臺北科技大學資源工程研究所學位論文
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本研究將蛇紋岩切割廢料作為原料，製備高純度氧化鎂及非晶質二氧化矽。首先將蛇紋岩粉末經磁選，再以鹽酸浸漬，酸浸殘留物利用重力沉降分離。再以二次酸浸製備不同粒徑之非晶質二氧化矽，酸浸液則利用純化及高溫水解製程製備氧化鎂。探討酸浸製程參數如酸濃度、反應溫度、反應時間及液固比對鎂浸出率之影響。利用反應動力學模型建立各參數間彼此關係，並從中找出最適化參數。由酸浸殘留物製備的非晶質二氧化矽，其粒徑、純度受酸浸參數及沉降分離時間控制。非晶質二氧化矽表面佈滿水鎂石層受酸蝕形成的孔隙，粒徑多在次微米至微米級之間。由酸浸液製備的氧化鎂純度受中和沉澱過程pH值控制，製程所得的氫氧化鎂在煆燒400℃、一小時後形成方鎂石相之氧化鎂，其純度可達99.5％ 。本研究利用ICP、AA、EDS進行化學成分分析，並以TG/DTA、SEM、XRD及FTIR分別進行礦物熱性質、微結構、相組成及化學組成分析。
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在能源逐漸耗竭的背景下，綠色能源逐漸受到重視，其中固態氧化物燃料電池 (SOFC) 為極具潛力的綠色能源技術，傳統SOFC陰極材料 (LSM) 及電解質(YSZ) 材料在高溫時具有高導電性、高催化活性及熱穩定性，但高溫工作環境限制了材料特性。然而隨著溫度的降低，陰極材料的離子傳導性也隨之降低，陰極和電解質的阻抗增加。降低陰極阻抗主要方法使用離子電子混合導體例如 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ，或採用複合陰極電解質/陰極等。本研究選用新式八元鈣鈦礦結構之陰極材料，以田口法規劃利用燃燒合成法一次製備之 SOFC 複合陰極材料 ( LaSrBaSmFeMnCoCuO3-δ/Gd-Sm-Ce O3-δ)，藉由田口分析，求得最佳晶相純度及導電能力之鈣鈦礦/螢石結構SOFC複合陰極材料。
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隨著高科技產業進步發展，每年電子產業製造過程中製造的研磨污泥，其中砷化鎵廢棄物的比例佔約70%以上。本研究藉由砷化鎵廢料回收之鎵元素，透過燃燒合成法合成應用於固態氧化物燃料電池之電解質材料-鑭鍶鎵鎂(LSGM)氧化物。 本實驗使用酸溶及鹼溶的方式將鎵元素從廢料中溶出，在含鎵的溶液中加入鑭、鍶、鎂等硝酸鹽類，進行燃燒合成法合成電解質材料-鑭鍶鎵鎂（LSGM）氧化物粉末，將粉末進行XRD晶相分析，分析結果與S.V. Kesapragada 等人之研究製備粉末的晶相相符合。本研究成功從砷化鎵廢料回收鎵元素並製備出鑭鍶鎵鎂（LSGM）氧化物粉末。
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太陽能產業上游長晶廠常使用回收副料製備多晶矽，其中表面噴砂處理的製程，會產生噴砂廢棄物，稱為廢噴砂。廢噴砂的主要成分為氧化鋁，並含有微量之矽與碳化矽等雜質。若將廢噴砂再利用，取代傳統水泥混凝土中的細粒料，再利用成綠色材料，可有效落實環境保護及廢棄物資源化之目的。 本研究首先針對某太陽能長晶廠表面處理製程所產出之廢噴砂進行特性研究，透過物理及化學方法實驗分析廢噴砂材料之基本性質，以了解廢噴砂作為取代傳統水泥混凝土中細粒料的可行性。實驗包含粒徑分析、毒性特性溶出程序(TCLP)及XRF/XRD等分析。