臺北科技大學資源工程研究所學位論文
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臺灣中央山脈面積佔全島近三分之一，主要由變質岩所組成，地質構造複雜。其中，有許多火成岩體零星分布，此些火成岩體的成因與臺灣島的造山過程有密不可分的關係。本研究選定中央山脈向陽山至新康山地區的變質火山岩進行分析，期望對探討中央山脈的岩漿活動與地體構造演化提供重要的資訊。 臺灣中央山脈向陽山至新康山地區出露之岩性為板岩偶夾千枚岩、變質砂岩和變質火山岩，變質火山岩其原岩產狀以火山熔岩和凝灰岩為主，其中，野外觀察新康山和八通關古道石洞之變質火山岩部份具枕狀構造，推測此區原岩形成於海洋環境，並且與沉積岩同時期生成。根據岩象學分析，向陽山至新康山地區之變質火山岩礦物群屬於綠色片岩變質相，僅經歷一次的變質作用。 依照主要元素結果顯示，向陽山地區變質火山岩二氧化矽含量在49.79~65.93 wt.%；新康山地區變質火山岩二氧化矽含量在48.29~51.35 wt.%。另由全岩地球化學之微量元素和稀土元素分析結果顯示，向陽山地區之變質火山岩，(La/Sm)N為1.23~2.07，(La/Yb)N為1.42~2.68，其稀土元素分佈型態為平坦型，銪(Eu)普遍呈現負異常，且釷(Th)富集，鈮(Nb)、鉭(Ta)和鈦(Ti) 虧損，具有火山島弧玄武岩的地球化學特性；新康山地區之變質火山岩，(La/Sm)N為1.88~2.87，(La/Yb)N為3.41~5.89，其稀土元素型態分佈近似於洋島玄武岩，且高場力鍵結元素(HFSE)和輕稀土元素(LREE)比重稀土元素(HREE)富集，而大離子半徑元素(LILE)虧損，具有板塊內部玄武岩的地球化學特性。
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襯砌表面影像為現代化隧道結構安全檢測作業關鍵作業項目，為判釋與記錄襯砌表面異狀分佈的基礎，更為提供襯砌結構安全評估的基本資訊。在檢測作業中常使用雷射掃描儀器取得襯砌表面影像，再利用人眼視覺方式對影像中異狀繪製成異狀展開圖，繪製過程不僅耗日費時，常需有經驗之工程師判釋影像中的異狀以及相關的肇因診斷作業。然而前、後期取得的襯砌表面影像攝錄條件不同，異狀的判釋與繪製，常需耗費大量的人力與時間，且因整體影像亮度不均勻與解析度清晰的程度不一，獲得的異狀展開圖的基準不盡相同，加大了比較異狀變異、研判異狀肇因的困難度。且因異狀展開圖為一圖形化資料，需仰賴有經驗之工程師判讀與解釋，面對現代化的維護管理作業，維護管理工作量急速上升情況下，需要更簡潔且有效的描述異狀展開圖內所隱含的資訊。 因此，本研究發展一監督式學習影像處理技術，透過異狀處與背景區域明暗灰階值的差異，偵測襯砌表面影像中的裂縫分佈，並依據前、後期取得的不同襯砌影像或是同一影像中不同區域的明暗與清晰特性，動態更新判定異狀所需的灰階門檻值，更有效地偵測異狀的分佈。繼而應用Hough轉換，依據異狀分佈特性將其映射至極座標獨立向量參數空間，可取得異狀空間分佈的數字化資訊。文中並透過數個已知肇因的異狀分佈試驗及案例，獲得不同的數字化資訊。另本研究建立隧道安檢資料庫之雛形，收集數個隧道基本資訊，整合影像及異狀數字化資訊，討論目前資料常見及後續可能之資料處理呈現方式，此資料庫可謂能提供後續建立異狀診斷以至於安全評估專家系統的有利基礎。
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台灣土地資源取得不易，都會區之交通網往往建置於地下空間中，常使用潛盾隧道開挖工法來鑽掘，而地層變形為潛盾開挖最重要之考慮因素。因國內外關於礫石層潛盾開挖案例甚少，且受限於礫石層特殊地質與工程特性—由顆粒與基質組成，其個別力學特性差異甚大，力學行為介於土壤與岩石之間，且受力後具有明顯之剪脹特性，利用彈性等向性模式描述不易，且欲應用連體模式發展之數值方法加以預測礫石層潛盾開挖變形特性，需要大量試驗以獲現地參數，耗時費力。 本研究以顆粒力學理論為基礎，應用顆粒流數值軟體PFC2D建構大地模型，並以現地直剪試驗結果為數值模擬獲取微觀參數之準則，並搭配一微觀參數轉換試驗，以弭平顆粒力學理論之尺寸效應影響，最終用獲得之微觀參數模擬現地開挖歷程，並與實際隧道開挖監測資料比對後，探討潛盾開挖引致礫石層之沉陷特性，並進一步模擬潛盾輔助工法—灌漿工法對地盤沉陷之成效。 研究結果顯示利用顆粒力學數值模擬技術，能有效模擬礫石層特殊地質、工程特性，並適合應用於模擬礫石層潛盾開挖之行為探討與灌漿工法之研究。
