
研磨拋光石英磚高溫燒成後之磚面能使其平整。研磨 過程中形成之磚坏粉屑及研磨片之SiC顆粒，最後匯流至污 水處理廠，經混凝、脫水等程序，所產生之污泥即拋光石英 磚研磨污泥。因研磨污泥成分複雜，且高居國內無機性污泥 非公告回收或再利用一般事業廢棄物之首（事業廢棄物管制 資訊網，2010），目前僅能堆置於廠內或供作回填土和棄置 掩埋場，實為資源、空間之浪費及污染環境。本篇將針對拋2 光石英磚研磨污泥，進行不同的前處理及回用率試驗製磚， 評估回用研磨污泥製成瓷質地磚/壁磚之可行性，以作為該 廠及國內瓷磚廠回用研磨污泥之參考。
2.文獻探討
瓷質磚（porcelain tile）係陶質、石質、瓷質三者中燒 成溫度最高、結構最緻密且吸水率最低者，其原料組成中石 英砂（SiO2）逾60 wt.% （Vieira and Monteiro, 2007），故 亦俗稱「石英磚」，溫度方面，依不同燒成溫度亦會影響石 英磚之燒成品質（Martín- Márquez et al., 2008）。在瓷磚污 泥相關研究方面，(Holanda等人，2010)採用石質廢料取代原 料中之長石，亦有學者對石英磚研磨污泥進行回收再利用於 多孔陶瓷之研究(Bernardin et al., 2006)；本研究團隊（張坤 森等人，2009）亦曾針對拋光石英磚研磨污 泥熟料回用製成 拋光石英磚及其性質進行分析研究。3.研究方法
3.1 研磨污泥之採樣及其物化性質分析 將所採集研磨污泥之基本性質分析包含廢棄物之氫離 子濃度指數（NIEA R208.04C）、比導電度、晶相分析（XRD） 及顯微結構/成分分析（SEM/EDS）。 3.2 石英磚研磨污泥之粒徑分析 取出適量之污泥樣品以攪拌機將污泥均勻分散於水溶 液中，利用雷射粒徑分析儀（Microtrac S3500）分析，比較 磚坯污泥及碳化矽顆粒之粒徑範圍及分佈趨勢。 3.3 製備回用之研磨污泥 製備回用研磨污泥區分為三：一為未採取任何處理之 原始研磨污泥（original sludge, OS），二為經超音波震盪及 過篩處理之污泥（ultrasounding sludge, US），三為經超音波 震盪、過篩和臭氧處理之污泥(ozonation sludge, OZS)後兩者 係採用濕過篩處理，最後再以烘乾、破碎，製備回用之研磨 污泥。 3.4 製備不同污泥回用率之石英磚坯體 分別取適量已製備之回用研磨污泥，其後於10%、30% 之污泥回用率下與石英磚原料充分混合，其代號分別為 OS10、US10、OZS10、OS30、US30及OZS30之六種實驗樣 品。其後製備5 × 10 cm之石英磚坯體，為利於比較回用之成 效，本研究亦製備無污泥之瓷質地磚/壁磚原料（ceramic stuff, CS0），且樣品數均採三重覆。 3.5 不同溫度燒成石英磚樣品及性質測定 將成型之坯體置入高溫爐，分別進行 10 種不同溫度之 燒成（1,070–1,160 °C），升溫曲線依照瓷磚廠燒成條件並 適度延長時間及配方特性做燒成。性質分析之試驗方法參照 中華民國國家標準之「陶瓷面磚檢驗法（CNS 3299）」，項 目包括線收縮率、抗折強度、吸水率。4.研究結果與討論
4.1 石英磚研磨污泥之物化性質分析
1. pH值及比導電度 研磨污泥之氫離子濃度指數（pH）及比導電度之分析 結果：pH值為8.3 ± 0.1，比導電度為32.8 ± 0.1 ms/cm，污泥 略偏鹼性且電解質含量高，顯示其中含大量易解離之離子。 2. 污泥之晶相分析及成分分析 研磨污泥XRD之晶相分析結果見圖1。得知研磨污泥為 熟料污泥。相關文獻指出，過高的熟料污泥含量，易導致以 含量石英相結晶礦物為主的無機污泥之燒結樣品表面析出 玻璃結晶及易造成樣品內部膨脹使產品性能降低（Torres et al., 2004；張坤森等人，2009）。 圖1 拋光石英磚研磨污泥之XRD分析3
另以 SEM/EDS 之顯微成分分析見表 1。顯示 其最主要 成分為 Si、Al，原料中雖未含 Cl、S，但 OS 中 Cl、S 及 SiC 顆 粒 已 顯 著 存 在 ， 究 其 因 係 研 磨 片 為 氯 氧 鎂 水泥 （xMgO·yMgCl2·zH2O）黏附 SiC 顆粒，並含微量之 S 成分，
且研磨污泥被研磨過程中磨耗之 Mg、Cl、S 等掺入，導致 研磨污泥回用於高溫燒成時易產生膨脹現象；SiC 膨脹機制 為：SiC + 2O2 → SiO2 + CO2（Bernardin et al., 2006）。另檢
