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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃麗敏
研究生(外文):Li-Min Huang
論文名稱:玉米胚芽油壓榨機排煙之化學洗滌除臭研究
論文名稱(外文):Chemical Scrubbing of fume gas stream from corn germ pressing machine
指導教授:周明顯周明顯引用關係
指導教授(外文):Ming-Shean Chou
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:環境工程研究所
學門:工程學門
學類:環境工程學類
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:168
中文關鍵詞:化學洗滌玉米胚芽油揮發性有機物
外文關鍵詞:VOCChemical Scrubbingcorn germ
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摘 要
為探討食用油壓榨廠排氣揮發性有機物(VOCs)及臭味處理方法,本研究針對台南縣豐年豐和企業仁德總廠玉米胚芽油壓榨機之排煙進行試驗。
廢氣分析研究結果顯示,壓榨機排煙VOCs濃度約介於323~2,100 ppm間,煙霧及焦臭味主要VOCs成分為醛類、酸性氣體、含硫化合物及硫醇類等污染物。因此,本研究以化學氧化洗滌串聯還原法之方式,分別以臭氧(O3)、次氯酸鈉(NaOCl)與過氧化氫(H2O2)為氧化劑,亞硫酸氫鈉(NaHSO3)為還原劑,藉由氧化還原之作用,探求此法處理壓榨廠臭排氣之各種操作參數。
洗滌試驗設備主要由四座串聯之吸收塔(每座口徑0.2 m,高度為1.4 m,填充材為直徑25 mm之PP接觸濾球,填料高度為0.9 m)、一氧化劑循環水槽(0.91 mL、0.74 mW及0.43 mH)及一還原槽(18 L)所構成。串聯之四座吸收塔置於氧化循環水槽中。吸收塔前後各有一部1 HP及2 HP之鼓風機,以維持臭氣處理量為2 m3/min,而循環水流量與廢氣流量之液、氣比則控制於2.4~5.0 L/m3之範圍,進行連續試驗。另配製2,156 mg/L之亞硫酸氫鈉(NaHSO3)溶液於還原槽中,控制溶液之pH於5.0~6.0之間,以一流量為2.7 L/min之pump將氧化槽之第一段排氣引入還原槽中,進行批次之試驗。本系統設有進氣口、氧化槽排氣口及還原槽排氣口三個採樣點,以檢測臭氣濃度變化。
研究結果顯示,以次氯酸鈉氧化法串聯亞硫酸氫鈉還原法最適合本排氣之處理,其條件為:(1)氧化槽循環水補充量2.4~3.5 L/m3 gas,10%有效氯次氯酸鈉溶液0.0125~0.015 L/m3 gas,循環水pH=7.5~8.0,循環水液、氣比2.4~5.0 L/m3 gas;(2)還原槽NaHSO3濃度2,156 mg/L (以 SO2計),pH=5.0~6.0之操作條件下,可將進氣VOCs (250~700 ppm)及臭味中的H2S (0~5.5 ppm,平均2.75 ppm)、NH3 (0.1~0.4 ppm,平均0.25 ppm)、Phenols (0~2.0 ppm,平均1.0 ppm)、Acids (15.0~25.0ppm,平均20.0 ppm)、CH3CHO (10.0~34.0 ppm,平均22.0 ppm)、Amines (0.1 ppm,平均0.1 ppm)及Mercaptans (0.5~10.5 ppm,平均5.5 ppm)等氣體吸收或反應去除至H2S (0 ppm)、NH3 (0~0.1 ppm,平均0.05 ppm)、Phenols (0 ppm)、Acids (0 ppm)、CH3CHO (0~10 ppm,平均5.0 ppm)、Amines (0.1 ppm)及Mercaptans (0 ppm)。二階段串聯之VOCs總去除率為85.0~100 %。至於排氣之氣味方面,經NaOCl第一階段氧化後之排氣具有氯味,乃是NaOCl過量所造成,而第二階段經亞硫酸氫鈉還原後之排氣則似水味。
該實廠設計處理風量為105 m3/min,設備成本為NT$1,530,000,每日操作費用約NT$ 3,765,年(300天,每天操作8小時)總操作費用約為NT$ 1,129,500;單位氣體處理費(含設備折舊)則為NT$ 25/1,000 m3。故NaOCl串聯NaHSO3之氧化洗滌試驗,對處理豐年豐和公司玉米胚芽油壓榨機之臭排氣而言,為經濟可行之操作技術。
Abstract
This study armed to develop a chemical scrubbing process to treat an emitted odorous gas stream from a corn-germ oil-pressing machine.
