轉爐石轉製中空碳酸鈣微米球技術：材料世界網

張涵寓、郭于寧、吳庭宜、陳瑞燕、徐恆文/工研院綠能所

本研究成功開發並驗證一套結合超重力加速反應器之礦物碳酸化系統，可有效將鹼性副產資源，如轉爐石改質為高均勻且包含中空結構的輕質碳酸鈣超微米球。此系統以Bench-scale超重力反應器驅動間接式碳酸化為操作主體，透過各項可調控性重要參數，如轉爐石粒徑大小、萃取劑、酸鹼值、固液比、二氧化碳氣體流量與超重力加速反應器之轉速，可製得具高化學穩定性之中空碳酸鈣超微米球。透過電子顯微鏡、感應耦合電漿發射光譜儀、戴奧辛/金屬/毒性溶出試驗，以及熱重分析碳酸鈣純度等，結果顯示，轉製的碳酸鈣粒徑大小分布在1~5 µm之間，晶體可為球霰石或方解石，兩者皆具備高均質、高純度(> 98%)、高轉化率(> 99%)，並且對環境無毒害疑慮等特性，其中球霰石晶相更具備明顯中空結構，可於各別最適化條件下調控生產。球型碳酸鈣不僅可應用於高延展性塑膠開發、中空結構亦可作為藥物載體，更可提高造紙品質，增加商業價值。此系統不僅可為富鈣副產品創造附加價值，同時有效降低二氧化碳排放之世紀問題。

一、前言

礦物碳酸化(Mineral Carbonation)是一種符合能源效益、可降低並妥善處理二氧化碳，且有助於富含鹼土金屬元素之副產物，如煉鋼爐碴、矽酸鈣板、加工廢石粉、海淡鹵水等進行加值化處理的方法。以煉鋼副產資源－轉爐石(Basic Oxygen Furnace Slags; BOFs)為例，由於全球鋼鐵業每年產出約一億噸轉爐石副產品，其中四成難以直接回收再應用而遭棄置。然而，轉爐石中含有約5%活性鈣(free-CaO)及20~30 wt%含鈣量（經固體微波消化與ICP-OES檢測分析方法測得），可作為最佳循環物料，並妥善再利用。本研究則成功開發並驗證一套Bench-scale超重力加速反應之礦物碳酸化系統，目標以轉爐石改質為分散性良好、高均勻性之球霰石或方解石輕質碳酸鈣超微米球，有效地達成減碳固碳效果，並具備高值化與資源循環再利用之經濟價值。此Bench-scale超重力反應器適用性廣，可有效對於大多數鹼性副產資源進行處理，並透過鹼性金屬與大氣中二氧化碳自發性反應，最終製成安全實用的碳酸鹽，如碳酸鈣、碳酸鎂等。

二、技術介紹

1. 間接碳酸化系統

Bench-scale超重力加速反應器因結合間接式碳酸化程序，可透過簡單調控性的參數，如轉爐石粒徑大小、萃取劑、酸鹼值、固液比、二氧化碳氣體流量與超重力加速反應器之轉速，將轉爐石轉製成高化學穩定性的碳酸鈣產物。為強化處理效能與系統減碳量，本技術更利用人機介面進行批次自動化設計（如圖一所示）。人機介面控制系統以程式軟體編輯，透過各儀表通信，操作時亦可透過電腦進行設定、數據擷取，以及記錄數據。在不同頁面上皆有系統狀態圖顯示各種不同類別數據之趨勢圖，可提供歷史資料查詢、曲線追蹤、斜率分析、時間調整、顯示範圍調整、曲線顏色修改、曲線顯示選擇、曲線資料匯出等；並提供警報功能、警報數值範圍設定、匯出紀錄、內容溫度、pH、液位、流量等輸入訊號的記錄編輯等。