利用銅製造業集塵灰製備硫酸鋅之研究｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	鄭伃君 Cheng-yu chun
論文名稱：	利用銅製造業集塵灰製備硫酸鋅之研究 Preparation of Zinc Sulfate use Industrial Copper Dust
指導教授：	李俊福
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 環境工程研究所在職專班 Executive Master of Environmental Engineering
論文出版年：	2014
畢業學年度：	102
語文別：	中文
論文頁數：	85
中文關鍵詞：	銅製造業集塵灰、溶提、結晶、硫酸鋅、經濟效益分析
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我國的天然資源相當欠缺，其中金屬礦產資源尤其匱乏，但隨著經濟發展台灣的金屬消費量與日俱增，而不得不仰賴進口，以取得支持經濟發展所必需的金屬。銅製造業之集塵灰目前主要處理方式為固化處理或化學處理，因此，為兼顧政府政策發展與滿足經濟發展需求，本研究將集塵灰資源化成可再利用之產品，同時探討不同的實驗操作參數，尋求最佳操作之條件。
研究結果顯示，本研究所收集之集塵灰鋅含量平均為57.25％、銅含量平均為5.38％﹐溶提部分原料的最佳配比以集塵灰：硫酸：水的1：2：3為最佳，30N的硫酸為最佳的硫酸濃度，150rpm為溶提時攪拌的最佳轉速，180分鐘為最佳溶提時間，40℃則為最佳的溶提溫度。結晶方法以匯集所有結晶優點的真空濃縮結晶法為最佳，其中以80℃的水域溫度所得到的硫酸鋅總鋅含量最高，又有結晶時間短及能源消耗少的優點。以SEM-EDS分析顯示在不同條件下製備所得樣品其所組成的元素皆為鋅、氧、硫3種成分﹐以XRD分析結果所有製備之樣品皆為一水硫酸鋅﹐TEM與BET等特性分析後，可得知其成晶狀況良好具完整晶體形狀，比表面積小︒經濟效益分析﹐以投資效益推算增設此條生產線預估可回收年限為0.42年。此外，本研究仍有許多參數有賴後續研究，才得以應用於實場。
關鍵詞：銅製造業集塵灰、溶提、結晶、硫酸鋅、經濟效益分析

Abstract
There is lack of natural resources and mineral resources, especially scarce metal in our country. With the growth of economic development, Taiwan has increased the consumption of metal gradually in these decades, and has to rely on import of these kinds of resources in order to obtain the necessary support of metal for economic development.
The current industrial copper dust is curing or chemical treatment. Therefore, to satisfy with both government policy development and needs of economic development, this study gathers dust resources into product reuse, and explores the different experiments operating parameters, seeking for the optimum operation conditions.
The results show that zinc content of the flue dust collected in this study has an average of 57.25 percent, an average of 5.38 percent copper content. The raw materials evaluates best ratio in the flue dust: Sulfuric acid: water as 1:2:3, 30N sulfuric acid concentration 150rpm for the speed when evaluating stirring, 180 minutes for the solvent extraction time, and 40 ℃ are the best solvent extraction conditions. Vacuum concentration crystallization is the best that bring together all the advantages and this method has advantages of short crystallization time and less energy consumption.
In SEM-EDS analysis, it show that the elements of its composition under different conditions are zinc, oxygen, sulfur. All samples were analyzed by XRD and the result show that they are prepared as zinc sulfate monohydrate. After TEM and BET characterization, it is confirmed as a perfect crystal grain in good shape. Economic analysis of calculating the return on investment estimates the recyclable life of adding this production line is 1.45 years. The study is currently not applicable to the real field, because it still relies on many undergoing follow-up studies.
Keyword：industrial copper dust collection、chemical eluviation、Crystallization、Zinc Sulfate、Economic Benefit Analysis

目  錄

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目錄……………………………………………………………………................    I
圖目錄…………………………………………………………………...............    IV
表目錄…………………………………………………………………...............    VI
    