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本研究為利用固態反應法合成新型陽極鈣鈦礦結構之CeFeO3材料，由於CeFeO3材料需要在低氧分壓下才可生成相，比較氣氛及起始粉末粒徑尺寸對於相生成之影響，顯示小流量時可以製備出具CeFeO3之相，而起始粉末為微米CeO2和未球磨過之Fe2O3混合所製備之CeFeO3錠片有較緻密之微結構。而另一研究為利用固態反應法合成電解質支撐型所需之中溫電解質鎵酸鑭摻雜Sr、Mg之鈣鈦礦材料，當燒結於1500oC持溫10小時，即可獲得純相之鈣鈦礦結構，並於800oC操作溫度時導電率為0.19 S/cm。La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17電解質厚度約為1.2 mm，將其網印上CeO2+Fe2O3、Ni-SDC和Ni-LDC三個不同之陽極和SCF陰極，觀察三個電池之顯微結構及電性比較。
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近年來，合成具有相同形狀及尺寸的奈(微)米粒子是一個相當大的挑戰，另外對於顆粒的粒徑，控制顆粒的形狀及保持穩定性是重要的課題。有許多的研究針對如何製備出形貌均勻性良好的無機陶瓷粉末及其應用，氫氧化鎳即為其中之一。 氫氧化鎳(Ⅱ)在許多重要的領域具有重要的應用，例如催化劑、電池電極、氣體感應器、電子電極材料、磁性材料和陶瓷塗料等方面。由於奈(微)米化之氫氧化鎳可獲得比塊體氫氧化鎳特殊的物理及化學特性，如熔點及低燒结溫度、表層的吸附性、光學性質等。。此外，氫氧化鎳可以藉由溫度高於250℃以上製備而成氧化鎳，奈米材料具有高的表面能，在燒結的過程中，其形狀不產生變化。因此製備出不同形貌和尺寸均勻，且穩定性良好的奈米顆粒，亦是一個相當大的挑戰。 本次研究選擇利用分子模板控制氫氧化鎳形貌的影響，添加的鹼源不同對於形貌上的差異相當的大，反應溫度、反應時間和分子模板都會造成結果上的差異。使用尿素優於氫氧化鈉跟氨水的是尿素可以在溶液中均勻的釋放出OH-基，使用一系列之二醇化合物當做分子模板使氫氧化鎳形成花狀對於UV跟IR皆有特別的吸收，在400℃的燒結後對於氧化鎳的形貌也有相當的穩定度。
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本研究以水淬熔渣為主要原料，分別製成多孔性之合成沸石及無機聚合材料，探討其應用於重金屬吸附之可行性。第一部份係以水淬熔渣和鹼性溶液為原料，依照固定的配比混合，使其硬化成形為無機聚合吸附劑。而後將其破碎，取一定粒度範圍（14 – 16 mesh），探討添加不同 SiO2/Na2O 及 SiO2/Al2O3 莫耳比之鹼性溶液，對無機聚合吸附劑之性質及對吸附重金屬 ( Cu2+、Cd2+、Pb2+ ) 能力之影響。研究結果顯示，無機聚合材料對重金屬具有良好的吸附效果，低 SiO2/Na2O 莫耳比之無機聚合材料對吸附重金屬效果較佳。 第二部份係以水淬熔渣（-200 mesh）作為合成沸石之原料，添加氫氧化鈉溶液和矽酸鈉溶液作為礦化劑使用，以水熱作用進行合成。探討不同礦化劑及合成時間對合成沸石產物之基本性質以及吸附重金屬( Cu2+、Cd2+、Pb2+ )效果之影響。實驗結果顯示，利用含 SiO2 量為 16.38 ％ 之礦化劑及合成時間為 2 小時，可得方沸石產物，其對重金屬 ( Cu2+、Cd2+、Pb2+ ) 有良好之吸附效果。 利用無機聚合材料及方沸石作為吸附劑，針對不同反應時間、重金屬初始濃度及反應溫度之參數，探討其吸附能力之變化，並且利用動力學相關模式以及等溫吸附曲線，試述其吸附行為。結果顯示，在吸附過程中無機聚合材料與方沸石皆是以離子交換作用，並且係屬於自發性吸熱反應。
