自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，該方法主要是先將該廢棄物加熱熔融成廢棄液后，再利用多階段且不同速度的降溫，自廢棄液中以批次(batch)的方式純化出不同純度的硝酸鉀，使硝酸鉀能夠被回收再利用，具有環(huán)保并能夠降低成本的優(yōu)勢。
【專利說明】自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種廢棄物的純化方法，特別是指一種能夠有效地從玻璃硬化制程所產(chǎn)生的且包含有硝酸鉀以及硝酸鈉的廢棄物中純化硝酸鉀的方法。
【背景技術】
[0002]一般的玻璃硬化制程可以區(qū)分為物理硬化或是化學硬化，其中，化學硬化制程主要是將要增加強度的硅酸鈉玻璃浸入硝酸鉀熔融液中，通過化學離子交換反應，將硅酸鈉玻璃中會使玻璃結構較不緊密的鈉離子，替換為硝酸鉀熔融液中的鉀離子，即將鈉離子替換為較大的鉀離子，以提升玻璃表面的強度。
[0003]由于經(jīng)過化學離子交換反應一段時間后的熔融液中部分的硝酸鉀成分逐漸交換為硝酸鈉，而雖然工業(yè)用純硝酸鉀熔融液中本來就含有微量的鈉離子，但當硝酸鈉濃度增高至一定程度時，例如反應過的熔融液中的硝酸鈉濃度提升數(shù)十倍后，反應過的熔融液便無法再進行離子交換反應，以致無法確實達到提升玻璃表面強度的目的。
[0004]因此，即使反應過的熔融液中仍含有硝酸鉀，也無法再用于化學硬化制程，是故，通常為了稍微降低成本，會用稀釋方式將反應過的熔融液取出，再重新加入純硝酸鉀熔融液來混合使用，而取出部分只能作為廢棄物丟棄，十分浪費且不環(huán)保，此外，每次稀釋都需要使用大量的純硝酸鉀熔融液，導致制造成本過高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種純化方法，其能夠自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中純化出大部分的硝酸鉀，并可得到不同純度的硝酸鉀，使硝酸鉀能夠
被重復再利用。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明所提供的一種自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，所述廢棄物為固態(tài)且包含有硝酸鉀以及硝酸鈉，所述純化硝酸鉀的方法包含有下列步驟:(a)將所述廢棄物置于一第一純化槽中，并將所述廢棄物加熱至一能使所述廢棄物熔融成一廢棄液的熔融溫度；(b)以一第一速度使所述廢棄液自所述熔融溫度降溫至一第一溫度，并恒溫于所述第一溫度，所述第一溫度足以使所述廢棄液析出硝酸鉀結晶并附著于所述第一純化槽周壁；(C)以一慢于所述第一速度的第二速度，使所述廢棄液自所述第一溫度緩慢降溫至一第二溫度，并恒溫于所述第二溫度，所述第二溫度接近所述硝酸鉀的凝固點溫度；(d)將剩余廢棄液引導至一第二純化槽中；(e)進行下列批次步驟其中之一:(el)將所述第二純化槽中的廢棄液加熱至所述熔融溫度，并以一第一速度使所述廢棄液自所述熔融溫度降溫至一第一溫度，并恒溫于所述第一溫度，所述第一溫度足以使所述廢棄液析出硝酸鉀結晶并附著于所述第二純化槽周壁，以及以一慢于所述第一速度的第二速度，使所述廢棄液自所述第一溫度緩慢降溫至一第二溫度，并恒溫于所述第二溫度，所述第二溫度接近所述硝酸鉀的凝固點溫度；(e2)將附著于所述第一純化槽周壁的硝酸鉀結晶加熱至所述熔融溫度而成為一熔融液，并進行步驟(b)至(c) ；(e3)將附著于所述第一純化槽周壁的硝酸鉀結晶加熱至所述熔融溫度而成為一熔融液，將所述熔融液引導至一第三純化槽中，并以一第一速度使所述熔融液自所述熔融溫度降溫至一第一溫度，并恒溫于所述第一溫度，所述第一溫度足以使所述熔融液析出硝酸鉀結晶并附著于所述第三純化槽周壁，以及以一慢于所述第一速度的第二速度，使所述熔融液自所述第一溫度緩慢降溫至一第二溫度，并恒溫于所述第二溫度，所述第二溫度接近所述硝酸鉀的凝固點溫度；(f)將析出的硝酸鉀結晶取出。
