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研究生:紀威宇
研究生(外文):WeiYu Chi
論文名稱:以二氧化鈦光觸媒進行養殖水中氨氮之光催化降解
論文名稱(外文):Photocatalytic Degradation of Ammonia with Titanium Oxide (TiO2) in Aquaculture
指導教授:陳正修陳正修引用關係黃春蘭黃春蘭引用關係
指導教授(外文):ZhengXiu ChenChunLan Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:熱帶農業研究所
學門:農業科學學門
學類:一般農業學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:110
中文關鍵詞:二氧化鈦光催化劑去除率
外文關鍵詞:TiO2photocatalystdegradation
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本研究利用光催化分解程序,進行水中氨氮之去除,以減低因高密度養殖所產生的氨氮而造成養殖生物的危害,進而提高養殖密度及生產量。
以二氧化鈦粉末為光催化劑,進行光催化分解反應實驗,研究測試之反應參數包括:催化劑使用量、水樣pH值、水樣中離子種類、反應溫度、照光強度及時間、二氧化鈦鍍膜濃度等。研究結果顯示:以紫外光照光24小時後,當二氧化鈦的使用量為0.05﹪時,水中氨氮的去除率可達47.8%。pH值在5.6∼9.3之間,二氧化鈦對氨氮的催化降解有明顯的效果,最佳氨氮去除率發生在pH=7.5。而氨氮試液在有硫酸根及磷酸根等陰離子的條件下,可助增加水中氨氮的去除。反應溫度與氨氮去除率有正相關,溫度越高則氨氮光催化效果越好;鍍膜濃度選擇在0.5﹪,氨氮去除率達47.4﹪。此外,光源選擇日光時,二氧化鈦用量為0.05﹪,累積光量達8306hr.uw/cm2時,氨氮降解率為65.6﹪。另外,以自製光觸媒反應器應用在實際的水族生態之初步試驗中,實驗組每小時的仔魚死亡率皆低於對照組,因此利用二氧化鈦光催化可降低氨氮及減少其對仔魚的危害。
本研究未來將對光催化降解水中氨氮之反應機制做更深入的探討,以及研究如何改良反應器,因而更能提高催化效率,以達到實際應用於處理養殖用水之目的。
關鍵字:二氧化鈦、光催化劑、去除率
This study used UV/ TiO2 oxidation processes to reduce ammonia in water, reducing its damage on the aquatic organisms under the high density culture. Reduction of ammonia in water enabled the increase of the density of aquaculture, thereby increasing its production.
As a potocatalysts, Titanium Oxide (TiO2) was used in photocatalytic degradation to examine: TiO2 dosages, pH values, anionic in water, temperature, light intensities, different concentrations of coating solution, etc. The results showed that after 24-hours exposure to UV light, TiO2 at a concentration of 0.05 % was found to give an optimal degradation rate of 47.4% and the most significant degradation effect on ammonia was at pH 5.6~ 9.3 with pH 7.5 providing the best result.
Moreover, under the condition of anionic SO42- and PO43-, the use of TiO2 could facilitate the reduction of ammonia in water. There was a positive correlation between the temperature and the degradation rate; the higher the temperature, the better the photocatalytized. When the coating concentration was set at 0.5%, the degradation of ammonia was 47.4%. In addition, under the solar light condition, the amount of TiO2 used was 0.05%, the amount of photon accumulated was 8306hr.uw/cm2, and the degradation rate of ammonia was 65.6%. Also, when a self-made photocatalyst reactor was used in the study of aquaculture ecology, the hourly mortality of newborn fry in the test group was lower than that of the control group.
This study showed that using TiO2 as photocatalyst significantly decreased the damage to newborn fry caused by the presence of ammonia in water. Further study is needed to examine the mechanism of photocatalytic degradation, and to improve the reactor to increase its photocatalytic efficiency so that it can be applied to water treatment in commercial aquaculture farms.
Keywords: TiO2, photocatalyst, degradation.
第一章 前言………………………………………………..1
1-1研究緣起………………………………………………1
1-2研究目的………………………………………………3
第二章 前人研究…………………………………………...4
2-1養殖池水中氨的來源及及氨氮對水中生物的影響……………………………………………………….4
2-1.1水中氨的來源……………………………………………4
2-1.2 氨氮的性質及毒性…………………………….……….5
2-1.3 氨氮對水中生物的影響……………………….………8
2-2 光化學反應…………………………………………..10
2-2.1光化學反應原理………………………………………...10