視經前處理後之污泥可除去研磨污泥中之 Cl、 S 及 SiC 等 成分（張坤森等人，2007），且經前處理污泥之成分與原料 相似，便可減少研磨污泥回用燒成之膨脹現象，有利於熟料 之回用。 表1 不同處理污泥之SEM/EDS顯微成分分析 CS0 OS US OZS
Element Weight (%) Weight (%) Weight (%) Weight (%)
C 7.47 2.85–5.88 2.81–5.46 2.52–6.07 Na 0.82–1.03 1.04–1.39 1.02–1.73 1.07–1.33 Mg 0.64–0.79 0.66–0.82 0.51–0.89 0.66–0.75 Al 4.46–5.99 3.87–5.41 4.59–6.75 4.21–5.18 Si 15.02–19.06 16.32–20.38 18.36–26.88 16.88–19.81 S ND 0.35–0.54 ND ND Cl ND 0.10–0.28 ND ND K 0.98–1.26 0.71–1.01 0.77–1.17 0.67–0.80 Ca 0.37–0.54 0.48–1.00 0.40–0.50 0.33–0.43 Sr 1.30–1.14 ND 1.85 ND Fe 0.96 ND ND ND Zr 0.73–1.03 ND 0.88–1.39 0.91 O 22.45–48.72 23.69–30.36 30.19–53.96 25.41–44.63 圖 2 研磨污泥之粒徑分佈及累積圖
4.2 石英磚研磨污泥之粒徑分析
雷射粒徑分析儀分析研磨污泥結果見圖 2。顯示 研磨污 泥出現雙峰且夾雜碳化矽等顆粒之現象，且研磨污泥粒徑範 圍介於 1–700 μm，左方主峰主要粒徑（＞ 2.5% channel）範 圍為 4–60 μm，推測以石英磚燒成坯體之研磨污泥為主；右 方主峰主要粒徑範圍介於 100–700 μm 之間，故推測以碳化 矽顆粒為主。欲減少污泥回用燒成之膨脹現象，可用過篩之 前處理，將有效分離大部分之碳化矽顆粒。4.3 燒成石英磚樣品之性質測定
1. 線收縮率 表2為燒成石英磚樣品線收縮率測定。由表得知，相對 於其他燒成樣品，CS0樣品之線收縮率較穩定約8–9 %，溫 度範圍介於1,130–1,160°C。大多數樣品之線收縮率較原料為 高，推測應係用噴霧造粒的原料在顆粒粒度、均勻度與本實 驗手工造粒有所差異。不同前處理燒成樣品之線收縮率較穩 定之溫度範圍約略如下：（1）OS10樣品：1,100–1,130 °C， （2）US10樣品：1,090–1,130 °C，(3) OZS10樣品: 1,090–1,130 °C。推測因10%污泥添加量不多，故差異不明顯。另外，石 英相含量隨污泥回用比例增加也相對提高，導致燒成溫度下 降約10–30 °C。 此外，在不同前處理之回用30%污泥燒成樣品下，經前 處理程序較OS直接回用佳，且線收縮率值較穩定，歸納最 佳回用燒成溫度範圍如下：（1）OS30樣品：1,070–1,090 °C， （2）US30樣品：1,080–1,100 °C，(3) OZS30樣品: 1,080–1,100 °C。 表 2 燒成石英磚樣品線收縮率測定 溫度（°C） CS 0 OS 10 US 10 OZS 10 OS 30 US 30 OZS 30 1,160 8.80 5.54 6.11 6.04 － － － 1,150 8.92 7.10 7.37 7.27 － － － 1,140 9.00 7.88 8.36 7.79 － － － 1,130 8.95 8.57 9.05 8.32 － － － 1,120 7.81 9.44 10.18 9.22 1.00 5.43 3.65 1,110 6.21 9.89 10.35 9.76 4.19 8.92 5.87 1,100 4.93 8.20 10.34 9.60 6.45 10.88 10.11 1,090 4.24 7.82 9.11 8.21 8.61 10.21 10.56 1,080 － － － － 8.79 9.19 9.43 1,070 － － － － 8.21 7.27 8.744 2. 吸水率 石英磚樣品之吸水率見表 3。可知 CS0 因無添加研磨 污泥，故熟成溫度較其他有添加研磨污泥之試樣為高，石英 含量隨著污泥回用率增加而增加，進而表面發生玻璃化現象 使吸水率降低，隨後使試樣快速膨脹，導致吸水率又略為升 高。依據我國 CNS 規範，吸水率宜以非拋光之石英磚吸水 率（＜1.0%）為基準，較佳吸水率之溫度為：（1）OS10 樣 品：1,120–1,160 °C，（2）US10/ OZS10 樣品：1,110–1,160 °C， (3)OS30/ US30/ OZS30 樣品：1,090–1,120 °C。
