跳到主要內容

簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 王立仁
Li-Jen Wang
論文名稱： 自磁種凝絮污泥回收再利用奈米磁性顆粒─以化學機械研磨廢水為例
Recovery of nano-magnetite from silica/magnetite aggregates in magnetic seeding aggregation of CMP wastewaters
指導教授： 秦靜如
Ching-Ju Chin
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 環境工程研究所
Graduate Institute of Environmental Engineering
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 102
中文關鍵詞： 磁性顆粒 、再生率 、化學機械研磨廢水 、界面活性劑
外文關鍵詞： surfactant, magnetite, magnetic seeding, CMP wastewater
相關次數： 點閱：11  下載：0 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 一般處理化學機械研磨廢水（CMP wastewaters）須添加大量混凝劑，如此會產生大量污泥，並且所使用之混凝劑無法再次利用，因而提高廢水處理成本及環境上之負荷。本研究群前期已利用自行製備的氧化鐵奈米顆粒（Fe3O4），以磁種凝絮法處理化學機械研磨（CMP）廢水中的奈米懸浮顆粒，針對濁度去除率可達95％以上。且投入的氧化鐵顆粒可回收再利用於廢水處理系統中為磁種凝絮法的優點之一，因此本研究藉由加入不同濃度(0.1~2.0 CMC)及種類之界面活性劑(SDS及CTAB)回收再利用氧化鐵顆粒，以減少廢水處理成本及污泥產生量。研究中發現，若將氧化鐵以連續使用方式處理CMP廢水，1g 的Fe3O4可負載廢水中359 mg的總矽量。若加入低濃度（系統濃度0.1 CMC）之CTAB於處理系統中，可延長氧化鐵再用性。且針對廢水中濁度及總矽去除率均可達97 %以上，相當於1g 的Fe3O4可負載廢水中1917 mg的總矽量。若相較於利用氧化鐵單一次處理CMP廢水，其總矽增加率高達1497.5 %。若加入低濃度SDS，對於氧化鐵再用性僅有些微幫助，總矽增加率為400 %。實驗結果顯示，加入高濃度（系統濃度2 CMC）之SDS或CTAB回收再利用氧化鐵顆粒，其會增加氧化鐵與二氧化矽顆粒間之立體能障（steric repulsion），故氧化鐵顆粒處理廢水之成效即會大幅降低。

    Magnetic seeding aggregation has been developed to remove silica nanoparticles from CMP wastewaters successfully with removal efficiency of turbidity higher than 95 %. With proper treatments, seeded magnetite (Fe3O4) nanoparticles can be reused repeatedly in the magnetic seeding aggregation of CMP wastewaters. In this study, the recovery of magnetite nanoparticles by different types and concentrations of surfactants and removal efficiency of total silicon (e.g. summation of silica nanoparticles and silicate) from CMP wastewaters treated by reused seeding particles were investigated. Experimental results showed that recovery of magnetite nanoparticles was always higher than 99% when silica/magnetite aggregates were treated by any SDS or CTAB concentrations used in this work (0.1 ~ 2 CMC). Though the addition of CTAB limited the separation between silica and magnetite nanoparticles, this improved the reusability of magnetite nanoparticles, which was due to lateral interactions of hydrophobic groups of CTAB molecules adsorbed on the surface of silica nanoparticles. When silica/magnetite aggregates were treated by 0.1 CMC CTAB, the silicon removal ability of magnetite nanoparticles is 1917 mg total Si / 1g magnetite, which is 1497.5% more than those used only once in the magnetic seeding aggregation of CMP wastewaters. However, total silicon removal efficiency of CMP wastewaters was very poor when they were treated by high concentration (2 CMC) of CTAB or SDS. This might be due to the steric repulsions between particles resulted from adsorbed surfactant molecules.

