环保波特兰(Portland)水泥、其制备方法以及其应用技术

本申请案涉及环保波特兰(Portland)水泥、其制备方法以及其应用，涉及使用化学机械抛光CMP废弃物制备的环保波特兰水泥生料和熟料以及其制备方法。本申请案还涉及环保波特兰水泥熟料的应用，例如作为混凝土原料等用途。

Environmental Portland Cement, Its Preparation Method and Application

This application involves environmental Portland cement, its preparation method and application, raw material and clinker of environmental Portland cement prepared by CMP waste of chemical mechanical polishing and its preparation method. The application also covers the application of environmentally friendly Portland cement clinker, for example as a concrete raw material.

【技术实现步骤摘要】
环保波特兰(Portland)水泥、其制备方法以及其应用
本申请案涉及使用化学机械抛光(CMP)废弃物制备的环保波特兰(Portland)水泥生料和熟料以及其制备方法。本申请案还涉及环保波特兰水泥熟料的应用，例如作为混凝土原料等用途。
技术介绍
水泥是常见于建筑材料中的胶结性材料的总称，其是现今最重要的建筑材料之一。按照胶结性质的差异，水泥可分类为水硬性水泥和非水硬性水泥。还按照矿物组分将水泥分类为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等种类。其中，硅酸盐水泥也称为波特兰水泥，应用层面非常的广，还可依照需求使用不同类型的波特兰水泥。波特兰水泥包含氧化钙、氧化硅、氧化铝、氧化铁等主要成分，其针对使用目的和性质而使用不同含量配比的组分。所述主要成分可例如分别由石灰石、粘土、硅矿与铁渣等矿石原料所提供。然而，开采矿石原料对环境造成极大负担和影响，矿产资源含量也并非无限，因此近年来开始寻找替代矿石原料的原料以降低制备水泥的环境与经济成本。部分半导体产业的废弃物所含成分与波特兰水泥的主要成分类似，且已经有文献报道可使用半导体产业的事业废弃物作为水泥原料的替代性原料，由此，可尝试使用半导体产业所产生的废弃物作为替代性原料。例如，半导体产业中所使用化学机械研磨(CMP)法中产生的废液和经处理废液所产生的固态废弃物，即含有部分种类的水泥主要成分。化学机械研磨(CMP)法是目前主要使晶片表面平整化的过程，其包含使用研磨垫和研磨液进行平整化。在CMP研磨液中，通常包含大量纳米级二氧化硅(SiO2)粒子作为研磨粒体，将研磨液用于研磨后，所述研磨粒体仍悬浮在所产生的废水中。为了减少废弃物排放对环境的冲击和符合法规的排放标准，CMP过程所产生的废水必须经过一定的处理程序方得以排放。一般来说，处理后产生由研磨粒体、絮凝物和处理添加剂所组成的固态污泥(本文中统称为「CMP污泥」)。针对所产生的CMP污泥，通常利用掩埋的方式处理。然而，倘若因环境应力(例如风化或降雨)而造成极微细尺寸的废弃物颗粒析出，则可能流入地下水体中导致二次污染。为避免掩埋方式造成前述的二次污染，可尝试将CMP污泥作为制造混凝土的水泥熟料中部分原料的替代物，同时可减少制造水泥的环境与经济成本。然而，因CMP污泥替代水泥熟料的量有所限制，这种方式对降低环境与经济成本的效益仍有限。若能将CMP污泥直接作为水泥生料的原料使用，不仅可免除掩埋CMP污泥所产生的问题，更可减少开采矿产的需求。但是实行上仍有许多技术问题需要克服。
技术实现思路
因此，本申请案涉及使用化学机械抛光(CMP)污泥制备的环保波特兰水泥生料，其包含石灰质材料、粘土质材料、铁质材料和化学机械抛光(CMP)污泥，其中所述CMP污泥包含低于其自身重量40％的氟，且其中所述水泥生料含有至少0.024重量％的铈。所述环保波特兰水泥生料可例如是符合波特兰I型、IA型、II型、IIA型、II(MH)型、II(MH)A型、III型、IIIA型、IV型和V型水泥生料组分和性质要求的生料。本申请案还涉及环保波特兰水泥熟料，其特征在于所述熟料含有至少0.024重量％的铈。本申请案还涉及环保波特兰水泥熟料的制备方法，其是通过将前述波特兰水泥生料通过旋窑烧结方式制得。本申请案还涉及环保波特兰水泥熟料的应用，例如作为混凝土原料等用途。附图说明图1是使用传统波特兰水泥生料和使用CMP污泥作为环保波特兰水泥生料的一部分所制成的波特兰水泥熟料的凝结时间。具体实施方式环保波特兰水泥生料本申请案的环保波特兰水泥生料包含石灰质材料、粘土质材料、铁质材料和化学机械抛光(CMP)污泥。下文关于各组分进行进一步说明：A.