過度使用化石燃料除了造成環境污染亦面臨能源危機，促使再生能源發展趨勢。若能妥善處理隨著木顆粒燃料使用量增加所衍生之大量生質廢棄物，將能降低環境潛在威脅，提高木顆粒燃料生質能源之優勢。本研究取高溫燃燒後的生質燃料灰渣，利用其高含量矽鋁成分的特性，探討以水熱反應法合成沸石之可行性，接著由重金屬吸附實驗評估作為吸附劑使用之成效並與市售沸石進行比較。沸石因本身之表面結構與離子交換之特性可作為良好材料載體，本研究為達成生質廢棄物資源高值化再利用之目的，以含浸法將金屬搭載於沸石載體合成抗菌材，並進行水質大腸桿菌群檢測實驗分析沸石抗菌材之成效。將灰渣混和不同礦化劑於微波反應器進行水熱反應，經XRD與ESEM分析顯示不同礦化劑會影響合成沸石種類；不同固液比、時間與溫度則會影響沸石產物之晶型與繞射峰強度。於溫度240℃及時間4小時下，當灰渣與礦化劑氫氧化鈉、液固比(mL/g)為20可合成方沸石；當礦化劑改為矽酸鈉、液固比(mL/g)為10亦合成方沸石，若上升至20則產生Y型沸石。經過一天重金屬(25mg/L)吸附試驗顯示除了Ni，合成方沸石與Y型沸石對於其餘四種金屬(Cd、Cr、Cu與Pb)去除率皆來到100%，對於Ni之吸附量(mg/g)為2.36(合成Y型沸石)＞2.17 (合成方沸石)。市售沸石僅對於Pb有吸附效果，金屬吸附能力依序為合成Y型沸石＞合成方沸石＞市售沸石。本研究後續取合成方沸石為載體，分別添加金屬溶液Zn、Cu與Ag進行含浸反應。抗菌實驗，添加不同濃度(0.5、1與3 wt.％)顯示抗菌效率隨含浸金屬濃度增加而上升。原水中的大腸桿菌群密度為4.3×106 (CFU/100mL)，在3 wt.％下不同金屬(Zn、Cu與Ag)抗菌效能分別為95.7％、98.0％、99.999％，其單位去除量(106CFU/g)依序為Ag-Zeolite(4.30)效果最佳＞Cu-Zeolite(4.22)＞Zn-Zeolite(4.12)，此與金屬毒性排序相符。綜合以上，將生質廢棄物資源化合成沸石應用並加以高值化改質抗菌材皆應具有良好效果，系可開發為新型資源化之技術途徑。

Excessive using of fossil fuels lead to environmental pollution and promote renewable energy trends. In this study, the feasibility of the synthesis of zeolite by hydrothermal reaction was discussed by using the wood pellet fuel ash after high-temperature combustion, and then the effect of adsorbent was evaluated by heavy metal adsorption experiment. Zeolite can be used as a good material carrier because of its characteristics of surface structure and ion exchange. In order to achieve the high utilization of biomass waste resources, the zeolite is impregnated with metal to synthesize antibacterial material, and the effect of zeolite antimicrobial material was analyzed by the experiment of Escherichia coli. The results show that different mineralizers can affect the type of zeolite by XRD and ESEM. Different solid-liquid ratio, time and temperature will affect the zeolite product crystal and diffraction peak intensity. At a temperature 240 ° C and a time 4 hours, the zeolite analcime (ANA) can be synthesized when the ash and mineralizer (NaOH) liquid to solid ratio (mL / g) is 20. When the mineralizer is changed to sodium silicate, the ratio (mL / g) is 10 can also synthesize synthetic ANA and if it rises to 20, Y zeolite is produced. The adsorption of heavy metals (25 mg / L) for one day showed that the removal rates of the metals were 100%, except for Ni, and the adsorption amount of zeolite ( mg/ g) was 2.36 (synthetic Y zeolite)> 2.17 (ANA). The result shows that metal adsorption capacity is Synthesis of Y zeolite> Synthetic of ANA > Commercially available zeolite. In this study, the ANA was used as the carrier, and the metal solution Zn, Cu and Ag were added to the impregnation reaction. Adding different concentrations (0.5,1 and 3 wt.%) in antibacterial experiments showed that the antibacterial efficiency increased with the concentration of impregnated metal. The content of Escherichia coli in raw water was 4.3 x 106 (CFU / 100 mL). The antimicrobial efficiencies of different metals (Zn, Cu and Ag) were 95.7%, 98.0% and 99.999% respectively at 3 wt.%. The unit removal (106CFU / g) was Ag-Zeolite (4.30) >Cu-Zeolite (4.22)> Zn-Zeolite (4.12), which is consistent with the metal toxicity.Above of all, The synthesis of zeolite from biomass waste and the modification of antimicrobial materials can be developed as a new way of resource utilization. recycle technology.