[0007]上述本發(fā)明的技術方案中，在步驟(C)之后與步驟(d)之前，還包含有以一慢于所述第二速度的第三速度，使所述廢棄液自所述第二溫度緩慢降溫至一第三溫度，并恒溫于所述第三溫度的步驟，所述第三溫度高于所述硝酸鈉的凝固點溫度。
[0008]步驟(el)還包含有以一慢于所述第二速度的第三速度，使所述廢棄液自所述第二溫度緩慢降溫至一第三溫度，并恒溫于所述第三溫度的步驟，所述第三溫度高于所述硝酸鈉的凝固點溫度。
[0009]步驟(e2)以及(e3)還包含有以一慢于所述第二速度的第三速度，使所述熔融液自所述第二溫度緩慢降溫至一第三溫度，并恒溫于所述第三溫度的步驟，所述第三溫度高于所述硝酸鈉的凝固點溫度。
[0010]所述第三溫度實質上介于310°C至333°C之間。
[0011]通過分別在所述第一、第二及第三純化槽的底部提供一熱源，并控制所述第一、第二及第三純化槽的周壁的溫度介于240°C至350°C之間，使所述第一與第二純化槽中的廢棄液以及所述第三純化槽中的熔融液能保持恒溫。
[0012]所述熱源為一分別設置于所述第一、第二及第三純化槽的底部的加熱器，而所述 第一、第二及第三純化槽的周壁溫度是通過一分別包覆于所述第一、第二及第三純化槽周壁的恒溫器所控制。
[0013]所述熔融溫度介于380°C至550°C之間。
[0014]所述第一溫度介于340°C至350°C之間。
[0015]所述第二溫度介于333°C至340°C之間。
[0016]采用上述技術方案，本發(fā)明通過上述“降溫至第三溫度的步驟”，通過使降溫速度越來越慢，讓廢棄液及熔融液中的硝酸鉀成分能夠充分析出，而且，由于本發(fā)明是先將該廢棄物加熱熔融成廢棄液后，再分階段地以不同的速度降低廢棄液的溫度，并搭配批次純化的步驟，因此不僅能夠純化出廢棄液中大部分的硝酸鉀，還能夠獲得具有不同純度的硝酸鉀，使純化出的硝酸鉀能夠重復利用于玻璃硬化的制程，因此具有環(huán)保并能夠降低成本的優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是依據(jù)本發(fā)明一較佳實施例所為的純化方法的流程圖；
[0018]圖2是一示意圖，顯示依據(jù)本發(fā)明該較佳實施例所為的純化方法所使用的裝置；
[0019]圖3類同圖2，顯示本發(fā)明的純化方法所使用的裝置的另一種可能形態(tài)。
【具體實施方式】[0020]現(xiàn)舉以下實施例并結合附圖對本發(fā)明的結構及功效進行詳細說明。
[0021] 申請人:首先在此說明，在通篇說明書中述及的“接近” 一詞，是指“可高于或是低于”的意思。
[0022]首先，如圖1、圖2所示，在本發(fā)明所提供的一較佳實施例中，在步驟SI中，先將玻璃硬化制程所產(chǎn)生的包含有硝酸鉀(potassium nitrate, KNO3)以及硝酸鈉(sodiumnitrate, NaNO3)的固態(tài)廢棄物置入一第一純化槽10中，之后用一設置于第一純化槽10底部23的加熱器20，加熱至約380°C至550°C的熔融溫度，并在此溫度下靜置一段時間，例如約I至10小時，使該廢棄物完全熔融成一廢棄液W。在本例中，是通過給一溫度控制器30設一默認溫度，即一介于380°C至550°C之間的溫度，使溫度控制器30能夠依據(jù)一溫度傳感器40回饋的溫度訊號，來控制加熱器20與一包覆于第一純化槽10周壁21的恒溫器50，進而使廢棄液W能夠維持于該默認溫度。 [0023]關于溫度控制器30、溫度傳感器40以及恒溫器50，在本實施例中，溫度傳感器40可使用一高溫型溫度計，以測量廢棄液W的溫度；溫度控制器30電連接加熱器20、溫度傳感器40以及恒溫器50，使溫度控制器30能夠依據(jù)溫度傳感器40回饋的廢棄液W的溫度訊號，來控制加熱器20以及恒溫器50升溫或降溫。如此，當?shù)谝患兓?0內(nèi)的廢棄液W的溫度超過或低于默認溫度時，溫度控制器30隨即控制加熱器20以及恒溫器50降溫或升溫，以有效地控制廢棄液W的溫度。
