吸附材料及其制造方法技術

一種吸附材料，其包含具有玻璃相結構的多個多孔性硅酸鹽粒子。該多孔性硅酸鹽粒子的成分包含氧化硅、氧化鋁、氧化鋇、氧化鍶以及氧化硼，其中，該多孔性硅酸鹽粒子的平均孔徑介于3至50納米，及于pH值介于1至5的環境下，該多孔性硅酸鹽粒子的電動電勢為負值。此外，還提供一種制造該吸附材料的方法。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是關于一種吸附材料，尤其關于以廢棄玻璃做為原料的吸附材料及其制造方法。
技術介紹
隨著消費性電子產品的需求成長，LCD制造廠更不斷擴充產能，以滿足市場需求。然而，隨著使用年限將屆，越來越多的廢棄LCD產生。目前臺灣廢棄LCD的數量已達萬噸/年，而且預估廢棄量將逐年攀升。由于LCD面板玻璃的成分為不含堿金屬氧化物的鋁硅酸玻璃熔體(RO-Al2O3-SiO2，其中，RO表示堿土金屬化合物如：BaO，CaO，MgO，SrO)，此種材料具有成分單一、不易發生化學反應、耐高溫、高玻璃轉化溫度、高融點、高硬度等特性，以致廢棄LCD面板玻璃無法以一般鈉鈣玻璃的制造設備予以加工再利用，目前絕大多數的廢棄LCD面板玻璃仍以掩埋處理為主，但相關廢棄LCD面板玻璃的回收利用已成為環境保護的重要課題。伴隨著產能的擴張，各種工業制程產出大量工業廢水，例如半導體制程常用的砷、或是電鍍廠廢水常見的重金屬成分(鉛、銅、鉻、鎘、鎳、鋅)等。這些工業廢水主要以傳統化學沉淀法進行處理，此種廢水處理方式不僅成本居高不下，化學污泥未妥善處理，還可能造成二次污染。另一種常見的方式是采用沸石進行廢水處理，但沸石在強酸中會發生崩解或喪失吸附力，而無法直接應用于強酸性廢水處理。因此，發展更便利且更有效率的水中重金屬污染的處理方法已是刻不容緩。如何解決大量廢棄LCD面板玻璃的問題以減輕環境負荷，同時提供廢棄LCD面板玻璃更有效益的再利用方式以創造材料的永續價值，即為本專利技術的主要目的。
技術實現思路
于本專利技術的構想，依據LCD面板玻璃的物理及化學特性，以改性劑對LCD面板玻璃的成分組成與化學結構進行重置，一方面保留其在酸堿環境下的穩定性，一方面改變其表面性質以增加化學活性和物理吸附性，從而可利用廢棄LCD面板玻璃作為原料，制造出具有高吸附能力且可多次循環利用的吸附材料。根據上述構想，本專利技術提供一種吸附材料，其包含具有玻璃相結構的多個多孔性硅酸鹽粒子。該多孔性硅酸鹽粒子的成分包含氧化硅、氧化鋁、氧化鋇、氧化鍶以及氧化硼，其中，該多孔性硅酸鹽粒子的平均孔徑介于3至50納米，及于pH值介于1至5的環境下，該多孔性硅酸鹽粒子的電動電勢為負值。本專利技術還提供一種制造吸附材料的方法，其包含準備硅酸鹽粉體以及金屬化合物，其中，該硅酸鹽粉體的成分包含氧化硅、氧化鋁、氧化鋇、氧化鍶以及氧化硼；于800至1500℃的反應溫度，使該硅酸鹽粉體與該金屬化合物反應，形成具有玻璃相結構的多個多孔性硅酸鹽粒子，其中，該多孔性硅酸鹽粒子的成分包含氧化硅、氧化鋁、氧化鋇、氧化鍶以及氧化硼，其中，該多孔性硅酸鹽粒子的平均孔徑介于3至50納米，于pH值介于1至5的環境下，該多孔性硅酸鹽粒子的電動電勢為負值，及該硅酸鹽粉體與該金屬化合物的重量比介于1∶1至1∶20。