接著，研究實驗分兩方向進行；(一)廢噴砂取代部分水泥實驗，將廢噴砂運用於水泥系材料中，探討其是否具提升膠結性質之特性；(二)廢噴砂取代細粒料實驗，探討廢噴砂取代細粒料之可行性。廢噴砂的特性分析顯示，其毒性特性溶出程序(TCLP)、穩定(安定)性皆能符合國家法令規範(CNS 1240、CNS 1258、ASTM 1260)。水泥實驗顯示廢噴砂材料具膠結特性，但經由XRD繞射分析結果得知，由於其晶質結構特性，膠結活性效能較低。此外，在綜合考量抗壓強度及流動性的因素下，選定不同細粒料取代量進行新拌混凝土實驗，廢噴砂取代混凝土細粒料實驗顯示，在20%細粒料取代量更可提高水泥砂漿試體抗壓強度達55.72%，亦提高水泥砂漿之工作性，故廢噴砂可作為一良好之混凝土細粒料使用。
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本研究利用無機聚合技術，在使用100%焚化飛灰之條件下添加鹼性溶液，於室溫環境下混合攪拌製成無機聚合固化體。鹼性溶液依矽酸鈉溶液添加量由高至低可分為WG150、WG100、WG75、WG50及WG10等系列。探討不同SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3莫爾比之鹼性溶液、無機聚合漿體之液固比對於固化體之力學特性及重金屬固化效能之影響，並進一步評析最佳配比之齡期養護對於無機聚合固化體中重金屬長期溶出穩定性之影響。 實驗結果顯示，以鹼性溶液WG75系列(SiO2/Na2O莫爾比0.57、0.80及1.27)製成無機聚合固化體為最佳，因其具有較低之矽酸鈉溶液添加量、適當之抗壓強度、較佳之重金屬固定化能力及良好之工作性。其矽酸鈉溶液添加量為WG150系列(高量)的一半；抗壓強度介於5 ~ 19 kgf/cm2；重金屬溶出之TCLP及M-TCLP皆低於法規標準。
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台灣本島位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處，板塊互相擠壓造成活躍的造山運動，交通的脈絡需仰賴隧道於以銜接，且台灣地區雨量充沛，山區地下水豐富，山岳隧道開挖時，常遇相關水文地質課題：湧水及水地下水造成的影響，若能先掌握其水文地質特性，提供工程開挖相關滲流問題探討之基礎，亦助於釐清岩體滲透特性及其他場址特性之關聯。 本研究利用新永春隧道東澳段場址之水文地質環境，以有效孔隙介質模式分析，建立三維水文地質模型，結合地下水數值模擬分析程式Groundwater Modeling System(GMS)分析，分別利用案例岩層小尺度試驗結果和既有隧道反算獲得的參數，探討在不同水力參數下建置之模型，開挖後達穩態時不同岩性或地質條件下滲水量之差異;以及在同水力參數模型下，動態流量在不同地質條件下隨時間變化之特性。 研究結果顯示，斷層構造通過時有較高的滲水量但與片岩無明顯差異；水力傳導係數的差異符合尺度上造成的效應，而在隧道滲水量部分則無明顯的差異；隧道上方有無補注來源其滲流行為結果差異甚大，表示邊界狀況影響隧道滲流行為顯著。