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本研究使用固態合成法製備具鈣鈦礦結構的陰極粉末，於陰極材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ中B-site摻雜不同含量的Mn或Cu元素，探討其物性及化學穩定性；並利用Mn、Cu單摻雜或共同摻雜La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ，嘗試將鈣鈦礦B-site元素的配比改變與調整，期望開發出室溫至800℃其熱膨脹係數13 × 10-6 /K以下，導電率達100 S/cm以上，並符合陰極各項基本要求之最佳材料。 結果顯示熱膨脹係數會隨著Mn元素增加而降低，晶粒尺寸隨之變小，但卻會使導電率明顯下降；摻雜Mn元素有使相穩定之優點，並且會抑制晶粒的成長，將其特點應用於全電池中，當陰極顆粒較小時可增加陰極材料的氧催化能力。而以Cu元素摻雜La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ可改善其導電率，會降低粉末合成之煆燒溫度及塊材燒結溫度，並且在較低溫燒結下就可得到高的導電率。 本研成功究開發出新型之五元及六元陰極材料，結果顯示最佳實驗配比為La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.7Mn0.1Cu0.1O3-δ與La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.8Cu0.1O3-δ。六元陰極材料La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.7Mn0.1Cu0.1O3-δ其室溫至800℃之熱膨脹係數為12.5×10-6 /K，以1150℃持溫2 h燒結之塊材，在800℃操作溫度下導電率可達136 S/cm，優於相同燒結條件下的商業化La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ陰極材料。五元之陰極材料La0.6Sr0.4Co0.1Fe0.8Cu0.1O3-δ，室溫至800℃之熱膨脹係數為12.2×10-6 /K，於較低之燒結溫度1100℃持溫2 h，即可得到在操作溫度800℃下導電率184 S/cm。並且此材料低溫操作階段有較高之導電率340 S/cm，日後應用於低溫型之燃料電池也可適用。 本研究之陰極材料皆與SDC20電解質具有非常良好的化學穩定性，熱處理溫度高達1100℃時並無第二相之產生。
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油氣田探勘初期，通常使用體積機率法進行油氣資源量評估。通常所需參數為油氣層面積、厚度、孔隙率、原生水飽和度、地層體積因子及採收率，但在探勘初期因相關資料不足，導致資源量估算結果不確定性高，而且並無考慮採收率與油氣田原始埋藏量間的相關性以及受水驅(water drive)之影響，因此造成許多不必要的誤差。本研究結合物質平衡法與體積機率法，在水驅模式下，探討影響油氣層採收率的相關因子，並利用線性多項式描述油氣田資源量與影響因子之相關性，根據此多項式配合機率統計法估算資源量，本研究針對台灣海域凝結油氣田，評估該油氣田可採資源量(resource)，並與傳統體積機率法之結果相比較。由結果顯示，此凝結油氣田之採收率與原始埋藏量呈正相關，此相關性在利用體積機率法估算時通常被忽略，故利用傳統體積機率法評估資源量時會產生較大的誤差。根據本研究所建立之方法估算資源量時，可避免由參數相關性所產生之誤差，提高資源量評估之準確度，降低不確定性，該凝結油氣田在氣相資源量之中間值為332 mmscm；油相資源量之中間值為1.261E+05 Kl。本研究根據一個真實的案例可發現一無因次的線性關係式，所建立之方法不僅保有體積法之快速評估資源量之優點，亦可降低油氣評估時的不確定性，減少探勘的風險。日後應用在不同油氣田時，只需篩選其資源量之影響因子，找出其線性關係式之相關係數，即可進行資源量評估。