表 3 燒成石英磚樣品之吸水率測定
溫度（°C） CS0 OS10 US10 OZS10 OS30 US30 OZS30 1,160 0.0347 0.0826 0.1023 0.0927 － － － 1,150 0.0361 0.0487 0.0564 0.0333 － － － 1,140 0.3318 0.0432 0.0328 0.0311 － － － 1,130 1.0897 0.0921 0.0078 0.0349 － － － 1,120 2.3438 0.2605 0.0334 0.0532 0.3827 0.1563 0.2357 1,110 3.6547 1.3294 0.1173 0.0555 0.3786 0.4226 0.2530 1,100 6.6938 4.6143 1.6431 1.6244 0.6716 0.8346 0.8621 1,090 6.8651 5.1325 3.0012 2.9562 0.9967 0.9793 0.9770 1,080 － － － － 2.7151 3.5208 2.0877 1,070 － － － － 5.3023 7.8111 5.8891 3. 抗折強度 石英磚樣品之三點抗折試驗見圖3。可知CS0因無添加 污泥，絕大多數抗折強度均較OS、US及OZS測值高，尤以 高溫燒成可獲最佳抗折強度。 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 1080 1090 1100 1110 1120 1130 1140 1150 1160 1170
Firing temperature (°C)
CS0 OS10 US10 OZS10
F le xu r al s tr e n gth (k gf/ c m 2) 100 150 200 250 300 350 1060 1070 1080 1090 1100 1110 1120 1130
Firing temperature (°C)
OS30 US30 OZS30
F le xu r al s tr e n gth (k gf/ c m 2) 圖 3 不同前處理之燒成樣品抗折強度 (a) CS0 及回用 10% 樣品 (b) 回用 30%樣品 在回用研磨污泥之樣品方面，因所含污泥已為熟料， 故樣品之抗折強度並不如CS0佳。若以 CNS 9740「瓷質地磚」 之抗折強度為參考標準（> 326.4 kgf/cm2），欲達此標準之 燒成樣品範圍如下：（1）US10樣品：1,110–1,140 °C，（2） OZS10樣品：1,090–1,130 °C。隨污泥比例增加至30%，所呈 現出抗折強度為下降趨勢，推估原因為成分中石英增加導致 試樣性能明顯降低，雖不及10%優越達到瓷質地磚之標準， 但於1,090–1,100 °C燒成溫度範圍之樣品皆可符合CNS 9742 「瓷質壁磚」之抗折強度標準（> 183.6 kgf/cm²）。
5.結果與建議
1. 研磨污泥基本性質分析：pH值為8.3 ± 0.1，比導電度為 32.8 ± 0.1 ms/cm，為屬略偏鹼性物質且電解質含量高。 粒徑方面，磚坯污泥主要粒徑集中於4–60 μm；研磨片掉 落之較大碳化矽顆粒主要粒徑介於100 –700 μm。 2. 不同條件下燒成石英磚樣品之試驗結果，原料樣品因無 研磨污泥之熟料，故燒成溫度較回用污泥樣品為高；相 對地，污泥中因石英相熟料增加，故燒成溫度明顯較原 料樣品為低。 3. 經前處理研磨污泥回用結果，考慮試樣膨脹及CNS規 範，最佳燒成範圍如下：US10/ OZS10樣品：1,110–1,130 °C、US30 /OZS30樣品：1,090–1,100 °C。且可分別達到 CNS瓷質地磚及瓷質面磚標準。OS樣品因較適燒成溫度 範圍狹窄且高溫燒成已明顯有膨脹現象，故不宜直接回 用污泥。 4. 本研究將以目前研究成果為基礎，繼續探討如何擴大最(b)
(a)
5 適燒成溫度範圍，以利實廠之再利用。亦可運用研磨污 泥高溫易膨脹特性發展輕質骨材，達到產製兼具節能減 碳及資源再利用之綠色環保產品之目的。
誌謝
本計畫獲經濟部之經費補助，計畫編號為：MOEA 98- EC-17-A-08-S1-118。感謝本計畫合作之瓷磚廠、系上老師、 學長姐及材料系師長等之大力協助。參考文獻
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