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無機聚合綠色水泥是一種三維架狀結構鋁矽酸鹽材料，主要是以富含矽、鋁之材料，與鹼性溶液攪拌製成，其擁有高強度、高材料相容性等多方面優異之性質，為似水泥之建築材料。製備過程中無需經高溫燒結處理，於常溫下即可製成。若能以無機聚合技術為基礎，發展出低二氧化碳排放量的綠色水泥，則可有效解決國內水泥工業二氧化碳排放量之問題。由於目前以水淬高爐爐石粉與燃煤飛灰所製成之無機聚合綠色水泥，會因收縮率過高產生裂紋，且有快速硬化降低工作性質等缺點，因此仍無法有效應用。 研究主要探討無機聚合綠色水泥其高收縮之原因與機制，並找出較佳改善方法且維持相應之工作性。研究結果顯示，無機聚合綠色水泥之抗壓強度可達到45MPa，抗彎強度為18MPa，收縮率為1.4%，硬化時間為初凝41分鐘，終凝50分鐘。而添加矽灰石(粗)為填充物可以有效改善無機聚合綠色水泥各項性質，其抗壓強度可提升至49MPa，抗彎強度提升至20MPa，收縮率下降至0.6%。另外濕式養護下，其收縮率可以降至0.05%，說明無機聚合綠色水泥之收縮與水分散失與否有明顯的關係。延遲拆模3天可以提升抗壓強度與減少收縮率。而添加硼砂為緩凝劑則可以有效減緩無機聚合綠色水泥之硬化速度，初凝為110分鐘，終凝為139分鐘，反應之水化熱下降8°C。 將本研究製程與製造水泥所產生之二氧化碳排放量進行比較，每取代一公噸水泥，二氧化碳排放量最佳可節省0.730公噸。經濟成本評估，無機聚合綠色水泥價格為3,415-3,473$/ton，傳統波特蘭水泥價格為2500-3500$/ton。若以每立方米進行計算，無機聚合綠色水泥價格為5,228-5,335$/M3，水泥價格為4,050-5,700$/M3顯示其無機聚合綠色水泥具有一定之競爭力，深具市場價值。
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岩體破裂面上的幾何粗糙程度，為影響岩體的變形、破壞及滲流特性的關鍵因子之一。Barton(1977)提出粗糙度係數JRC值來評估裂面上粗糙起伏的程度。 現有的評估量測JRC值的方法多數以幾何方式單方面求得，而JRC與節理面力學行為的異向性及尺寸效應相關的研究汗牛充棟，但不同應力狀態下對JRC影響的研究相對較少。 本研究旨在利用一系列岩石力學室內試驗，包含單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗、劈裂法等，求得不同應力狀態下的岩石破裂面，再者為了探討原生不連續面相對方位的影響，在取得同一地區不同方向鑽孔的岩心試體，在不同方向施加外力進行不同圍壓條件之力學試驗後，再量測破裂面形態與粗糙特性。 透過雷射剖面儀得到裂面上幾何起伏之三維座標數據資料，利用Tse & Curden(1979)提出之經驗公式得到粗糙度係數JRC值，用以評估不同應力狀態下裂面幾何形態的變化，試驗結果顯示，劈裂法得到的破裂面呈現平面狀，裂面較為粗糙；單壓試驗下得到的裂面呈現不規則狀，裂面亦較為粗糙，並可觀察到垂直主應力方向的鋸齒存在；三軸試驗下得到的裂面，隨著圍壓增加，裂面逐漸呈現規則狀，裂面相對平滑且鋸齒消失。 本研究為了改善試體破裂面形態的描述方法與精度，自行研製一套簡易的環向掃描設備，改善試體破裂面型態的描述方法與精度，透過求得破裂面的粗糙特性後，可有利的研析岩石破裂面型態與粗糙特性的影響因素。藉由室內試驗得到不同應力狀態下的岩心破裂狀態試體，透過展開影像對裂縫生成產狀與原生不連續面分布進行描繪，藉以討論不同應力狀態與片麻理對於裂縫生成產狀分布形態的影響，結果顯示，原生不連續面與圍壓對於裂縫生成產狀的生長方向與角度具有顯著的影響。 本研究實驗利用雷射剖面儀，取得不同應力狀態下破壞後，試體破裂面的高低起伏，首先參考常見描述岩石節理面粗糙度係數JRC值的經驗公式，由於橢圓破裂面下不同角度之剖面，其JRC值可能有很大的差異，因此需探討取樣長度與取樣方式對描述所得JRC的影響，藉以決定一適當的破裂面粗糙特性表示方法，探討不同應力狀態下生成破裂面粗糙特性的差異。 