Analytical results demonstrated that the gas contains a total VOC (volatile organic compound) concentration of 323 to 2,100 ppm calibrated as methane. Major VOC ingredients are aldehydes, organic acids, and mercaptans. Ozone, sodium hypochlorite (NaOCl), and hydrogen peroxide (H2O2) were used as oxidants for VOCs other than aldehydes and sodium bisulfite (NaHSO3) was used as a reductant for aldehydes.
Experimental setup used in this study consisted of a set of four-stage-in-series scrubbers for VOC oxidation and a set of 18-L bubble column for aldehyde reduction. Each stage of the scrubber was constructed from a 25-cm x 140-cm (OD x H) plastic column packed with 2”-diameter plastic packings to a height of 90 cm.
Experiment results showed that suitable conditions for the VOC and odor removal in the oxidation tower are: (1) QL/QG (flowrate ratio of circulating liquid and gas) = 0.0024-0.0035 m3 liquid/m3 gas, (2) dose rate of NaOCl solution (10 % effective chlorine) = 0.0125-0.015 L/m3 gas, (3) pH of the circulating liquid = 7.5-8.0, and (4) supplemental water flowrate = 2.4-5.0 L/m3 gas. Those for the reduction of the residual aldehydes and other odorous compounds are: (1) concentration of NaHSO3 scrubbering solution = 2,156 mg/L as SO2 and (2) pH of the NaHSO3 solution = 5.0-6.0.
Under the conditions, experimental data demonstrated that the process could reduce H2S from 0-5.5 to 0 ppm, NH3 from 0.1-0.4 to 0-0.1 ppm, phenols from 0-2.0 to 0 ppm, acids from 15-25 to 0 ppm, acetaldehyde from 10-34 to 0-10 ppm, amines from 0.1 to 0.1 ppm, and mercaptans from 0.5-10.5 ppm to 0 ppm. Overall VOC removal efficacy was 85-100 %. Effluent gas from the oxidation stage had a chlorine smell, while that from the reduction one was odorless.
Based on the results from the pilot study, a full-scale plant with a waste gas flow rate 105 m3/min was proposed. It was estimated that the full-scale plant has an equipment cost of US$ 45,000, and an operating cost of around US$ 110/(8-hr day) or US$ 0.75/(1,000 m3 waste gas).
謝 誌-----------------------------------------------------------------------------------Ⅰ
中文摘要--------------------------------------------------------------------------------Ⅲ
英文摘要--------------------------------------------------------------------------------IV
目 錄-----------------------------------------------------------------------------------VI
表目錄-----------------------------------------------------------------------------------X
圖目錄-----------------------------------------------------------------------------------XII
第一章 前言--------------------------------------------------------------------------1
1-1 研究緣起---------------------------------------------------------------------1
1-2 研究目的---------------------------------------------------------------------2
第二章 文獻回顧---------------------------------------------------------------------4
2-1 常用之臭味處理技術------------------------------------------------------4
2-1-1 除臭技術之回顧-----------------------------------------------------4
2-1-2 化學洗滌技術除臭--------------------------------------------------8
2-1-2-1 反應原理------------------------------------------8
2-1-2-2 化學洗滌設備-------------------------------------------------10
2-1-2-3 化學洗滌方法及其適用範圍-----------------------------11
2-1-3 業界使用氧化/洗滌操作技術之相關文獻彙整-16
2-2 臭味物質及其影響--------------------------------------------------------18
