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研究生:陳文偉
研究生(外文):Wen-Wei Chen
論文名稱:以薄膜型滲透器去除及回收揮發性有機物之研究
論文名稱(外文):Romoval and Recovery of Volatile Organic Compounds (VOCs) Using Membrane Permeator
指導教授:呂幸江
指導教授(外文):Shing-Jiang Lue
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:化學工程研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
中文關鍵詞:蒸氣滲透分離
外文關鍵詞:PDMS
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本研究使用聚二甲基矽膠薄膜(ploydimethylsiloane,簡稱PDMS),針對甲醇、甲苯與間二甲苯之氣體,利用蒸氣滲透(vapor permeation)方式達到去除及回收揮發性有機物(VOC)的目的,並且探討各操作條件對蒸氣滲透效率的影響,更進一步探討各VOC在進行蒸氣滲透時的質傳模式。
結果顯示,不同比例之交聯劑的PDMS薄膜對VOC的流通量及分離效果沒有顯著的差異;薄膜厚度而言,厚度愈小時有愈好的效果;再以壓差和進料流量作操作條件之探討,發現壓差愈大,其分離效果愈佳,而進料流量愈大,其分離效果愈佳,因此都選擇較佳的壓差和進料流量,其壓差為降低滲透端的壓力之200Pa,進料流量則選擇120cc/min。
在蒸氣吸附實驗中,吸附量為間二甲苯>甲苯>甲醇,而間二甲苯和甲苯的吸附量大甲醇的吸附量許多,探究其吸附行為遵循Flory-Huggins sorption(甲苯的χ值為0.754±0.127、間二甲苯的χ值為0.707±0.196、甲醇的χ值為1.964±0.143)。就擴散係數而言,則為甲醇>甲苯>間二甲苯(甲苯的擴散係數為5.72×10-11±1.66×10-11、間二甲苯的擴散係數為2.79×10-11±4.97×10-12、甲醇的擴散係數為1.89×10-10±3.50×10-11),其質傳行為可由溶解-擴散機制解釋。
在蒸氣滲透實驗中,進料為單一成分氣體方面,甲苯與間二甲苯的流通量隨著進料濃度增加而增加,而選擇度為20∼30之間,去除百分率為60%∼70%;在甲醇方面,流通量亦隨著進料濃度增加而增加,去除百分率之趨勢為10%∼20%,但選擇度呈反比之趨勢為30∼10。研究中發現雙成分及三成分VOC混合氣體進行蒸氣滲透時其流通量比單成分為小。
The objective of this study was to simultaneously remove and recover VOCs from gaseous streams using a membrane-based permeation unit. The membrane-PDMS (ploydimethylsiloxane) -to separate VOCs (including toluene, m-xylene and methanol) from nitrogen gas. The effect of the operating conditions on the VOC removal were studied. Furthermore, the sorption isotherms of the VOC on PDMS were established and were used the diffusivity coefficients were determined.
The PDMS membrane made with 10:1 of A and B reagents, having thickness of 180 mm, was used throughout the experiment. The permeability increased with increasing flow rate of the feed and lowering downstream pressure.
In the vapor sorption experiments, the vapor uptake was in the order:m-xylene>toluene>methanol. The interaction between good solvents(e.g. m-xylene and toluene)and PDMS was higher than that of methanol. The sorption behavior could be adequately described by Flory-Huggins equations( ctoluene=0.754±0.127, cm-xyiene=0.707±0.196, cmethanol=1.964±0.143 ). As far as diffusivity is concerned, methanol showed the lightest diffusivity coefficient, followed by toluene and m-xylene(Dtoluene=5.72×10-11±1.66×10-11, Dm-xylene=2.79×10-11±4.97×10-12, Dmethanol=1.89×10-10±3.50×10-11 ).The mass transfer mechanism of the vapor permeation can be explained by the solution-diffusion model.
In the vapor permeation experiments, in the single VOC , the flux of m-xylene and toluene increased with increased feed concentration, the selectivity is20~30, the percent removal is 60﹪-70﹪. In methanol, the flux increased with increased feed concentration, but the selectivity and percent removal reduced with increased feed concentration. The permeability of multicomponent VOC was smaller than single component.