    中文摘要 I 英文摘要 II 總目錄 III 圖目錄 V 表目錄 VII 第一章 前言 1 1-1 研究緣起 1 1-2 研究目的 2 第二章 文獻回顧 3 2-1 DLVO理論 3 2-1-1 凡得瓦爾力（van der Waals Force） 4 2-1-2 靜電力（Electrostatic Force） 5 2-1-2-1 電雙層理論 (Electrical Double Layer Theory) 6 2-1-3 作用位能曲線（Potential Energy Curve） 8 2-1-4 立體能障（Steric Repulsion） 9 2-2 界面活性劑吸附於固體表面之簡介 10 2-2-1 界面活性劑之性質及分類 10 2-2-2 離子型界面活性劑吸附於固體表面之機制 12 2-2-3 表面吸附自由能 13 2-2-4 離子型界面活性劑之等溫吸附曲線 16 2-2-5 界面活性劑於工業上之應用 18 2-3 磁性分離概述 19 2-3-1 磁性物質之種類 20 2-3-2 磁性分離基本原理 21 2-3-3 磁性分離於環工上之應用 21 2-4 化學機械研磨廢水（Chemical Mechanical Polishing, CMP ） 23 2-4-1 化學機械研磨（CMP）廢水性質 23 2-4-2 二氧化矽之表面性質 24 第三章 實驗材料、設備與方法 25 3-1 實驗材料與設備 25 3-2 實驗方法 28 3-2-1 氧化鐵回收率及再用(生)率之定義 30 3-2-2 氧化鐵回收率及再用(生)率實驗 30 3-2-3 性質量測 36 3-2-4 水質分析 37 第四章 結果與討論 39 4-1 CMP廢水基本水質分析 39 4-2 直接連續使用氧化鐵污泥之回收率與再用率 41 4-3 利用SDS回收再生氧化鐵顆粒 45 4-3-1 分離方式對再生Fe3O4之影響 45 4-3-2 不同濃度之SDS回收氧化鐵顆粒對再處理CMP廢水之影響 48 4-3-3 SDS濃度對總矽分離率之影響 53 4-3-4 SDS間隔加入方式對回收及再生氧化鐵之影響 56 4-4 利用CTAB回收再生(用)氧化鐵顆粒 59 4-4-1 CTAB連續加入方式再生氧化鐵顆粒 59 4-4-2 連續加入CTAB於廢水處理中，但不經分離程序 66 4-4-3 利用CTAB提高氧化鐵之再用性，對於處理後上澄液TOC之影響 71 第五章 結論與建議 73 5-1 結論 73 5-2 建議 74 參考文獻76 附錄A 氧化鐵不經再生連續處理廢水 80 附錄B 利用SDS再生後處理廢水 81 附錄C 連續加入CTAB於廢水處理（經分離程序） 87 附錄D 連續加入CTAB於廢水處理（不經分離程序）93 圖2-1 Al對Si晶格同型取代作用 5 圖2-2 Stern電雙層 7 圖2-3 兩顆粒間之總勢能變化 9 圖2-4 立體能障效應 10 圖2-5 界面活性劑分子基本構造 12 圖2-6 微胞結構 12 圖2-7 界面活性劑之等溫吸附曲線 17 圖2-8 不同濃度所產生之不同吸附機制 18 圖2-9 高濃度離子型界面活性劑吸附於固體表面 18 圖2-10 不同磁性材料之磁化強度 20 圖2-11 二氧化矽表面脫水後結合 24 圖3-1 實驗流程圖 29 圖3-2 利用SDS再生氧化鐵顆粒之流程圖 33 圖3-3 利用CTAB再生氧化鐵顆粒之流程圖 35 圖4-1 直接連續使用，氧化鐵回收率與使用次數之關係 42 圖4-2 氧化鐵使用次數對處理後上澄液之影響 43 圖4-3 氧化鐵再用次數與再用率之關係 43 圖4-4 氧化鐵使用次數與其表面二氧化矽累積量關係圖 44 圖4-5 氧化鐵使用次數與界達電位之關係 44 圖4-6 SDS連續加入示意圖 46 圖4-7 