2-2-1 常見之臭味物質-----------------------------------------------------18
2-2-2 VOC溶解度與亨利常數之關係-----------------------------------20
2-2-3 臭味及VOCs造成的負面影響------------------------------------22
2-2-3-1 VOCs可能造成之危害--------------------------------------22
2-2-4 臭味之量測-----------------------------------------------------------24
2-3 臭氧反應--------------------------------------------------------------------26
2-3-1 臭氧之一般性質------------------------------------------------------26
2-3-2 臭氧之製造方式------------------------------------------------------28
2-3-3 臭氧與有機物的反應-----------------------------------------------29
2-3-3-1 臭氧與有機物反應之行為特性----------------------------29
2-3-3-2 pH值對臭氧與有機物之反應行為特性的影響-------31
2-4 過氧化氫 (Hydrogen peroxide)之性質及氧化反應機制------------32
2-4-1 適用過氧化氫化學處理法之污染物-----------------------------32
2-5 吸收塔理論-----------------------------------------------------------------35
2-6 設置費用評估--------------------------------------------------------------35
2-6-1 臭氧設備-------------------------------------------------36
2-6-2 化學洗滌經濟評估--------------------------------------------37
第三章 實驗設備與方法-----------------------------------------------------------40
3-1 實驗設備--------------------------------------------------------------------40
3-1-1 設備組成--------------------------------------------------------------40
3-2 材料--------------------------------------------------------------------------47
3-2-1 臭氣來源--------------------------------------------------------------47
3-2-2 藥品名稱--------------------------------------------------------------47
3-3 試驗方法--------------------------------------------------------------------47
3-4分析項目、方法及使用之儀器------------------------------------------50
第四章 結果與討論-----------------------------------------------------------------55
4-1 排氣VOCs濃度及成份---------------------------------------------------55
4-2 以臭氧為氧化劑之實驗結果--------------------------------------------57
4-2-1 以臭氧為氧化劑,各VOCs隨時變化之情形-----------------57
4-2-2 pH值之影響-----------------------------------------------------------60
4-2-3臭氧串聯亞硫酸氫鈉之實驗結果---------------------------------62
4-2-4 以臭氧為氧化劑時,循環水中VOCs與COD之關係-------67
4-3 以次氯酸鈉為氧化劑之實驗結果---------------------------------------68
4-3-1次氯酸鈉(NaOCl)之最適加藥量-----------------------------------68
4-3-2亞硫酸氫鈉(NaHSO3)之最適加藥量------------------------------72
4-3-3亞硫酸氫鈉(NaHSO3)還原劑最適操作之pH值----------------79
4-3-4 次氯酸鈉(NaOCl)試驗之結果-------------------------------------82
4-3-5 次氯酸鈉串聯亞硫酸氫鈉之實驗結果---------------------------85
4-3-6 以次氯酸鈉為氧化劑時,循環水中TOC與VOCs之關係--89
4-4 以過氧化氫為氧化劑之實驗結果---------------------------------------90
4-4-1 pH值之影響-----------------------------------------------------------90
4-4-2 過氧化氫(H2O2)之最適加藥量------------------------------------93
4-4-3 過氧化氫(H2O2)試驗之結果---------------------------------------96
4-4-4過氧化氫串聯亞硫酸氫鈉之實驗結果----------------------------99
4-4-5 以過氧化氫為氧化劑時,循環水中TOC與VOCs之關係-104
4-5 六種試驗方法之綜合比較------------------------------------------------105
4-6 VOCs濃度與acids之關係-----------------------------------------------107
4-7 氣相與液相有機碳之質量平衡------------------------------------------109
4-8 經濟評估---------------------------------------------------------------------112
4-8-1 實場經濟成本估算---------------------------------------------------112
第五章 結論與建議-----------------------------------------------------------------115
5-1 結論---------------------------------------------------------------------------115