2-2.2 光化學反應之分類………………………….…………11
2-3二氧化鈦光催化反應…………………………..…...14
2-3.1 二氧化鈦光催化反應機制…………………..……….14
2-3.2 二氧化鈦光催化劑的特性…………………..……….21
2-4 二氧化鈦光催化劑製備方法……………………..22
2-5提高二氧化鈦光催化能力的途徑………………..25
2-5.1二氧化鈦的表面修飾…………………………..………25
2-5.2 二氧化鈦粒子的量子化……………………….……..29
第三章 材料與方法…………………………………….…30
3-1 實驗使用之儀器設備………………………………30
3-2 實驗藥品及器材…………………………………….31
3-3 實驗裝置…………………………………………..….33
3-4 實驗步驟…………………………………………..….37
3-4.1背景實驗…………………………………………………37
3-4.2二氧化鈦催化最適反應條件…………………………38
3-4.2.1比較不同二氣化鈦用量對氨氮之去除試驗….38
3-4.2.2比較在不同pH環境下,二氧化鈦光催化對氨氮
之去除試驗…………………………………….39
3-4.2.3 比較在不同溫度的環境下,二氧化鈦光催化對氨氮之去除試驗…………………………………….40
3-4.2.4 比較含有不同陰離子環境下,二氧化鈦光催化對氨氮之去除試驗…………………………………40
3-4.2.5 比較在不同照光強度下,二氧化鈦光催化對氨氮之去除試驗…………………………………41
3-4.2.6 比較在太陽下不同照光時間,二氧化鈦光催化對氨氮之去除試驗…………………………………42
3-4.3 催化劑載體選擇………………………………...……..42
3-4.3.1 比較在不同的鍍膜濃度條件下,二氧化鈦光催化對氨氮之去除試驗……………………………...43
3-4.3.2 由四氯化鈦製備二氧化鈦鍍膜液……………44
3-4.3.3 比較在不同種類的鍍膜載體條件下,二氧化鈦光催化對氨氮之去除試驗…………………….….45
3-4.3.4 載體回收活性試驗……………………….…...45
3-4.4以自製反應器模擬實際養殖用水之光催化實驗...46
3-4.4.1自製反應器對二氧化鈦對氨氮之去除試驗….46
3-5 測定分析方法……………………………………….47
第四章 結果與討論……………………………………….54
4-1背景實驗………………………………………………54
4-2二氧化鈦催化最適反應條件………………………55
4-2.1二氧化鈦最適用量……………………………………..55
4-2.2 酸鹼值對氨氮光催化的影響………………………..59
4-2.3溫度對氨氮光催化的影響……………………………66
4-2.4陰離子對氨氮光催化的影響…………………………68
4-2.5光照強度對氨氮光催化的影響…….…………….69
4-2.6太陽光光照時間和TiO2不同用量的濃度,對水中氨氮去除率之影響…………………………………..73
4-3 載體及鍍膜液對氨氮光催化的影響………………79
4-3.1鍍膜濃度對氨氮光催化的影響……………………...80
4-3.2 鍍膜載體對氨氮光催化的影響……………….…….80
4-3.3 鍍膜載體的活性 ………………………………..84
4-4 自製反應器模擬養殖用水氨氮之去除…………95
4-4.1魚類對氨氮毒性之忍受度……………………………95
4-4.2自製反應器實際催化氨氮之效果…………………..96
第五章 結論………………………………………………..100
參考文獻……………………………………………………..103
圖目錄
圖2-1 二氧化鈦之異相光催化反應機構圖………………..20
圖3-1 自製光觸媒反應器及循環水系統…………………..36
圖3-2 自製循環水光催化反應器實體……………………..48圖3-3 自製循環水光催化反應器內部示意圖……………..49
圖3-4 氨氮自動分析儀分析流程示意圖…………………..51
圖4-2-1不同TiO2用量對水中氨氮之去除率……………..…61
圖4-2-2在不同pH環境中,有無TiO2催化對水中氨氮去除率之
比較….……………………………………………….64
圖4-2-3在不同pH環境中,有無TiO2催化之淨效果…..…..65
圖4-2-4在不同溫度條件中,TiO2對水中氨氮去除率與催化淨
效果之比較……………………….…..……………...67
圖4-2-5 TiO2在不同陰離子及不同TiO2用量的環境中,對水中
氨氮之去除率………………………………………...70
圖4-2-6 陰離子最佳與最差之催化效果比較圖……………..71
圖4-2-7 TiO2在不同光照強度下,對水中氨氮之去除率…...74
圖4-2-8 TiO2在不同光照強度下,對水中氨氮光催化之淨效果……………………………………………………...75
圖4-2-9 太陽光光量和TiO2不同用量的濃度,對水中氨氮之去
除率…………………………………………….……..77
圖4-2-10太陽光光度與溫度變化對照圖……………………..78
圖4-3-1 不同TiO2鍍膜濃度對水中氨氮之去除率…………..82圖4-3-2載體A…………………………… ….………………...85
圖4-3-3鍍膜載體A(TiO2 0.5﹪)…………….……………..85
圖4-3-4載體B…………………………….………….………..86
圖4-3-5鍍膜載體B(TiO2 0.5﹪)…………………………..86
圖4-3-6載體C…………………………….……………….…..87
圖4-3-7鍍膜載體C(TiO2 0.5﹪)…………………………..87
圖4-3-8載體D…………………………….…………………...88
圖4-3-9鍍膜載體D(TiO2 0.5﹪)…………………………..88
圖4-3-10鍍膜載體E(TiO2 0.5﹪)…………………………89
圖4-3-11不同鍍膜載體對氨氮光催化之去除率……..……...90
圖4-3-12不同鍍膜載體對氨氮光催化之淨效果……..……...91
圖4-3-13不同鍍膜載體反應次數之氨氮去除率……..……...93
圖4-3-14不同鍍膜載體回收活性之淨效果…………..……...94
圖4-4-1對照組與實驗組之仔魚存活率……………………...98
圖4-4-2對照組與實驗組之氨氮去除率……………………...99
表目錄
表2-1 NH3 及NH4+在不同pH值及水溫時存在的比例………7
表4-1-1氨氮直接光解去除率及二氧化鈦暗反應…………...56
表4-1-2氨氮溶液溫度變化表………………………………...57
表4-1-3氨氮溶液與溫度變化表……………………………...57
表4-2-1不同TiO2用量對水中氨氮去除率…………………..60
表4-2-2不同PH值條件下,有無TiO2催化對水中氨氮去除率……………………………………………………...63
表4-2-3 光照強度及催化淨效果……………………………..72
表4-2-4 太陽光光量和TiO2不同用量的濃度,對水中氨氮
之去除率….…………….…………………………….76
表4-3-1不同TiO2覆鍍濃度對水中氨氮之去除率…………...81
表4-3-2 載體回收次數及氨氮去除率………………………..92
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