張名惠、徐建華、林俊宏、游勝閔 / 工研院材化所；吳培堯 / 工研院綠能所
本文探討鋁熱反應在高溫材料合成及廢棄物處理中的應用。隨著全球追求淨零碳排放，傳統高溫製程面臨重大挑戰，而鋁熱反應憑藉其高效釋放熱能，成為一種可行的替代熱源，並可應用於節能燒結技術。本文分析了影響鋁熱劑性能的各種因素，包括：燃料的物理化學特性、顆粒尺寸以及氧化劑的形狀與種類等，並進一步介紹了鋁熱反應在火工、合金製程、陶瓷合成及廢棄物固定處理中的多種應用。特別是將含鋁與含氧化鐵的循環材料結合，用於鋁熱反應燒結焚化飛灰粒料，這一方法不僅能實現廢棄物的資源化與再利用，更符合循環經濟的發展方向。
【內文精選】
鋁熱劑性能之影響因素
1. 燃料的基本物理化學特性
燃料的物理化學特性包括如：燃燒熱、熔點、沸點、密度以及氧化反應中的耗氧量等。燃燒熱是指在理想條件下可提供的最高能量，燃燒熱越高，鋁熱劑釋放的能量潛力也越大。在鋁熱反應中，金屬鋁的燃燒耗氧量為0.88 g O2/g Al，這一參數對於選擇反應配方中的氧化物當量至關重要。其他金屬與類金屬部分，雖然鈹和硼的燃燒熱均高於鋁，但由於鈹的熔點和沸點較高，且其蒸氣和氧化物具有毒性，因此限制了相關應用。硼則因耗氧量過大，也使得其應用受到限制。鋰金屬雖然擁有高燃燒熱，但其低密度(僅0.53 g/cm3)限制了其在應用中的體積填充量，進而影響放熱量。鎂金屬在文獻中也有應用，但因其在空氣中不穩定且易氧化，失去反應活性，因此不常用於鋁熱劑中。
2. 顆粒的尺寸
鋁顆粒的尺寸對於鋁熱反應的臨界反應溫度和燃燒速率有顯著影響。當鋁顆粒尺寸減小時，所需的活化能降低，從而提高了反應的速率。
3. 氧化劑形狀與種類
氧化劑的形狀和化學性質對鋁熱劑的反應性能也有重要影響。不同形狀的氧化物能夠提供不同的接觸面積，進而影響反應活性，例如：橄欖狀氧化鐵的點火溫度低於多面體或顆粒狀的氧化鐵。此外，當鋁與不同形狀的氧化物結合時，例如竹葉狀氧化銅和橄欖狀氧化鐵，能夠形成更大的接觸面積，從而提高反應活性並降低點火溫度。除了燃料之外，選擇不同的氧化物作為氧化劑也會影響反應的活性。用於鋁熱劑的氧化劑主要是電負度在1.5至2.5範圍內的金屬氧化物，例如氧化銅和氧化鐵，這些氧化物主要提供氧原子以支持燃料的氧化反應，並釋放熱量。
鋁熱反應技術發展與應用方向
鋁熱劑是一種高能量密度的材料，廣泛應用於冶金、焊接、軍事及其他高能量需求的領域，因此在多種工業應用中具有重要的地位。以下是對鋁熱反應技術發展與應用的介紹，其技術應用整理如圖三所示。
圖三、鋁熱反應技術應用方向
鋁熱反應於循環經濟應用
工研院材料與化工研究所前期已開發將鋁渣透過火法安定，在空氣環境下煅燒後產物已無金屬鋁、氮化鋁的結晶訊號，煅燒後主要晶相為剛玉相、鎂鋁尖晶石相等，可作為磁磚摻配料或者耐火材料。目前工研院綠能與環境研究所開發利用含鋁廢棄物與含氧化鐵副產物之間的鋁熱反應進行焚化飛灰處理，經由鋁熱燒結後將焚化飛灰有害物質固定於產物中，產生可用之再生粒料，且產物符合TCLP、R222(再生粒料環境用途溶出程序)、王水重金屬、戴奧辛等四項環境標準，並依機械強度特性可作為一般混凝土填料與低強度回填材料應用。此法除了將無法再生利用之焚化飛灰轉成可用資材外，亦同時開發了新的含鋁廢棄物與含氧化鐵副產物之資源化利用方向。材化所進一步探討不同來源之鋁渣、集塵灰以及不同含氧化鐵副產物之鋁熱反應效率，透過配方優化與改質，可進一步降低點火溫度並提升反應速率。鋁熱劑於900˚C下點火之自蔓延狀況如圖五所示，可知鋁熱反應十分快速，顆粒之自蔓延反應約於1~2分鐘內完成。使用鋁熱劑除了具有節能效益之外，產物中之氧化鋁亦可提升材料之機械特性與化學穩定性，使產物更具實用性及經濟效益，未來亦可擴增多元應用 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖五、使用鋁渣之鋁熱反應於高溫爐中燃燒波移動情形
★本文節錄自《工業材料雜誌》456期，更多資料請見下方附檔。