5-2 建議---------------------------------------------------------------------------116
參考文獻--------------------------------------------------------------------------------117
附錄一 實驗數據----------------------------------------------------------------------121
附錄二 臭氧機濃度率定-------------------------------------------------------------154
附錄三 甲烷檢量線-------------------------------------------------------------------155
附錄四 實場規劃報告----------------------------------------------------------------156
表目錄
表1-1 各種化合物之臭味閾值(odor threshold)--------------------------------3
表2-1 臭味防治及處理方法------------------------------------------------------6
表2-2 VOCs控制技術之優缺點及其適用性----------------------------------7
表2-3 常用化學吸收劑及適用臭味成份---------------------------14
表2-4 一般除臭化學反應方程式------------------------------------15
表2-5 業界使用氧化/洗滌操作技術之文獻彙整------------------16
表2-6 常見臭味物質及其發臭官能基(非含氧烴)---------------------18
表2-7 常見臭味物質及其發臭官能基(含氧烴及植物精油)---------19
表2-8一些化學物質在25℃水中之亨利常數及液氣比21
表2-9 VOCs及臭味物質之物化特性-------------------------------------------23
表2-10臭氧之物化特性------------------------------------------------------------27
表2-11各種氧化物之氧化電位比較---------------------------------------------28
表2-12 過氧化氫(H2O2)的物理特性----------------------------------------------32
表2-13 適用過氧化氫化學處理法之污染物------------------------------------33
表2-14 臭氣處理費用比較---------------------------------------------------------36
表2-15 洗滌塔填充材料費用------------------------------------------------------38
表2-16 洗滌塔年操作成本(以美金計)係數-------------------------------------39
表3-1 試驗設施摘要與試驗項目------------------------------------------------42
表3-2 藥品資料---------------------------------------------------------------------47
表3-3 供試排氣處理試驗條件(循環水或氧化劑連續補充之試驗)-------49
表3-4 供試排氣處理試驗條件(循環水或氧化劑不連續補充之批次試驗)----------------------------49
表3-5氣相層析質譜儀(GC/MS)之型號及操作條件-------------------------52
表3-6熱脫附冷凝系統之型號與操作條件------------------------------------52
表3-7 臭味之檢知管(Detector tube)呈色反應---------------------------------53
表3-8 氣體層析儀(GC-FID)之型號及操作條件 (恆溫操作)---------------54
表3-9 積分儀(CHROMATOPAC C-6A)操作條件----------------------------54
表4-1 以GC/MS分析壓榨機排煙口之VOCs--------------------------------56
表4-2 以GC/MS分析試驗設備進氣口之VOCs-----------------------------57
表4-3循環液pH值對VOCs移除量及去除率之影響----------------------61
表4-4臭氧氧化串聯亞硫酸氫鈉還原試驗結果摘要------------------------64
表4-5NaOCl最適加藥量之試驗結果摘要------------------------------------70
表4-6NaHSO3最適加藥量之試驗條件----------------------------------------74
表4-7NaHSO3最適加藥量之試驗結果摘要----------------------------------74
表4-8NaOCl氧化串聯NaHSO3還原試驗:NaHSO3溶液pH之影響---80
表4-9NaOCl氧化試驗結果摘要------------------------------------------------83
表4-10次氯酸鈉氧化串聯亞硫酸氫鈉還原試驗結果摘要------------------86
表4-11H2O2氧化試驗:H2O2氧化系統pH之影響---------------------------91
表4-12H2O2最適加藥量之試驗結果摘要---------------------------------------94
表4-13H2O2氧化試驗結果摘要---------------------------------------------------97
表4-14過氧化氫氧化串聯亞硫酸氫鈉還原試驗結果摘要------------------101
表4-15六種試驗方法之綜合比較------------------------------------------------106
表4-16 VOCs移除量與NaOCl、NaOH加藥量之配比-----------------------109
表4-17 氣相與液相有機碳之質量平衡------------------------------------------111
表4-18實場經濟評估之基礎項目------------------------------------------------113
表4-19 實場經濟成本估算------------------------------------------------------114
圖目錄
圖2-1有機廢氣處理主要技術範圍---------------------------------------------5
圖2-2化學氧化洗滌原理--------------------------------------------9
圖2-3從空氣中製得O3之流程--------------------------------------------------26