本專利技術以金屬化合物對廢棄LCD面板玻璃的成分組成與分子結構進行重置，從而獲得包含具有玻璃相結構的多個多孔性硅酸鹽粒子的吸附材料。由于該多孔性硅酸鹽粒子的平均孔徑介于3至50納米，納米級的孔洞可有效吸附重金屬離子，此外，于酸性環境下，該多孔性硅酸鹽粒子的電動電勢仍可為負值，表示其可通過表面負電荷吸附酸性溶液中帶正電荷的重金屬離子，故本專利技術的該多孔性硅酸鹽粒子做為吸附材料可用于處理強酸性廢水中的有害物質(例如重金屬)，處理后的廢水不僅可達到排放標準，且已吸附有害物質的吸附材料亦可經由再生而循環利用。附圖說明圖1A為廢棄LCD面板玻璃粉體的掃描電子顯微鏡(SEM)影像圖，圖1B為本專利技術的吸附材料的SEM圖；圖2為本專利技術的吸附材料的透射電子顯微鏡(TEM)影像圖；圖3A為廢棄LCD玻璃粉體X射線衍射(XRD)圖譜，圖3B為本專利技術的吸附材料的X射線衍射(XRD)圖譜；圖4A為多孔性硅酸鹽粒子于吸附態的表面結構示意圖，圖4B為多孔性硅酸鹽粒子于脫附態的表面結構示意圖，圖4C為多孔性硅酸鹽粒子于再生態的表面結構示意圖；圖5為吸附材料的電動電勢對pH的關系圖；以及圖6A至6F分別為吸附材料對各濃度的銅(Cu)、鎳(Ni)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、鉛(Pb)的吸收關系圖。具體實施方式除非文中另有說明，說明書及權利要求書中所使用的單數形式“一”及“該”包括多個個體。在本專利技術中，術語“玻璃相”指非結晶性的凝固狀態。此外，由于具有玻璃相結構的硅酸鹽的結構非常復雜，其組成不以鹽的形式而以各金屬的氧化物表示。術語“重金屬”包含具有生物毒性的過渡金屬及類金屬元素砷。本專利技術以廢棄LCD面板玻璃做為原料制造吸附材料。制造吸附材料的方法包含下列步驟。首先，準備由廢棄LCD面板玻璃做為主要原料所制成的硅酸鹽粉體以及金屬化合物，其中，該硅酸鹽粉體包含氧化硅、氧化鋁、氧化鋇、氧化鍶以及氧化硼。接著，于800至1500℃的反應溫度，使該硅酸鹽粉體與該金屬化合物反應，以形成具有玻璃相結構的多個多孔性硅酸鹽粒子，其中，該多孔性硅酸鹽粒子的孔徑介于1至100納米，且以平均值而言，該多孔性硅酸鹽粒子的平均孔徑介于3至50納米。具體而言，可經由粉碎廢棄LCD面板玻璃而制備該硅酸鹽粉體，該硅酸鹽粉體的大小并無特別限制，例如數微米至數毫米。該硅酸鹽粉體的成分包含氧化硅、氧化鋁、氧化硼、氧化鋇以及氧化鍶，其中，以該硅酸鹽粉體的重量計算，該氧化硼的含量高于5％。在一些實施例中，可使用廢棄LCD面板玻璃以及一般鈉鈣玻璃，以制備該硅酸鹽粉體。因此，該硅酸鹽粉體的成分可進一步包含氧化鈉、氧化鎂及氧化鈣。于本專利技術中，利用活性較高的金屬化合物，例如是IA族的堿金屬化合物或IIA族的堿土金屬化合物，與該硅酸鹽粉體于800至1500℃的反應溫度下混熔而進行反應，活性較高的IA或IIA的金屬離子可去除該硅酸鹽的化學結構中部份的IIIA族金屬離子，例如硼。