石灰质材料本申请案的环保波特兰水泥生料中的石灰质材料占生料总重约72.0到96.0重量％，优选是78.0到93.0重量％，更优选是85.0到90.0重量％。石灰质材料的主要成分是可提供氧化钙的物质，例如碳酸钙、氢氧化钙等，所述物质可提供的氧化钙含量应占其本身约至少43重量％以上，优选是48重量％以上，更优选是53重量％以上。石灰质材料的实例是(例如但不限于)天然石灰石、大理岩、白垩矿物、炼钢渣、氢氧化钙等。石灰质材料优选还可以包含波特兰水泥的其它必要化学成分，例如可包含氧化硅、氧化铝和/或氧化铁。实例可以是泥灰土等。B.粘土质材料本申请案的环保波特兰水泥生料中的粘土质材料占生料总重约1.6到11.0重量％，优选是3.0到9.3重量％，更优选是4.7到7.6重量％。粘土质材料的主要成分是可提供氧化铝的物质，例如含有硅酸铝的碱、碱土和其化学转化物。所述物质可提供的氧化铝含量应占其本身约至少10.0重量％以上，优选20.0重量％以上，更优选40.0重量％以上。粘土质材料的实例是(例如但不限于)天然粘土矿物、工程开挖所产生的废土、高岭土、电厂作业产生的飞灰、含有长石和/或云母的矿物等。C.铁质材料本申请案的环保波特兰水泥生料中的铁质材料占生料总重约1.7到2.4重量％，优选是1.9到2.3重量％，更优选是2.0到2.2重量％。粘土质材料的主要成分是可提供氧化铁的物质，例如氢氧化铁、硫化铁等。所述物质可提供的氧化铁含量应占其本身约至少40重量％以上，优选50重量％以上，更优选是60重量％以上。铁质材料的实例是(例如但不限于)天然铁矿、炼钢铁渣等。D.化学抛光研磨(CMP)污泥一般来说，传统波特兰水泥除包含如前述石灰质材料、粘土质材料和铁质材料外，尚须包含硅矿材料，主要用以提供氧化硅成分。硅矿材料实例是天然硅矿、炼钢炉石、玻璃、预拌混凝土废泥等。然而，硅矿材料是波特兰水泥原料中单价较高的，如果能以更低成本的原料替代硅矿，将可以大幅降低生产与环境成本。化学机械研磨(CMP)法是目前半导体产业中主要使用于晶片表面平整化的过程，其使用具有研磨性与腐蚀性的研磨液以及抛光垫对晶片表面进行抛光以获得平整表面。被研磨的表面可以是(氧化)硅层或金属层，研磨前者的研磨液通常包含氧化硅、氧化铝和氧化铈；研磨后者的研磨液所使用的研磨液组成则视待研磨金属的性质而有所不同。晶片表面经研磨后所产生的废液除了研磨液本身所包含的组分(研磨颗粒、载体、添加剂等)以外，还包含从表面去除的物质。废液经处理(例如添加絮凝剂、电解混凝法)后将废水与固态物质分离，固态物质就是CMP污泥。研磨(氧化)硅层所衍生的CMP污泥主要成分是二氧化硅与氧化铈，还可以更包含钙、铁、铝、钠、铜、钨、镁、硫、前述元素与氧共同形成的各种化合物、或前述物质的任意组合。申请人惊人地发现，可将用于研磨(氧化)硅层所衍生的化学抛光研磨(CMP)污泥作为替代硅矿材料的环保波特兰水泥生料的配料，并成功地制备出与传统波特兰水泥具有物理与化学性质相当的环保波特兰水泥。而且相较于使用硅矿材料的传统波特兰水泥，因硅矿的碱含量通常极高(通常不低于其本身的2重量％)，而研磨(氧化)硅层所衍生的化学抛光研磨(CMP)污泥本身碱含量非常低(优选不高于其本身的0.9重量％，也就是说，CMP污泥对烧结后的水泥熟料所产生的碱含量贡献程度仅是一般硅矿的45％或更低)，可预期使用CMP污泥作为取代硅矿的材料所获得的水泥生料具有极低的碱含量；且经高温烧制成波特兰水泥后，可获得低碱含量的水泥。碱含量的降低改善了水泥工作性、减水剂相容性、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波特兰水泥生料，其包含石灰质材料、粘土质材料、铁质材料和化学机械抛光CMP污泥，其中所述石灰质材料的氧化钙含量至少是43重量％；所述粘土质材料的氧化铝含量至少是10重量％；所述铁质材料的氧化铁含量至少是40重量％；所述CMP污泥包含二氧化硅和氧化铈，并且二氧化硅含量至少是60重量％，以及低于重量40％的氟含量；并且其中所述水泥生料含有至少0.024重量％的铈。

【技术特征摘要】
1.一种波特兰水泥生料，其包含石灰质材料、粘土质材料、铁质材料和化学机械抛光CMP污泥，其中所述石灰质材料的氧化钙含量至少是43重量％；所述粘土质材料的氧化铝含量至少是10重量％；所述铁质材料的氧化铁含量至少是40重量％；所述CMP污泥包含二氧化硅和氧化铈，并且二氧化硅含量至少是60重量％，以及低于重量40％的氟含量；并且其中所述水泥生料含有至少0.024重量％的铈。2.根据权利要求1所述的波特兰水泥生料，其是选自波特兰I型、IA型、II型、IIA型、II(MH)型、II(MH)A型、III型、IIIA型、IV型和V型水泥生料。3.根据权利要求1所述的波特兰水泥生料，其中所述生料的碱含量最多是0.5重量％。4.一种波特兰水泥熟料...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹衍樑，郑瑞滨，江世哲，廖三棨，
申请(专利权)人：润泰精密材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71