氧化鐵回收率與使用次數之關係（SDS連續加入） 48 圖4-8 氧化鐵使用次數與上澄液濁度之關係（SDS連續加入） 49 圖4-9 氧化鐵使用次數與上澄液總矽含量之關係（SDS連續加入） 51 圖4-10 氧化鐵表面二氧化矽累積圖 52 圖4-11 氧化鐵分離次數與總矽分離率之關係（SDS連續加入） 54 圖4-12 分離前氧化鐵表面矽累積量（SDS連續加入） 55 圖4-13 氧化鐵再生次數與再生率之關係（SDS連續加入） 56 圖4-14 SDS間隔加入方式示意圖 57 圖4-15 氧化鐵回收率與使用次數之關係（SDS間隔加入） 57 圖4-16 氧化鐵使用次數與濁度之關係（SDS間隔加入） 58 圖4-17 氧化鐵使用次數與上澄液總矽含量之關係（SDS間隔加入） 58 圖4-18 氧化鐵再生次數與再生率之關係（SDS間隔加入） 59 圖4-19 氧化鐵回收率與使用次數之關係（CTAB連續加入，經分離程序） 60 圖4-20 氧化鐵使用次數與上澄液濁度之關係（CTAB連續加入，經分離程序） 61 圖4-21 氧化鐵使用次數與上澄液總矽含量之關係（CTAB連續加入，經分離程序） 62 圖4-22 氧化鐵再生次數與再生率之關係（CTAB連續加入，經分離程序） 62 圖4-23 CTAB吸附於二氧化矽之情形 64 圖4-24 不同濃度之CTAB對二氧化矽顆粒表面界達電位之影響 65 圖4-25 氧化鐵分離次數與矽分離率之關係（CTAB連續加入，經分離程序） 65 圖4-26 分離前氧化鐵表面矽累積量（CTAB連續加入，經分離程序） 66 圖4-27 氧化鐵回收率與使用次數之關係（CTAB連續加入，不經分離程序） 67 圖4-28 氧化鐵使用次數與處理後上澄液濁度及總矽含量之關係（CTAB連續加入，不經分 離程序） 68 圖4-29 處理後上澄液中各型態矽所佔之比例 68 圖4-30 處理後上澄液中各型態矽之去除率 70 圖4-31 水中CTAB濃度與TOC之關係 72 表3.1 界面活性劑之物理常數 27 表3.2 各組別所加入之SDS濃度 33 表3.3 各組別所加入之CTAB濃度 35 表4.1 CMP廢水基本水質分析 40 表4.2 不同分離方法對總矽分離量之影響 47 表4.3 不同分離方法對氧化鐵再生率之影響 47 表4.4 不同回收再利用方法對氧化鐵使用性之影響 71 表4.5 CTAB對處理後上澄液TOC之影響 72

    參考文獻
    1. 羅於陵、鄭凱安，奈米技術投資與市場發展趨勢，經濟部工業局，2002。
    2. 張俊彥著，積體電路製程及設備技術手冊，中華民國經濟部技術處，1996。
    3. 鄧宗禹、黃志彬、邱顯盛，化學機械研磨廢液之處理與回收：一、技術簡介，微毫米通訊，9(1)，pp. 32-41，2002。
    4. 陳珮紋，利用Fe3O4磁性顆粒處理化學機械研磨廢水，碩士論文，中央大學環境工程研究所，中壢，2004。
    5. Hiemenz Paul C., Raj Rajagoplan, Principles of Colloid and Surface Chemistry, 3nd Ed, Marcel Dekker Publisher, New York, 1997.
    6. Derjaguin, B. V., L. D. Landau, “Theory of Stability of Strong Charge Lyophobioc Sols and of the Adhesion of Strong Charged Particles in Solutions of Electrolytes”, Acta Physicochimca URSS, 14, pp. 633-662, 1941.