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    銅製造業簡介…………………………………………….………….    3
        2-1-1    銅製造業製程概述…………………………….….. ……….    5
        2-1-2    國內集塵灰特性、流佈及產出…………..…………………    8
    2-2    銅製造業集塵灰處理方法………………………………………......    14
        2-2-1    火法冶金及火法煉鋅……………………………………….    14
        2-2-2    濕法冶金及濕法煉鋅……………………………………….    16
        2-2-3    火法冶金技術與濕法冶金技術之比較…………………….    18
    2-3    國內銅製造業廢棄物申報現況…………………………………..…    19
        2-3-1    國內銅製造業集塵灰相關法令..............................................    19
        2-3-2    國內銅製造業集塵灰處理現況…………………………....    24
    2-4    硫酸鋅特性及用途………………………..........................................    25
    2-5    硫酸鋅製備方式…………………...………………………………..    27
第三章 研究方法…………………………………………………………………..    28
    
    3-1    研究流程架構……………………….……………………………….    28
    3-2    實驗材料及設備……………………………….. …………………...    29
        3-2-1    實驗材料…………………………………………………….    29
        3-2-2    實驗設備……………………………………………………..    29
    3-3    實驗分析方法………………………………………………………..    33
    3-4    實驗流程及方法……………………………………………………..    34
        3-4-1    實驗流程…………………………………………………….    34
        3-4-2    實驗方法…………………………………………………….    34

第四章 結果與討論…………………………………………………………..........    37
    
    4-1    銅製造業集塵灰特性分析……………………………………..........    37
        4-1-1    金屬全量分析與TCLP………………………..……………    37
        4-1-2    SEM-EDS(掃描式電子顯微鏡)分析………………………..    39
        4-1-3    XRD(X光繞射圖譜)分析…………………………………..    41
    4-2    不同固體液體配比之比較………………………………………......    42
        4-2-1    硫酸及水之配比………………………………………….....    42
    4-3    不同溶提條件之影響………………………………………………..    45
        4-3-1    不同硫酸濃度………………………………………………..    46
        4-3-2    攪拌轉速…………………………………………………….    48
        4-3-3    攪拌時間…………………………………………………….    51
        4-3-4    溶提溫度…………………………………………………….    54
    4-4    不同結晶方法之影響………………………………………………..    57
        4-4-1    蒸發結晶法………………………………………………….    58
        4-4-2    降溫結晶法………………………………………………….    64
        4-4-3    真空濃縮減壓結晶法……………………………………….    71
    4-5    TEM、BET…………………………………………………………..    74
        4-5-1    TEM(穿透式電子顯微鏡) 分析……………………………    74
        4-5-2    BET(比表面積) 分析……………………………………….    76
    4-6    經濟效益分析………………………………………………………..    78

第五章 結論與建議.…………………………………………………………........    82
    
    5-1    結論……………………………………………………………….....    82
    5-2    建議……………………………………………………………….....    83

