以微波輔助重金屬污泥回收再利用之研究

重金屬污泥在台灣為一產量甚大的有害事業廢棄物,其中以含銅污泥產量為最大宗。若未加以處理而棄置,則會造成土壤及地下水的污染並危害人體健康。本研究嘗試以微波輻射程序進行重金屬污泥之安定化,期望達到無害化及資源化之目標。

實驗中探討之影響因子為:微波誘發程序影響、安定劑劑量與種類、微波時間及功率、反應氣氛、微波吸收質、微波混成程序及溫度之影響。除了探討其重金屬溶出濃度及安定化效率,並研究其固相化學反應。而安定化污泥亦進行資材化之研究,探討其對於金屬離子的吸附性質與吸附量。結果顯示不同的處理程序當中,以同時添加還原性金屬安定劑並供給微波輻射方能有效達到含銅重金屬污泥之安定化,且還原性金屬添加劑量與該金屬之反應性成反比。當微波功率越強或微波時間越長時都有較佳之安定化效果。但在高功率微波照射下,樣品間會產生較大之之熱壓力造成顆粒之間的裂隙進而降低安定化的穩定性。

當無添加安定劑時,以空氣做為反應氣體及冷卻氣體(Air/Air)會造成污泥中的有機物完全燃燒並使銅大量溶出;而填充氮氣(N2/N2)則能阻隔有機物與氧氣接觸,因此銅溶出濃度較低。若同時添加安定劑與控制反應氣氛,實廠污泥填充氮氣(N2/N2)能有效的增進安定化效率,縮短安定化所需的時間;若配合空氣進行冷卻(N2/Air),則可使高能鋁粉氧化釋出氧化熱,促成銅物種脫水反應及CuO 的生成。而無機污泥(De10)方面,在(Air/Air)環境鋁粉會逐漸釋出氧化熱,安定化效率會逐漸上升;而N2/N2 組電弧程序的產生應為主要污泥安定化的方式。

而在微波程序中,有機物的悶燒與否將微影響污泥安定化之穩定性。但若污泥中的有機物及水分一併去除而僅添加安定劑,則會使得安定化效果不IV佳。當添加吸收微波能力較強的微波吸收質於污泥中時,微波安定化之效率有明顯的提升。而在銅污泥安定時卻造成Al 及Fe 的溶出濃度增加,可能是Al0 可在微波提供能量的狀況下,直接或間接將Fe3+及Cu2+還原成Fe2+ (或其他溶解性較高的鐵氧化物)及Cu0 或CuO,而本身則氧化為Al3+。在微波混成程序中添加活性碳收並控制反應環境(N2/N2),仍能達到安定化之效果;安定化反應包括脫水反應、物種轉換、玻璃化、還原反應及硫化物生成。高溫固相化學反應方面,當溫度高達900 ℃時,CuAl2O4 有較高的轉換率。當混合Cu4SO4(OH)6 與α-Al2O3 進行高溫鍛燒時,顯示溫度升高有助於CuO 的生成,但是CuO 與α-Al2O3 的顆粒可能只在表面層生成CuAl2O4,因此無法明確地以XRD 鑑定。以CuO 與α-Al2O3 混合,反應轉換率不高;若以CuO 與γ-Al2O3 混合,在800 ℃有大量CuAl2O4 生成,因為γ-Al2O3 有較鬆散之結晶結構,有助於CuO 與γ-Al2O3 嵌合及CuAl2O4 生成。資材化研究方面,當溶液的pH 範圍在2-11 之間時,安定化污泥表面的電荷皆為負電,因此適合作為陽離子之吸附劑。

動力學研究中,吸附實驗數據較符合pseudo-second order model,顯示銅離子與安定化污泥之間的吸附可視為一種活性吸附機制。而等溫吸附實驗(Isotherm)數據與Langmuirequation 有較高的相關係數。從熱力學的參數中可得知銅離子於安定化污泥表面的吸附為吸熱反應。但是整體的吸附現象確有可能包含物理性及化學性吸附。而銅離子於安定化污泥表面的吸附容量分別約為23 mg/g (SL07-FeA)及15.5 mg/g (SL07-AlA), 此吸附容量大於許多其他固體廢棄物吸附劑的吸附容量。因此安定化污泥可被應用於含重金屬廢水吸附的資材化物質。

作者:謝慶弘