    7. Verwey, E. J., J. Th. G. Overbeek, Theory of the Stability of Lyophobic Colloid, Elsevier, Amsterdam, 1948.
    8. 張有義、郭蘭生編譯，膠體及界面化學入門，高立出版社，1997。
    9. Stern, O., “Zur Theorie der, Elektrolytischem Doppelschicht”, Acta Electro-chemistry, 30, pp. 508-532, 1924.
    10. 林建三，環境工程概論，鼎茂圖書出版，2002。
    11. Molina-Bolivar, J. A., F. Galisteo-Gonzalez, R. Hidalgo-Alvarez, “Repeptization Determined by Turbidity and Photon Correlation Spectroscopy Measurements: Particle Size Effects ”, Journal of Colloid Interface and Science, 195(2), pp. 289-298, 1997.
    12. Anastassakis, Georigios N., “Separation of Fine Mineral Particles by Selective Magnetic Coating ” , Journal of Colloid Interface and Science, 256(1), pp. 114-120, 2002.
    13. Litton, Gary M., Terese M. Olson,“Particle size effects on colloid deposition kinetics: evidence of secondary minimum deposition ”, Colloid and Surface A: Physicochemical and Engineering Aspects, 107, pp. 273-283, 1996.
    14. Sujoy, B. R., David A. Dzombak, “Colloid release and transport processes in natural and model porous media ”, Colloid and Surfac A:Physicochemical and Engineering Aspects, 107, pp. 245-262, 1996.
    15. 張閔然，竹科污水中奈米微粒之特性與污水污泥之脫水性，碩士論文，台灣
    大學化學工程研究所，台北，2003。
    16. Schmidt, H. K., “Organically Modified Silicates and Ceramics an Two-phase System : Synthesis and Processing”, Journal of Sol-Gel Technology, 8, pp. 557-563, 1997.
    17. 謝岱紘，界面活性劑類型與含量對四氯乙烯在氣液間質傳現象影響之探討，碩士論文，高雄第一科技大學環境與安全衛生工程系，高雄，2004。
    18. 染化資訊網站。網址：http://www.dfmg.com.tw/fn-index.html。
    19. 曹恆光、連大成，淺談微乳液，物理雙月刊，第二十三卷，第四期，pp. 488-493，2001。
    20. Bourrel, M., R. S. Schechter, Microemulsions and Related System, Marvel Dekker Inc., New York , 1998.
    21. Paria, S., Khilar, K. C,“A review on experimental studies of surfactant adsorption at the hydrophilic solid–water interface ”, Advances in Colloid and Interface Science, 110(3), pp. 75-95, 2004.
    22. Somasundaran, P., L., Hung, “Adsorption/aggregation of surfactants and their mixtures at solid”, Advances in Colloid and Interface Science, 88(1-2), pp. 179-208, 2000.
    23. Biswas, S. C., D. K. Chattoraj, “Kinetics of Adsorption of Cationic Surfactants at Silica-Water Interface ”, Journal of Colloid Interface and Science , 205(1), pp. 12-20, 1998.
    24. Somasundaran, P., S. Krishnakumar, “Adsorption of surfactants and polymers at the solid-liquid interface ”, Colloid and Surface A:Physicochemical and Engineering Aspects, 123-124, pp. 491-513, 1997.
    25. 李啟旻，添加界面活性劑於電聚浮除法處理化學機械研磨(CMP)廢水之研究，碩士論文，臺灣大學環境工程學研究所，台北，2003。
    26. Fuerstenau, Douglas W., Ronaldo Herrera-Urbina, Surfactant science series, volume 33, pp. 259-314, 1989.
    27. Mittal, K. L., D. O. Shah, editor, Surfactants in Solution volume 11, Plenum Publisher, New York , pp. 293-302, 1991.
    28. Porter, M. R., Handbook of Surfactant, Blackie Academic & Professional Published, New York, 1991.
    29. Sharma, B. G., S. Basu, M. M. Sharma,“Characterization of Adsorbed Ionic Surfactants on a Mica Substrate”, Langmuir, 12, pp. 6506-6512, 1996.
    30. Hu, C. Y., S.L. Lo, C.M. Li and W.H. Kuan, “Treating chemical mechanical polishing (CMP) wastewater by electro-coagulation-flotation process with surfactant ”, Journal of Hazardous Materials , 120(1-3), pp. 15-20, 2005.