[0024]由于在本實施例中，廢棄液W還包含有除了硝酸鉀(KNO3)以及硝酸鈉(NaNO3)以外的其他鹽類混合物，諸如磷酸鹽(phosphate)、硫酸鹽(sulfate)或是亞硝酸鹽(nitrite)，因此第一純化槽10最好能以與鉀、鈉離子反應性低且具有抗鹽類腐蝕性的不銹鋼材質制成，以避免第一純化槽10與鉀、鈉離子反應而在第一純化槽10內(nèi)生成不必要的反應物，以及避免第一純化槽10在高溫下受前述鹽類混合物侵蝕而損壞。
[0025]其后，將加熱器20的溫度維持于前述熔融溫度(例如約400°C )，并使恒溫器50恒溫于240°C至350°C，使廢棄液W能夠維持于約310°C至350°C的溫度，然后使廢棄液W進行步驟S2至S3的階段式降溫，也就是以越來越慢的速度降溫，讓廢棄液W中的硝酸鉀成分能夠析出。舉例來說，首先，在步驟S2中，設定一第一溫度，例如為350°C，也就是略高于硝酸鉀凝固點溫度(大約為333°C)的溫度，之后使廢棄液W以一第一速度，在本實施例中約
1.8330C /min的速度，開始降溫至該第一溫度，并恒溫在該第一溫度一段預定時間，本實施例中該恒溫時間為(但不限于)約I小時，此時，由于鄰近周壁21的廢棄液W的溫度會略低于鄰近底部23的廢棄液W的溫度，使鄰近周壁21的廢棄液W逐漸析出硝酸鉀結晶C并附著在周壁21的內(nèi)表面。需特別說明的是，前述恒溫時間可視實際需求而為I至2小時。
[0026]之后，在步驟S3中，設定一第二溫度，例如為340°C，即接近硝酸鉀凝固點溫度(大約為333°C)的溫度，之后以一慢于該第一速度的第二速度，本實施例中約0.014°C /min的速度，開始降溫至該第二溫度，并恒溫在該第二溫度一段比上述恒溫時間更長的預定時間，在本實施例中該恒溫時間為(但不限于)2小時，此時，周壁21會附著越來越多的硝酸鉀結晶C。需特別說明的是，前述恒溫時間可視實際需求而為2至5小時。
[0027]由于該第二溫度為接近該硝酸鉀的凝固點(freezing point)溫度，因此更長的恒溫時間可使廢棄液W中析出更多量的硝酸鉀結晶C并附著在第一純化槽10周壁21的內(nèi)表面。[0028]再來，在步驟S4中，將第一純化槽10中進行第一次純化后剩余的廢棄液W’引導至一第二純化槽10’中。舉例來說，如圖2所示，剩余的廢棄液W’是通過一連接裝置60導入第二純化槽10’中。第二純化槽10’的設計與第一純化槽10相同，即第二純化槽10’同樣配備有加熱器20、溫度控制器30、溫度傳感器40以及恒溫器50。而連接裝置60包含有一閥61(例如一般的開關閥或逆止閥等)、一連通管63以及一加熱單元65。為了耐受高溫，閥61可使用諸如金屬密封閥件，前述金屬為不銹鋼或銅；加熱單元65用于控制流入連通管63內(nèi)的廢棄液W’的溫度，使廢棄液W’維持于熔融態(tài)。
[0029]當廢棄液W’通過連通管63流入第二純化槽10’內(nèi)后，接著進行步驟S51，將廢棄液W’加熱至前述熔融溫度，并進行步驟S2至S3，以進一步從廢棄液W’中將可能殘留的硝酸鉀純化出來。如此，本發(fā)明的純化方法能夠分離出廢棄物中大部分的硝酸鉀。