目錄
論文審定書 i
誌謝 iii
中文摘要 iv
英文摘要 v
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xii
一、前言 1
1-1 研究緣起 1
1-2 研究目的 2
二、文獻回顧 4
2-1 能源危機 4
2-2 木顆粒生質燃料介紹 8
2-3 全球木顆粒發展現況 9
2-4 一般焚化灰渣處理 11
2-5 無機聚合材料 13
2-5-1 無機聚合材料形成條件 15
2-5-2 鋁矽酸鹽材料 15
2-5-3 鹼性溶液 16
2-5-4 鹼金屬矽酸鹽溶液 17
2-5-5 鹼金屬鋁酸鹽溶液 17
2-6 沸石簡介 17
2-6-1合成沸石 19
2-6-2矽與鋁之來源 19
2-6-3沸石生成機制 20
2-6-4影響沸石合成之因素 23
2-7水熱合成反應 24
2-7-1水熱反應原理 24
2-7-2影響水熱法反應的因素 25
2-7-3礦化劑作用 26
2-8 無機抗菌材 27
2-8-1 無機抗菌材應用 27
2-8-2 無機抗菌材機制 28
2-8-3 無機抗菌材製備 29
三、研究方法與材料 30
3-1 研究流程 30
3-2 分析方法與材料設備 35
3-2-1 儀器設備 35
3-2-2 實驗藥品耗材 36
3-2-3 分析方法 36
3-2-4 前處理 37
3-2-5 氫離子濃度測定 37
3-2-6 金屬組成分析 38
3-2-7 雷射粒徑分析儀 38
3-2-8 環境掃描電子顯微鏡 39
3-2-9 X光粉末繞射儀 39
3-2-10 比表面積分析儀 41
3-2-11 元素分析儀 41
3-2-12 水熱合成反應法 42
四、結果與討論 43
4-1 氫離子濃度測定 43
4-2 雷射粒徑分析 43
4-3 化學成分分析 44
4-4 X光繞射分析 47
4-5 環境掃描電子顯微鏡表面形態觀察 48
4-6 元素分析 49
4-7 比表面積分析 50
4-8 水熱反應法合成沸石 50
4-8-1 灰渣氫氧化鈉矽鋁溶出 50
4-8-2 水熱合成反應參數 50
4-9 合成沸石性質分析 52
4-9-1 以矽酸鈉溶液為礦化劑 52
4-9-2 以氫氧化鈉溶液為礦化劑 65
4-9-3 合成沸石比表面積分析 78
4-10 重金金屬吸附實驗 79
4-10-1 灰渣水熱合成方沸石 79
4-10-2 灰渣水熱合成Y型沸石 82
4-10-3 市售沸石 85
4-10-4 沸石金屬吸附比較 87
4-11水質大腸桿菌群檢測-沸石抗菌材 88
4-12成本分析與評估 92
五、結論與建議 96
5-1結論 96
5-2建議 97
參考文獻 99