參考文獻…………………………………………………………………...............    84
 
圖 目 錄
目次                                                             頁次
圖2-1    銅管(線)生產流程………………………………………………………..    5
圖2-2    銅管(線)生產流程………………………………………………………..    6
圖2-3    銅錠製造過程…………………………………………………………….    6
圖3-1    研究流程架構圖………………………………………………………….    28
圖3-2    研究流程圖……………………………………………………………….    34
圖4-1    銅製造業集塵灰元素含量分析圖……………………………………….    38
圖4-2    製造業集塵灰SEM-EDS分析圖譜…………………………………….    40
圖4-3    銅製造業集塵灰XRD分析結果…………………………………………    41
圖4-4    集塵灰、硫酸及水1：2：3 SEM-EDS分析圖譜………………………    44
圖4-5    集塵灰、硫酸及水1：2：3 XRD分析圖譜………………………………    45
圖4-6    硫酸濃度30N SEM-EDS分析圖譜……………………………………..    47
圖4-7    硫酸濃度30N XRD分析圖譜……………………………………………    48
圖4-8    攪拌轉速150rpm  SEM-EDS分析圖譜……………………………..…    50
圖4-9    攪拌轉速150rpm XRD分析圖譜………………………………………..    51
圖4-10    攪拌時間180分鐘 SEM-EDS分析圖譜………………………………    53
圖4-11    攪拌時間180分鐘 XRD分析圖譜…………………..…………………    54
圖4-12    溶提溫度40℃ SEM-EDS分析圖譜……………………………………    56
圖4-13    溶提溫度40℃ XRD分析圖譜………………………………………….    57
圖4-14    蒸發結晶法 100℃ SEM-EDS分析圖譜……………………………….    60
圖4-15    蒸發結晶法 100℃ XRD分析圖譜…………………………………......    61
圖4-16    蒸發結晶法 50分鐘 SEM-EDS分析圖譜..…………………………….    63
圖4-17    蒸發結晶法 50分鐘 XRD分析圖譜…………….…………………….    64
圖4-18    降溫結晶法 0℃ SEM-EDS分析圖譜……….…………………………    66
圖4-19    降溫結晶法 0℃ XRD分析圖譜………………………………………..    67
圖4-20    降溫結晶法30分鐘  SEM-EDS 分析圖譜……………………………    69
圖4-21    降溫結晶法 30分鐘  XRD 分析圖譜…………………………………    70
圖4-22    真空濃縮結晶法 水域溫度80℃ SEM-EDS 分析圖譜………………    72
圖4-23    真空濃縮結晶法 水域溫度80℃ XRD 分析圖譜…………………….    73
圖4-24    TEM分析結果……………………………………………………………    75
圖4-25    實際生產設備照片……………………………………………………….    81

 
表 目 錄
目次                                                             頁次
表2-1    2006年~2009年全球銅供需概況…………………..………..…………    4
表2-2    2006年~2009年全球精煉銅生產量需求量概況……………………….    4
表2-3    各種鑄件合金適合使用的熔化爐種類…………………………………..    7
表2-4    2009年國內集塵灰申報情形……………………………..……………..    9
表2-5    2010年國內集塵灰申報情形…………………..……………..…………    10
表2-6    2011年國內集塵灰申報情形…………………..……………..…………    11
表2-7    國內煉鋼業集塵灰處理現況………………………………..……………    13
表2-8    不同冶金技術差異點說明………………………………………………..    18
表2-9    毒性特性溶出程序(TCLP)溶出標準……………………………………..    22
表2-10    98年度至100年度銅製造業事業廢棄物申報統計……………………    24
表2-11    金屬全量分析表…………………………………………………………..    25
表2-12    各種硫酸鋅水合物特性一覽表…………………………………………..    26
表3-1    溶提程序參數變化表…………………………………..…………………    35
表3-2    濃縮結晶程序參數變化表………………………………..………………    36
表4-1    銅製造業業集塵灰全量金屬分析……………………..…………………    37
表4-2    銅製造業集塵灰TCLP之委託分析結果……………………..…………    38
表4-3    硫酸及水之配比推估表………………………………..…………………    43
表4-4    不同硫酸濃度實驗數據…………………………………..………………    46
表4-5    不同攪拌轉速的實驗數據…………………………..……………………    49
表4-6    不同攪拌時間實驗數據………………………………..…………………    52
表4-7    不同溶提溫度的實驗數據………………………………..………………    55
表4-8    不同蒸發溫度的實驗數據……………………………………..…………    59
表4-9    不同蒸發時間的實驗數據………………………..……………………...    62
表4-10    不同降溫溫度的實驗數據………………………………..………………    65
表4-11    不同降溫時間的實驗數………………………………..…………………    68
表4-12    不同水域溫度的實驗數據………………………………..………………    71
表4-13    BET分析結果……………………………..……………..………………    77
表4-14    經濟效益分析表……………………………..……………..…………….    79
 

                                

參考文獻
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