指導教授推薦書 i
口試委員審定書 i
授權書 iii
簽署人須知 iv
致謝 v
目 錄 vi
圖 目 錄 x
表 目 錄 xiii
中文摘要 xiv
Abstract xvi
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 揮發性有機物介紹 3
2.2 VOC的處理方法 5
2.2.1 吸附法 5
2.2.2 冷凝法 6
2.2.3 吸收法 6
2.2.4 焚化法 6
2.2.5 直接燃燒法 7
2.2.6 觸媒焚化法 7
2.3 蒸氣滲透(VAPOR PERMEATION ,VP) 7
2.4 影響蒸氣滲透效率的因素 12
2.4.1 薄膜材質 12
2.4.2 薄膜厚度 14
2.4.3 VOCs濃度或部分分壓 14
2.4.4 操作溫度 18
2.4.5氣體流速的影響 18
2.4.6 操作壓力的影響 19
2.5 SORPTION 22
2.5.1 Flory-Hugguins sorption 22
2.5.2 BET sorption 23
2.5.3 Langmuir sorption 23
2.6 質傳模式 26
2.6.1 單成分系統 26
2.6.2 雙成分系統 27
第三章 研究動機與目標 29
第四章 材料與方法 30
4.1 材料與設備 30
4.2 薄膜的製備 32
4.3 物性測試 33
4.3.1 實際厚度量測 33
4.3.2 傅立葉式紅外線光譜儀(FTIR)測試 33
4.3.3 拉伸強度測試 33
4.4 吸附等溫線 34
4.5 蒸氣滲透之實驗 35
4.5.1 實驗裝置 35
4.5.2 實驗處理流程 37
4.6 GC分析 38
4.6.1 校正曲線 38
4.6.2 VOC分析 38
第五章 結果與討論 39
5.1 物性測試結果與討論 39
5.1.1 薄膜厚度的量測 39
5.1.2 傅立葉式紅外線光譜儀(FTIR)測試 39
5.1.3 拉伸強度測試 39
5.2 單成分VOC的系統 40
5.2.1 校正曲線 40
5.2.2 薄膜交聯程度的影響 40
5.2.3 薄膜厚度的影響 40
5.2.3 滲透端壓力的影響 41
5.2.4 進料氣體流量之影響 41
5.2.5 進料有機物濃度的不同 43
5.3 單成分系統在PDMS的吸附 44
5.4 單成分系統在PDMS的擴散 46
5.5 混合VOC的系統 48
第六章 結論 79
第七章 建議與未來方向 81
參考文獻 86
圖 目 錄
圖 一:VOCs處理方法的適用範圍 10
圖 二:描述蒸氣滲透的Solution-diffusion mechanism 11
圖 三:Effect of PDMS coating on Permeance22 13
圖 四:常見的蒸氣滲透薄膜系統 15
圖 五:流通量對丁烯濃度之關係圖29 16
圖 六:選擇度對丁烯濃度之關係圖29 17
圖 七:選擇度對丁烷和丁烯流量之關係圖29 20
圖 八:滲透量對丁烷和丁烯流量之關係圖29 21
圖 九:高分子薄膜常見的吸附等溫線31 24
圖 十:單成分系統實驗裝置 36
圖 十一:實驗處理流程圖 37
圖 十二:各薄膜的實際厚度與塗膜刮刀刻度之關係圖 50
圖 十三:聚二甲基矽膠(PDMS(A/B=10/1))之FTIR圖譜 51
圖 十四:甲苯的校正曲線 53
圖 十五:甲醇的校正曲線 54
圖 十六:間二甲苯的校正曲線 55
圖 十七:薄膜成分對甲苯的流通量和去除百分率之關係圖 56
圖 十八:薄膜成分對甲苯的選擇度和滲透量之關係圖 57
圖 十九:薄膜厚度對甲苯的流通量和去除百分率之關係圖 58
圖 二十:薄膜厚度對甲苯的選擇度和滲透量之關係圖 59
圖 二十一:滲透端之壓力對甲苯的流通量和去除百分率之關係圖 60
圖 二十二:滲透端之壓力對甲苯的選擇度和滲透量之關係圖 61
圖 二十三:進料流量對甲苯的流通量和去除百分率之關係圖 62
圖 二十四:進料流量對甲苯的選擇度和滲透量之關係圖 63
圖 二十五:甲苯、甲醇和間二甲苯的活性對流通量之關係圖 64
圖 二十六:甲苯、甲醇和間二甲苯的活性對去除百分率之關係圖 65
圖 二十七:甲苯、甲醇和間二甲苯的活性對滲透量之關係圖 66
圖 二十八:甲苯、甲醇和間二甲苯的活性對選擇度之關係圖 67
圖 二十九:吸附等溫線 69
圖 三十:吸附量對流通量之關係圖 70
圖 三十一:甲苯的擴散係數之比較圖 72
圖 三十二:間二甲苯的擴散係數之比較圖 73
圖 三十三:甲醇的擴散係數之比較圖 74
圖 三十四:甲苯的活性對甲苯的流通量之關係圖 76
圖 三十五:甲醇的活性對甲醇的流通量之關係圖 77
圖 三十六:間二甲苯的活性對間二甲苯的流通量之關係圖 78
表 目 錄
表 一:特別管制之有害空氣污染物 4
表 二:solubility parameter method之參數表 25
表 三:薄膜厚度的量測 49
表 四:拉伸強度測試結果 52
表 五:VOC在PDMS中χ值之比較 68
表 六:以Free-volume theory計算所需之參數 71
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