 
圖目錄
圖2-1近年台灣國內能源消費(按部門別)圖 5
圖2-2近年台灣國內能源供給(按能源別)圖 5
圖2-3 105年台灣國內能源消費量(按能源別)圖 6
圖2-4 105年台灣國內能源供給量(按能源別)圖 6
圖2-5全球木顆粒燃料產量變化(百萬噸) 11
圖2-6典型灰渣熔融處理流程圖 12
圖2-7 熔渣資源化處理之用途 13
圖2-8不同聚合程度之無機聚合材料應用範圍 14
圖2-9矽氧與鋁氧四面體之結構 18
圖2-10合成沸石涉及液相轉換機制 21
圖2-11合成沸石涉及固相轉變機制 22
圖2-12 pH 對合成絲光沸石(mordenite)結晶速率的影響 24
圖2-13溶液中矽氧化物與 pH值之關係圖 27
圖3-1研究架構圖 30
圖3-2製備沸石流程 32
圖3-3重金屬吸附實驗 32
圖3-4抗菌材製備流程圖 33
圖3-5水樣大腸桿菌群實驗流程 34
圖3-6 刀磨機 37
圖3-7 pH測定儀 37
圖3-8 感應耦合電漿放射光譜儀 38
圖3-9 雷射粒徑分析儀 38
圖3-10 環境掃描式電子顯微鏡 39
圖3-11 X光粉末繞射儀 40
圖3-12 比表面積分析儀 41
圖3-13元素分析儀 42
圖3-14微波消化反應器 42
圖4-1木顆粒燃料灰渣粒徑分佈圖 44
圖4-2木顆粒燃料灰渣(38-250 µm) XRD圖 46
圖4-3木顆粒燃料灰渣(< 38µm) XRD圖 47
圖4-4木顆粒燃料灰渣表面形態觀察 48
圖4-5礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，液固比(10：1)，不同溫度之XRD圖 58
圖4-6礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，液固比(15：1)，不同溫度之XRD圖 56
圖4-7礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，液固比(20：1)，不同溫度之XRD圖 57
圖4-8礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，液固比(10：1)，不同溫度之SEM圖 58
圖4-9礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，液固比(15：1)，不同溫度之SEM圖 59
圖4-10礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，液固比(20：1)，不同溫度之SEM圖 60
圖4-11礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，溫度180℃，不同液固比之XRD圖 61
圖4-12礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，溫度200℃，不同液固比之XRD圖 62
圖4-13礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，溫度220℃，不同液固比之XRD圖 63
圖4-14礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，溫度240℃，時間4hr，液固比(1：20)之XRD圖 64
圖4-15礦化劑為Na2Si3O7 ∙3H2O，溫度240℃，時間4hr，液固比(1：20)之SEM圖 64
圖4-16 礦化劑為NaOH，液固比(10：1)，不同溫度之XRD圖 68
圖4-17 礦化劑為NaOH，液固比(15：1)，不同溫度之XRD圖 69
圖4-18 礦化劑為NaOH，液固比(20：1)，不同溫度之XRD圖 70
圖4-19 礦化劑為NaOH，液固比(10：1)，不同反應溫度下之SEM圖 71
圖4-20 礦化劑為NaOH，液固比(15：1)，不同反應溫度下之SEM圖 72
圖4-21 礦化劑為NaOH，液固比(20：1)，不同反應溫度下之SEM圖 72
圖4-22 礦化劑為NaOH，溫度180℃，不同液固比之XRD圖 73
圖4-23 礦化劑為NaOH，溫度200℃，不同液固比之XRD圖 .74
圖4-24 礦化劑為NaOH，溫度220℃，不同液固比之XRD圖 .74
圖4-25 礦化劑為NaOH，溫度240℃，時間4hr，不同液固比之XRD圖 .75
圖4-26 礦化劑為NaOH，溫度240℃，時間4hr，不同液固比之SEM圖 .77
圖4-27 合成方沸石之金屬吸附能力 80
圖4-28 合成方沸石吸附(10 mg/L)金屬之濃度變化 81
圖4-29 合成方沸石吸附( 25 mg/L)金屬之濃度變化 81
圖4-30 合成Y型沸石之金屬吸附能力 83
圖4-31 合成Y型沸石吸附( 10 mg/L)之金屬濃度變化 84
圖4-32 合成Y型沸石吸附( 25 mg/L)之金屬濃度變化 84
圖4-33 市售沸石之金屬吸附能力 86
圖4-34 市售沸石吸附(10 mg/L)之金屬濃度變化 86
圖4-35 市售沸石吸附(25 mg/L)之金屬濃度變化 87
圖4-36 沸石在25mg/L濃度之金屬吸附能力比較 88


表目錄
表2-1 IUPAC 孔洞大小分類 18
表3-1 抗菌材料含浸金屬溶液之配製 33
表3-2 實驗藥品耗材 35
表3-3 實驗藥品耗材 36
表3-4 實驗分析方法 36
表3-5 沸石的Joint Committee on Powder Diffraction Standards card (JCPDS) 40
表4-1 木顆粒燃料灰渣之氫離子濃度 43
表4-2 粒徑分佈 44
表4-3 木顆粒燃料灰渣金屬組成分析 45
表4-4 木顆粒燃料灰渣之TCLP分析結果 45
表4-5 木顆粒燃料元素組成分析 49
表4-6 木顆粒燃料灰渣元素組成分析 49
表4-7 木顆粒燃料灰渣原樣比表面積分析 50
表4-8 不同固液比之木顆粒燃料灰渣溶出矽鋁比 50
表4-9 灰渣不同水熱合成反應條件與產物 51
表4-10 灰渣溫度240℃下，不同水熱合成反應條件與產物 51
表4-11 合成沸石之比表面積分析 78
表4-12各類場所水質標準 88
表4-13不同抗菌材之大腸桿菌群密度數 (CFU/100mL)與去除率 89
表4-14不同沸石抗菌材之單位去除量1(106CFU/g) 90
表4-15 台灣電力公司電價表 92
表4-16 合成沸石電費成本 93
表4-17 合成沸石成本 93
表4-18合成沸石抗菌材成本分析表(1) 94
表4-19 合成沸石抗菌材電費成本 94
表4-20 合成沸石抗菌材成本分析表(2) 95
表4-21 儀器設備成本 95

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