利用超臨界流體去除鋼鐵業集塵灰中污染物之研究

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1、利用超臨界流體去除鋼鐵業集塵灰中污染物之研究31▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔利用超臨界流體去除鋼鐵業集塵灰中污染物之研究122劉敏信孫立明謝金村1朝陽科技大學環境工程與管理系副教授2朝陽科技大學環境工程與管理系碩士生摘摘摘要要要電弧爐煉鋼業主要以廢鋼鐵為主之原料，在煉鋼過程中廢鋼鐵於爐內高溫熔融還原後再生為鋼水，其熔、沸點低之物質則集於飛灰中。其中所含物質除有機污染物多環芳香烴(PAHs)外，還包含無機重金屬污染物，此些物質濃度因而使集塵灰被歸列為有害事業廢棄物。本研究所採集塵灰酸鹼度乃屬鹼性灰物質

2、，其粒徑分佈主要介於0.074~0.297mm之間，以感應耦合電漿發射光譜儀分析重金屬結果顯示，鐵(Fe)佔全量之17.71%及鋅(Zn)佔全量之24.32%。因超臨界流體萃取中由於二氧化碳乃屬於非極性物質，當添加5%(v/v)甲醇修飾劑時，萃取液之極性提高後進而提昇其萃取效果。本研究乃利用超臨界流體之綠色技術並配合甲醇修飾劑，針對溫度與壓力進行萃取鋼鐵業集塵灰中之重金屬以及多環芳香烴之研究與探討。對於萃取無機重金屬之結果顯示，在300bar定壓下其重金屬鉛及鋅去除率達10%，鎘則在20%以上；其多環芳香烴“芘”之去除率為87.3%。在60℃

3、定溫下，其重金屬鎘、鉛及鋅去除率均可達20%以上；其多環芳香烴“芘”之去除率可達89.6%。關鍵詞：：：超臨界流體：超臨界流體、、、鋼鐵業集塵灰、鋼鐵業集塵灰、、、多環芳香烴、多環芳香烴、、、重金屬、重金屬3132朝陽學報第十三期▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔壹壹壹、壹、、、緒緒緒緒論論論鋼鐵業集塵灰中除了有機污染物多環芳香烴(PAHs)外，還包含無機重金屬污染物，並針對鋼鐵業集塵灰污染物之移除為目的，因此本研究對於有機污染物多環芳香烴Pyrene則是利用批次界面活性劑淋洗與超臨界CO2萃取試驗；無機

4、重金屬污染物乃利用批次螯合劑溶劑淋洗與超臨界CO2萃取試驗，將多環芳香烴以及特定有害重金屬去除而殘餘之有價重金屬成分可進行資源回收再利用。研究中使用之螯合劑包含乙二胺四乙酸(EDTA)、檸檬酸，以及檸檬酸添加幾丁聚醣之溶液，研究中同時利用不同濃度之過氧化氫改變集塵灰的氧化還原電位，增加重金屬之溶解度與移動性，以利集塵灰中特定重金屬之去除。此EDTA為一種有機螯合劑其當溶於水中和形成水溶液鹽類，毒性低【1】，此外所使用的幾丁聚醣(Chitosan)為生物性高分子，其在自然界中的含量僅次於纖維素且製造的成本便宜，且具螯合的作用【2】。幾丁聚醣與重

5、金屬吸附具多重模式進行，其中包括了離子交換、螯合、吸附等機制，針對不同情況則有不同優勢機制產生【3】，幾丁聚醣的特性呈弱鹼性陽離子性聚合電解質（pKa=6.3），分子上具有高密度的官能基，可有效降低污泥量【4】。另外氧化還原電位(Oxidationreductionpotential,ORP)及pH值乃為重金屬型態價數之指標，並影響重金屬之移動性、溶解度與污染物之活性【5】，ORP的改變可提供污染物的溶解度，藉以提升不同螯合劑溶液萃取集塵灰中重金屬的效率。研究中所使用之界面活性劑為TritonX-100是一種非離子型之界面活性劑。非離子型界面

6、活性劑在水中不會解離出離子，因此稱其為中性正是因為其不會解離產生帶電離子的關係，因此毒性比其他種類界面活性劑中較低【6】。界面活性劑淋洗集塵灰中有機污染物的機制主要為溶化作用(Solubilization)以及乳化作用(Emulsification)【7】。當界面活性劑存在水中時，界面活性劑單體(Monomers)會均勻散佈在水中，隨著界面活性劑濃度增加時，導致單體將聚合成一個巨大的分子團，此時界面活性劑的親油基會集合於內部，而將親水基朝外排列，此分子團稱為微胞(Micelle)，而界面活性劑形成微胞所需之最小濃度及為臨界微胞濃度(Criti

7、calMicelleConcentration,CMC)，此時水溶液的洗淨力、密度、表面張力、滲透壓、當量電導度等物化性質會產生巨大之變化，如圖1。因此以臨界微胞濃度為單位，依倍數濃度進行集塵灰之淋洗試驗，藉以去除集塵灰中32利用超臨界流體去除鋼鐵業集塵灰中污染物之研究33▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔多環芳香烴Pyrene。針對超臨界流體相關研究進行探討，關於重金屬方面，利用超臨界二氧化碳萃取金屬離子，已發現很難具有效果【8】，因為金屬離子非電中性和溶質溶劑之間的結合力太弱所造成。由於金屬離子本身不

8、溶於超臨界二氧化碳中，因此在超臨界流體中加入適當的螯合劑，此螯合劑必須能溶解於超臨界二氧化碳中，而且能提供電荷電性中和之能力，從而生成金屬螯合物，進而溶解於超臨界二