張涵寓、吳庭宜、陳瑞燕、徐恆文、廖啟雯 / 工研院綠能所
二氧化碳再利用之間接碳酸化技術有助於富鈣資源材料進行循環再利用。工研院已成功將轉爐石、加工廢石粉、天然貝殼中富含之鈣元素提取，並轉製為高均質且分散之超微米輕質碳酸鈣。經電子顯微鏡觀察其表面形貌及粒徑分布於1~5 μm之間；晶體結構可分別製得單顆立方體方解石、花瓣型或實心球體球霰石；碳酸鈣純度可高達98%以上；毒性溶出測試及戴奧辛分析皆符合再生粒料之環保法規規範，且水中酸鹼值皆≤9.0，顯示其對環境友善度佳。而產製的輕質碳酸鈣可用作取代1~10%水泥添加量，成為混凝土強度增加劑，並以CNS混凝土試體製作及養護法進行抗壓測試。混凝土經符合CNS抗壓強度測試結果顯示，可得最高強度為320 kgf/cm2，相較未添加碳酸鈣之混凝土測試結果(239 kgf/cm2)，可顯著提升1.34倍，不僅降低高碳排水泥量，同時兼具固碳及循環經濟之多重效益。
【內文精選】
前 言
本技術所使用的二氧化碳再利用之間接碳酸化系統(Indirect Carbonation System)主要包含兩階段處理程序，即萃取與自發性碳酸化反應。其中，由於此萃取程序對鈣的選擇性(經ICP檢測鈣濃度占所有萃取金屬元素濃度的比例)高達99.6%，因此，在碳酸化過程中，不易受待處理物料所含之雜質而降低最終碳酸鹽產物純度。此外，自發性碳酸化反應是二氧化碳再利用技術中，屬於相對較低反應自由能之技術項目，其生產的碳酸鹽可長期且穩定達到實質固碳效果。再者，此開發技術更藉由Bench-scale批次自動化人機介面系統，結合超重力裝置驅動加速碳酸化反應，更依據調控重要影響因子如轉爐石粒徑大小、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，製得高化學穩定性、高均勻性且分散性良好的超微米級輕質碳酸鈣(Precipitated Calcium Carbonate)。
技術介紹
1. 間接碳酸化製備碳酸鈣
超重力技術(High-gravity (Higee)Technique)因體積較小、可連續操作、吸收混合效果快速，並可製得粒徑為微米級且分布均勻之產物，具備綠色化學製程的頭銜。近年，工研院已建置Bench-scale間接碳酸化結合超重力反應系統，此設備包含旋轉盤反應器(Spinning Disk Reactor; SDR)，經由氣-液碳化法及液-液混合反應，促進晶粒成長與沉澱析出，適用於微細化、均勻化輕質碳酸鈣之製備；並搭載人機介面以即時監控酸鹼值、CO2流速、溫度等參數，方便進行製程調控。圖一為Bench-scale超重力碳酸化系統流程示意圖。經由第一階段萃取，透過添加對鈣具有99.6%高選擇性的萃取劑，可將富鈣資源材料中活性鈣成分完全萃取至水溶液中(目前技術已達80%的總鈣萃取率)，取得透明澄清含鈣水溶液，並移除固體萃餘物後，含鈣溶液會在收集槽及超重力轉盤間迴流，加速碳酸化反應過程中，可由人機介面控制CO2開關及流速大小，達到反應時間後再由液體過濾系統過濾固體產物，最後將固體產物乾燥後即可得到輕質碳酸鈣。
圖一、Bench-scale批次自動間接碳酸化系統示意圖
4. 混凝土試體製備與抗壓試驗
混凝土標準抗壓試體依照CNS 1230A3043《試驗室混凝土試體製作及養護法》之規範製作。傳統混凝土中的水灰比介於0.4~0.7之間；水膠比則不拘；水泥比例需≥320 kg/cm2；骨材可分為細粒料(FM2.3~3.0)與粗粒料(FM 1.0~1.5)，最適比例約1:2。因此，本次所使用之水泥、砂、石、水將依照1：2：4：0.5的比例配製，並各以三種不同之碳酸鈣取代水泥，取代重量分別為1%、3%、5%、7%、10%。將上述各材料拌和，填充至直徑150 mm、高300 mm之標準圓柱試體模具後進行搗實，於24小時後脫模進行濕養護，養護時間為28天。
根據文獻資料，以少量碳酸鈣取代混凝土中的水泥，可加速水泥的水化作用，進而達到混凝土早期強度提升的效果。本研究亦發現，透過間接碳酸化技術所產製之輕質碳酸鈣作為混凝土的增強劑(或視為水泥添加劑)時，僅需取代3 wt%的水泥即可達到最大抗壓強度提升效果，可提升28%~34%的抗壓強度。而在多種碳酸鈣晶體形貌之選擇上，藉由Bench-scale超重力碳酸化系統所製備之方解石，不論取代比例多寡，試驗結果測得的抗壓強度相較於同技術所產製之球霰石及商購奈米輕質碳酸鈣，為三種碳酸鈣形式中最高者。此外，當透過板模法應用於小尺寸的混凝土造型容器時(如圖六)，同樣可展現良好的可塑性與色澤---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、輕質碳酸鈣用於水泥添加劑並製得之混凝土模型
★本文節錄自《工業材料雜誌》425期，更多資料請見下方附檔。