[0030]當?shù)谝患兓?0中剩余的廢棄液W’完全被導入第二純化槽10’后，可進行步驟S52，將附著于第一純化槽10周壁21的硝酸鉀結晶加熱至前述熔融溫度而成為熔融液，并重復進行步驟S2至S3，以進一步自該熔融液中純化硝酸鉀，使本發(fā)明的純化方法能夠獲得具有不同純度的硝酸鉀。值得一提的是，步驟S52除了如前所述可在第一純化槽10內(nèi)進行之外，還可如圖3所示，在成為熔融液M后，通過連接裝置60導入一第三純化槽10”中，并在第三純化槽10”中進行前述步驟S2至S3。當然，第三純化槽10”的設計也與第一純化槽10相同，即第三純化槽10”同樣配備有加熱器20、溫度控制器30、溫度傳感器40以及恒溫器50。
[0031]最后，分別將步驟S51以及S52純化后剩余的廢棄液W’取出，并收集硝酸鉀結晶C。前述取出廢棄液W’以及收集硝酸鉀結晶C的方法，可利用(但不限于)本發(fā)明的發(fā)明人先前所獲得的中國臺灣新型專利第M426447號所揭示的一種負壓保溫抽取管裝置，直接從第一、第二及第三純化槽10、10’、10”內(nèi)抽取廢棄液W’或熔融態(tài)的硝酸鉀。
[0032]當然，實際應用時，為了盡量將剩余廢棄液W’中的硝酸鉀純化出，以及獲得純度更高的硝酸鉀，上述的批次(batch)純化步驟，即步驟S51與S52可以視需求重復進行。
[0033]另外，由于該第二溫度接近該硝酸鉀的凝固點(freezing point)溫度(大約為333°C )，因此，步驟S4中的廢棄液Ψ中可能殘留有較多未被純化出的硝酸鉀，所以，本發(fā)明的純化方法的步驟S3與S4之間，最好還包括有以一慢于該第二速度的第三速度，在本實施例中約0.006°C /min的速度，使廢棄液W從該第二溫度緩慢降溫至一第三溫度，并恒溫于該第三溫度的步驟，該第三溫度在本實施例中約為310°C，也就是高于硝酸鈉凝固點溫度(大約為308°C)的溫度，且其恒溫時間在本實施例中為(但不限于)5小時，此時，硝酸鉀結晶C的析出速度會逐漸減緩，以進一步地分離出廢棄液W中的硝酸鉀并避免同時析出硝酸鈉的結晶。需特別說明的是，該第三溫度實質上最好介于310°C至333°C之間，而該恒溫時間可視實際需求為5至15小時。
[0034]另外，實際應用時，步驟S51以及步驟S52同樣可分別進一步包括有如前所述的以一慢于該第二速度的第三速度，使廢棄液r以及熔融液μ從該第二溫度緩慢降溫至第三溫度，并恒溫于該第三溫度的步驟，以進一步將可能未析出的硝酸鉀純化出來。前述第三溫度與該恒溫時間均與前段所述的相同。
[0035]經(jīng)由本實施例純化后的廢棄液W’，利用感應耦合電漿原子發(fā)射光譜法(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry, ICP-0ES)來檢測廢棄液W’中的鈉離子量，并且，通過下列公式計算后，本發(fā)明該較佳實施例的純化方法的鈉離子去除率可達到80%，因此可證明本發(fā)明確實能夠有效地從廢棄液中純化硝酸鉀。
[0036][公式]
[0037]
【權利要求】
1.一種自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，所述廢棄物為固態(tài)且包含有硝酸鉀以及硝酸鈉，所述純化硝酸鉀的方法包含有下列步驟: (a)將所述廢棄物置于一第一純化槽中，并將所述廢棄物加熱至一能使所述廢棄物熔融成一廢棄液的熔融溫度； (b)以一第一速度使所述廢棄液自所述熔融溫度降溫至一第一溫度，并恒溫于所述第一溫度，所述第一溫度足以使所述廢棄液析出硝酸鉀結晶并附著于所述第一純化槽周壁； (c)以一慢于所述第一速度的第二速度，使所述廢棄液自所述第一溫度緩慢降溫至一第二溫度，并恒溫于所述第二溫度，所述第二溫度接近所述硝酸鉀的凝固點溫度； (d)將剩余廢棄液引導至一第二純化槽中； (e)進行下列批次步驟其中之一: (el)將所述第二純化槽中的廢棄液加熱至所述熔融溫度，并以一第一速度使所述廢棄液自所述熔融溫度降溫至一第一溫度，并恒溫于所述第一溫度，所述第一溫度足以使所述廢棄液析出硝酸鉀結晶并附著于所述第二純化槽周壁，以及以一慢于所述第一速度的第二速度，使所述廢棄液自所述第一溫度緩慢降溫至一第二溫度，并恒溫于所述第二溫度，所述第二溫度接近所述硝酸鉀的凝固點溫度； (e2)將附著于所述第一純化槽周壁的硝酸鉀結晶加熱至所述熔融溫度而成為一熔融液，并進行步驟(b)至(C)； (e3)將附著于所述第一純化槽周壁的硝酸鉀結晶加熱至所述熔融溫度而成為一熔融液，將所述熔融液引導至一第三純化槽中，并以一第一速度使所述熔融液自所述熔融溫度降溫至一第一溫度，并恒溫于 所述第一溫度，所述第一溫度足以使所述熔融液析出硝酸鉀結晶并附著于所述第三純化槽周壁，以及以一慢于所述第一速度的第二速度，使所述熔融液自所述第一溫度緩慢降溫至一第二溫度，并恒溫于所述第二溫度，所述第二溫度接近所述硝酸鉀的凝固點溫度； (f)將析出的硝酸鉀結晶取出。
2.如權利要求1所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:在步驟(C)之后與步驟(d)之前，還包含有以一慢于所述第二速度的第三速度，使所述廢棄液自所述第二溫度緩慢降溫至一第三溫度，并恒溫于所述第三溫度的步驟，所述第三溫度高于所述硝酸鈉的凝固點溫度。
3.如權利要求1所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:步驟(el)還包含有以一慢于所述第二速度的第三速度，使所述廢棄液自所述第二溫度緩慢降溫至一第三溫度，并恒溫于所述第三溫度的步驟，所述第三溫度高于所述硝酸鈉的凝固點溫度。
4.如權利要求1所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:步驟(e2)以及(e3)還包含有以一慢于所述第二速度的第三速度，使所述熔融液自所述第二溫度緩慢降溫至一第三溫度，并恒溫于所述第三溫度的步驟，所述第三溫度高于所述硝酸鈉的凝固點溫度。
5.如權利要求2至4中任一項所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:所述第三溫度實質上介于310°C至333°C之間。
6.如權利要求2至4中任一項所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:通過分別在所述第一、第二及第三純化槽的底部提供一熱源，并控制所述第一、第二及第三純化槽的周壁的溫度介于240°C至350°C之間，使所述第一與第二純化槽中的廢棄液以及所述第三純化槽中的熔融液能保持恒溫。
7.如權利要求6所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:所述熱源為一分別設置于所述第一、第二及第三純化槽的底部的加熱器，而所述第一、第二及第三純化槽的周壁溫度是通過一分別包覆于所述第一、第二及第三純化槽周壁的恒溫器所控制。
8.如權利要求1所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:所述熔融溫度介于380°C至550°C之間。
9.如權利要求1所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:所述第一溫度介于340°C至350°C之間。
10.如權利要求1所述的自玻璃硬化制程所產(chǎn)生的廢棄物中連續(xù)批次純化硝酸鉀的方法，其特征在于:所述第二溫度 介于333°C至340°C之間。
【文檔編號】C01D9/16GK103539167SQ201210235093
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月9日 優(yōu)先權日:2012年7月9日
【發(fā)明者】楊閔惠 申請人:虎尾科技大學