藉此，一方面改性該硅酸鹽的原有硅骨架結構，以創造可吸附具有高反應性的金屬離子(例如IA或IIA金屬離子)的活性位置(activesites)，而高反應性的金屬離子可在酸性環境下與重金屬離子進行置換反應；另一方面亦可在該硅酸鹽的結構中形成大量的納米級孔洞，納米級孔洞相較于微米級孔洞更能有效吸附重金屬離子。在一些實施例中，該金屬化合物選自碳酸鉀、碳酸鈉或上述的組合。在其他實施例中，該金屬化合物可進一步包含碳酸鈣以及碳酸鎂的至少之一。該金屬化合物以不少于該硅酸鹽粉體的重量而與該硅酸鹽粉體混熔，具體而言，該硅酸鹽粉體與該金屬化合物的重量比例如是介于1∶1至1∶20，又例如1∶1至1∶10。反應該硅酸鹽粉體以及該金屬化合物的溫度例如是介于800至1500℃，又例如900至1300℃。進行反應的時間不超過1小時，例如5至30分鐘。于反應完成后，以自然冷卻、急速冷卻等方式，將反應后的該硅酸鹽熔體冷卻至常溫即可形成具有玻璃相結構的該多個多孔性硅酸鹽粒子。由于可能存在過量的該金屬化合物，于冷卻反應完成的硅酸鹽熔體后，可利用酸性溶液(例如濃度為0.1至1M的硝酸、鹽酸及檸檬酸的混合溶液)溶解剩余的該金屬化合物以及雜質。接著，經由固液分離而取得固體，之后，以高于110℃的溫度烘干固體，而獲得具有玻璃相結構的該多孔性硅酸鹽粒子。本專利技術的吸附材料包含具有玻璃相結構的多個多孔性硅酸鹽粒子，該多孔性硅酸鹽粒子的成分包含氧化硅、氧本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種吸附材料，包含：具有玻璃相結構的多個多孔性硅酸鹽粒子，其成分包含氧化硅、氧化鋁、氧化鋇、氧化鍶以及氧化硼，其特征在于，該多孔性硅酸鹽粒子的平均孔徑介于3至50納米，及于pH值介于1至5的環境下，該多孔性硅酸鹽粒子的電動電勢為負值。

【技術特征摘要】
2015.06.29 TW 1041209151.一種吸附材料，包含：具有玻璃相結構的多個多孔性硅酸鹽粒子，其成分包含氧化硅、氧化鋁、氧化鋇、氧化鍶以及氧化硼，其特征在于，該多孔性硅酸鹽粒子的平均孔徑介于3至50納米，及于pH值介于1至5的環境下，該多孔性硅酸鹽粒子的電動電勢為負值。2.如權利要求1所述的吸附材料，其特征在于，該多孔性硅酸鹽粒子的比表面積介于65至500m2/g。3.如權利要求1所述的吸附材料，其特征在于，該多孔性硅酸鹽粒子的至少60％的孔洞體積的孔徑介于3至50納米。4.如權利要求1所述的吸附材料，其特征在于，于該多孔性硅酸鹽粒子的成分中，該氧化硅與該氧化鋁的重量比介于2至5。5.如權利要求1所述的吸附材料，還包含吸附于該多孔性硅酸鹽粒子的玻璃相結構中的活性金屬。6.如權利要求5所述的吸附材料，其特征在于，該活性金屬包含鈉、鉀、鈣以及鎂的至少之一。7.如權利要求5所述的吸附材料，其特征在于，以該吸附材料的重量計算，該活性金屬的含量介于3至21％。8.如權利要求1所述的吸附材料，其特征在于，每克該多孔性硅酸鹽粒子對重金屬的吸附能力高于10mg/g。9.如權利要求8所述的吸附材料...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔡佳霖，蔡正國，洪煥毅，劉邦弘，戴賢輝，
申請(專利權)人：財團法人工業技術研究院，
類型：發明
國別省市：中國臺灣;71