研究結果顯示，透過對裂面剖面分段，取得不同跡長剖面後，利用經驗公式計算各段剖面上JRC，並藉由統計分析的方式得到在本研究的岩石破裂面上，不同尺寸剖面的JRC經過平均後，與未分段JRC不會有太大變異。繼而透過雷射剖面儀量測不同應力狀態破裂面上的高低起伏，研究結果顯示，不同應力狀態下的岩石破裂面，其粗糙特性具有差異性。 本研究擬探討岩石原生不連續面的影響，進行一系列岩石力學試驗時，調整不連續面與施加外力的夾角，探討原生不連續面相對方位對岩石破裂面型態與粗糙特性的影響。研究結果顯示，原生不連續面對於岩石破裂面型態與粗糙特性具有影響，隨著應力狀態、施加外力與不連續面夾角的改變，JRC的最大值與最小值會與不連續面的走向與傾向，呈現垂直、平行，或是JRC最大值與最小值相對於不連續面的走向與傾向之間夾有一角度。
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蛇紋石廢料來源為石材開採、加工過程中產生大量下腳料及污泥，目前絕大部分的廢料均未能有效利用，形成礦產資源的浪費。故本研究目標為從蛇紋石中提取非晶質二氧化矽，即以蛇紋石未經任何處理、經磁選、經酸萃及先經磁選再酸萃之粉末，作為合成碳化矽之矽來源，以碳熱還原法在高溫下與活性碳、碳黑或石墨廢料反應，以 XRD 鑑定晶相確認合成出 β-SiC 晶體粉體，以 SEM 觀察表面形貌，由 ICP-AES 測量碳化矽純度，得到製程的最佳參數。探討不同的富矽粉末、碳粉種類、莫耳比、反應溫度、持溫時間與後處理對合成碳化矽的影響。
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本研究以脫硫石膏、鈣基活化劑及高爐石粉合成膠結材料，探討不同脫硫石膏添加量及養護條件對膠結材料性質之影響，以評估脫硫石膏結合鈣基活化劑及高爐石粉合成膠結材料之可行性。接著以最佳膠結材料配比結合轉爐石產製煉鋼爐石水合磚，探討不同水膠比、膠結材料與骨材比及添加程序對於煉鋼爐石水合磚性質之影響，最後進行煉鋼爐石水合磚之環境相容性試驗，以評估脫硫石膏作為鈣基活化劑結合轉爐石為骨材產製煉鋼爐石水合磚之可行性及最適操作條件。 由研究結果顯示，脫硫石膏與轉爐石重金屬溶出量皆符合TCLP溶出試驗之法規標準。而鈣基活化劑中脫硫石膏含量20%結合高爐石粉合成膠結材料，於飽和石灰水中養護，具有最高之28天抗壓強度28 MPa，且由XRD、SEM及FTIR等顯微分析結果顯示，鈣基活化劑中脫硫石膏含量20%結合高爐石粉合成之膠結材料含有鈣礬石，且結構較為緻密。以鈣基活化劑中脫硫石膏含量20%結合高爐石粉合成之膠結材料，進一步結合轉爐石產製煉鋼爐石水合磚，在預先添加轉爐石、水膠比0.53及膠結材料與骨材比1:3之組別，其抗壓強度高於其他組別，最高抗壓強度可達18 MPa。另外由XRD分析顯示，經預先添加與水攪拌及浸泡之轉爐石表面，氧化鈣含量有降低之趨勢，而由SEM分析顯示，轉爐石表面則由層狀堆疊之結構，逐漸轉變為片狀及板狀等結構參雜其中。 在鹼性物質溶出方面，於海水環境中煉鋼爐石水合磚鹼性物質溶出較低，不會造成pH值過度的變化而對環境造成影響，而由煉鋼爐石水合磚的酸可萃取物含量及無機可溶出成分分析發現皆具有些微Pb及Ba的溶出量，但以毒性特性溶出程序試驗及多重毒性特性溶出程序試驗進行萃取，其溶出值皆遠低於我國法規規範之標準，因此煉鋼爐石水合磚應具環境相容性，為一低成本、對環境友善及資源循環的再生材料。