圖2-4臭氧共振結構圖------------------------------------------------------------28
圖2-5以空氣為供製氣體之臭氧產生機購置價格----------------37
圖2-6洗滌塔初設成本------------------------------------------------------------38
圖3-1研究流程---------------------------------------------------------------------43
圖3-2豐年豐和公司玉米壓榨機排氣洗滌試驗氣體管線配置側面圖---44
圖3-3豐年豐和公司玉米壓榨機排氣洗滌試驗循環水管線配置側面圖45
圖3-4豐年豐和公司玉米壓榨機排氣洗滌試驗設備------------------------46
圖3-5豐年豐和公司玉米壓榨機排煙情形------------------------------------46
圖4-1吸收塔於試驗期間之進口VOCs濃度(ppm as CH4)變化情形-----55
圖4-2以臭氧為氧化劑時,VOCs隨吸收塔或填充高度之變化情形-----59
圖4-3以臭氧為氧化劑時,H2S及NH3隨吸收塔或填充高度之變化情形------------------------------------------------------------------------------59
圖4-4以臭氧為氧化劑時,循環水中pH值對VOCs去除率之影響-------61
圖4-5以臭氧為氧化劑時,循環水中pH值對VOCs移除量之影響-------62
圖4-6供試廢氣VOCs與O3、NaHSO3之反應情形----------------------65
圖4-7H2S、NH3、Aldehydes、Phenols、Acids、Mercaptan、Amines與O3、NaHSO3之反應情形-----------------------------------------------66
圖4-8以臭氧為氧化劑時,循環水中COD與VOCs之關係--------------67
圖4-9有效氯濃度與VOCs去除率之關係-------------------------------------71
圖4-10有效氯濃度與VOCs移除量之關係-------------------------------------71
圖4-11還原段進氣口CH3CHO及其去除率之變化趨勢(NaHSO3 237 mg/L(as SO2)之試驗)-------------------------------75
圖4-12還原段進氣口CH3CHO及其去除率之變化趨勢(NaHSO3 237 mg/L(as SO2)之試驗)--------------------------------75
圖4-13VOCs與CH3CHO之移除量變化(NaHSO3 237 mg/L(as SO2)之試驗)-----------------------------------75
圖4-14還原段進氣口CH3CHO及其去除率之變化趨勢(NaHSO3 370 mg/L(as SO2)之試驗)-----------------------------------76
圖4-15還原段進氣口CH3CHO及其去除率之變化趨勢(NaHSO3 370 mg/L(as SO2)之試驗)-----------------------------------76
圖4-16VOCs與CH3CHO之移除量變化(NaHSO3 370 mg/L(as SO2)之試驗)-----------------------------------76
圖4-17還原段進氣口CH3CHO及其去除率之變化趨勢(NaHSO3 945 mg/L(as SO2)之試驗)-----------------------------------77
圖4-18還原段進氣口CH3CHO及其去除率之變化趨勢(NaHSO3 945 mg/L(as SO2)之試驗)-----------------------------------77
圖4-19VOCs與CH3CHO之移除量變化(NaHSO3 945 mg/L(as SO2)之試驗)-----------------------------------77
圖4-20還原段進氣口CH3CHO及其去除率之變化趨勢(NaHSO3 1,891 mg/L(as SO2)之試驗)--------------------------------78
圖4-21還原段進氣口CH3CHO及其去除率之變化趨勢(NaHSO3 1,891 mg/L(as SO2)之試驗)--------------------------------78
圖4-22VOCs與CH3CHO之移除量變化(NaHSO3 1,891 mg/L(as SO2)之試驗)--------------------------------78
圖4-23NaHSO3濃度與VOCs、CH3CHO去除率之關係---------------------79
圖4-242,156 mg/L NaHSO3溶液之pH值與VOCs去除率之關係---------81
圖4-252,156 mg/L NaHSO3溶液之pH值與VOCs去除率之關係---------81
圖4-26H2S、NH3、Aldehydes、Phenols、Acids、Mercaptan、Amines與NaOCl之反應情形------------------------------------------------------84
圖4-27供試廢氣VOCs與NaOCl、NaHSO3之反應情形--------------------87
圖4-28H2S、NH3、Aldehydes、Phenols、Acids、Mercaptan、Amines與NaOCl、NaHSO3之反應情形-----------------------------------------88
圖4-29以次氯酸鈉為氧化劑時,循環水中TOC與VOCs之關係---------89
圖4-30以H2O2為氧化劑時,pH值與VOCs去除率之關係-------------------92
圖4-31以H2O2為氧化劑時,pH值與VOCs移除量之關係----------------92
圖4-3235 % H2O2用量與VOCs去除率之關係---------------------------------95
圖4-3335 % H2O2用量與VOCs移除量之關係---------------------------------95
圖4-34H2S、NH3、Aldehydes、Phenols、Acids、Mercaptan、Amines與H2O2之反應情形---------------------------------------------------------98
圖4-35供試廢氣VOCs與H2O2、NaHSO3之反應情形----------------------102
圖4-36H2S、NH3、Aldehydes、Phenols、Acids、Mercaptan、Amines與H2O2、NaHSO3之反應情形-------------------------------------------103
圖4-37以過氧化氫為氧化劑時,循環水中TOC與VOCs之關係---------104
圖4-38低濃度VOCs與acids之酸量圖-----------------------------------------108
圖4-39高濃度VOCs與acids之酸量圖-----------------------------------------108
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