    31. Blakeburn, D. Lowrt, John F. Scamehorn, , Surfactant science series, volume 33, pp. 205-229, 1989.
    32. Lee, Do-Won, Nam-Hoon Kim, Eui-Goo Chang, “Effect of nonionic surfactants on the stability of alumina slurry for Cu CMP ”, Materials Science and Engineering B, 118 (1-3), pp. 293-300, 2005.
    33. Feng, D., C. Aldrich, H. Tan, “Removal of heavy metal ions by carrier magnetic separation of adsorptive particulates ”, Hydrometallurgy,56(3), pp.359-368, 2000.
    34. Chun, Chan-Lan, Jae-Wood Park, “Oil spill remediation using magnetic separation”, Journal of Environmental Engineering, 127(5), pp. 443-449, 2001.
    35. Sakai, Y., Takahiro Miama and Fujio Takahashi, “Simultaneous removal of organic and nitrogen compounds in intermittently aerated activated sludge process using magnetic separation”, Water Research, 31(8), pp.2113-2116, 1997.
    36. Latour, C. D.,“Magnetic separation in water pollution control”, IEEE Transactions on Magnetics, 9(3), pp. 314-316, 1973.
    37. Latour, C. D., “Magnetic separation in water pollution control - II”, IEEE Transactions on Magnetics , 11(5), pp. 1570-1572, 1975.
    38. Kaminski, M. D., L. Nunez,“Cesium extraction from a novel chemical solvent using magnetic micro-particles”, Separation Science and Technology, 37(16), pp.3703-3714, 2002.
    39. Oliveira, Luiz C. A., Rachel V. R. A. Rios, “Activated carbon/iron oxide magnetic composites for the adsorption of contaminants in water ”, Carbon, 40(12), pp. 2177-2183, 2002.
    40. Oliveira, Luiz C. A., Rachel V. R. A. Rios, “Clay–iron oxide magnetic composites for the adsorption of contaminants in water ”, Applied Clay Science, 22(4), pp.169-177, 2003.
    41. Weiss, Donald E., Luis O. Kolarik, Anthony J. Priestley, Nevil J. Anderson,“Water clarification”, United States Patent, PAT. NO. 4279756, 1981.
    42. 黃志彬、江萬豪，產業廢水回收再利用-半導體業，化工技術第11卷，第12期，pp. 2-12，2003。
    43. 游純青，介孔矽質MCM-48之光學研究，碩士論文，中原大學應用物理研究所，中壢，2003。
    44. 鄭景軒，磁性奈米微粒之二氧化矽被覆技術之研究，碩士論文，成功大學機械工程學研究所，台南，2003。
    45. 陳澄佑，磁性流體的研製，碩士論文，清華大學材料科學與工程研究所，新竹，1993。
    46. Khalafalla, S. E., G. W. Reimers, “Preparation of Dilution Stable Aqueous Magnetic Fluid”, IEEE Transactions on Magnetics, 16(2), pp. 178-183, 1980.
    47. Cho, Y. S., G. S. Choi, S. Y. Hong, D. Kim, “Carbon nanotube synthesis using a magnetic fluid via thermal chemical vapor deposition ”, Journal of Crystal Growth, 243(1), pp. 224-229, 2002.
    48. Wu, T. k., P. C. Kou, Y. D. Yao, E. H. Tsai, “Magnetic and Optical Properties of Fe3O4 Nanoparticale Ferrofluids Prepared by Coprecipitation ”, IEEE Transactions on Magnetics, 37(4), pp. 2651-2653, 2001.
    49. 行政院環保署環境檢驗所，水質檢測方法。網址：http://www.niea.gov.tw/。
    50. Cornell, R. M., U. Schwertmann, The iron oxides – Structure, Properties, Occurrence and Uses, VCH Publishers, New York, 1996.
    51. Sun, Z. X., F. W. Su, W. Forsling, P. O. Samskog, “Surface Characteristics of Magnetite in Aqueous Suspension”, Journal of Colloid and Interface Science, 197(1), pp. 151-159, 1998.

    QR CODE
    :::