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燃料電池為目前最有發展性的能源利用方式之ㄧ，其中以陰極材料鋇鍶鈷鐵氧化物(BaySr1-yCoxFe1-xO3-δ)具有高電子導率及高催化特性，為一般常用的固態氧化物燃料電池(SOFCs)之陰極材料，但BaySr1-yCoxFe1-xO3-δ仍有：熱膨脹係數高、導電度低、材料價格昂貴等缺點。故本研究選用此成分為基礎並利用異質摻雜方式進行材料改質，使用溶膠-凝膠燃燒合成法(GNP法)，合成Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ摻雜Ca之鈣鈦礦相新型固態氧化物燃料電池陰極材料鋇鍶鈣鈷鐵氧化物(Ba0.5-Sr0.5)1-XCaXCo0.8Fe0.2O3-δ，以期提升電池的發電效率。 本研究以GNP法輔以950℃煆燒3小時，可成功合成純相鈣鈦礦結構之BSCaCF粉末，且產物經ICP-AES分析，顯示其成分與原始化學劑量比相符。由於摻雜物為鈣，其離子半徑較鋇、鍶小，因此，摻雜標準物經由XRD分析後可明顯發現其繞射峰往小角度偏移，利用Unitcell計算不同鈣添加量之晶格參數，可發現鈣摻雜A位10%到25%之晶格參數由3.9751 Å變小至3.9356 Å，當鈣摻雜量超過25%後晶格參數不再變化，且有雜相產生，推測鈣於A位摻雜量最大約為20%。本研究選用3種常見電解質材料SDC、GDC、YSZ與(Ba0.5-Sr0.5)0.9Ca0.1Co0.8Fe0.2O3-δ進行化學匹配實驗，由結果顯示SDC及GDC與(Ba0.5-Sr0.5)0.9Ca0.1Co0.8Fe0.2O3-δ經900℃熱處理仍無二次相產生，擁有良好的化學匹配度。利用4點探針法量測其導電度，發現其最高導電度於600℃可達59 Scm-1，相對於未摻雜鈣之陰極材料Ba0.5-Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ，其電性有明顯提升。其熱膨脹係數量測，於800℃熱處理下為17.29 × 10-6 K-1，與未摻雜鈣之BSCF熱膨脹係數19.7× 10-6 K-1相比，明顯下降。與傳統之BSCF相比，目前所觀察到之性質皆明顯改善，此有助於BSCaCF成為新型的固態氧化物燃料電池陰極材料。
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於水熱環境中，常因標準化學劑量配比的元素在水溶液中溶解度差異甚大，影響實際參與產物合成之元素配比，導致不易預期的雜相產生，因此本研究進行水熱合成實驗，探討溶液對各元素溶解情形，並做元素補償添加，以期提升鋅膨潤石的合成純度，並藉由陽離子交換、表面改質來證明元素補償可有效提升產物特性。 結果顯示，隨著元素補償增加，各元素於反應後水溶液中濃度逐漸上升且趨於飽和，其中又以鈉源所需補償最多，鋁源補償最少。當補償添加至第二次，鈉、鋅離子於水中溶解度逐漸往飽和狀態趨近，而矽、鋁離子則趨近於定值，故判定已達到反應水溶液中所需飽和濃度。由XRD分析得知，鋅膨潤石(001)繞射峰強度隨元素補償添加而增強，且鋅膨潤石(001)繞射強度與高嶺石雜相(001)繞射峰比值由1.67升到5.56，增加3.33倍，可有效去除高嶺石雜相。利用ICP分析經由醋酸鈉法所交換之鈉離子可知，隨著元素補償添加其陽離子交換能力可由82提升至131 meq/100g，大幅提升其應用特性。由FT-IR證明本研究產物可進行表面修飾，且其CH2及CH3鍵結隨著元素補償添加其吸收峰隨之增強。由眾多結果顯示，於水熱合成實驗中，考慮各元素在水溶液中溶解度並進行適當之補償添加，可有效減少高嶺石雜相，並增加鋅膨潤石之純度及結晶性，大幅提升其應用層面。