臺灣博碩士論文加值系統

活性碳做為吸附劑在工業上用途極為廣泛，尤其處理低濃度VOCs尾氣，然其吸附會很快達到飽和需再生，利用水相再生方式有洗滌氧化吸附過程附著之灰份功能，再利用高級氧化法達到去除的效果。目前之相關文獻報導很少，其中採用Fenton與臭氧處理的效果卓越但目前為止尚未有使用UV/H2O2之相關研究。本研究中利用三種高級氧化技術UV/H2O2、UV/O3與UV/Fenton來處理吸附飽和活性碳(甲苯、乙酸乙酯、丁酮) ，並比較它們之間的效率差異。在三種不同VOCs氧化揮發性實驗中發現，若曝氣速率高、汽化速率將過快致使氧化反應轉化率變低，特別是UV/O3程序；使用曝氣式的活性碳再生其揮發效果仍為主要機制，曝氣式氧化約有40%的功效，因此仍需後段再吸附設備做處理，但可減少活性碳的用量。曝氣速率低則有明顯氧化效果如UV/H2O2與UV/Fenton，但活性碳於氧化中易碎為粉末阻礙光照射，是氧化效率降低。
水處理系統中以UV/H2O2光解效率佳且無後續污染物問題，其氧化程序為較優。利用活性碳再生系統進行二段式氧化實驗，利用水循環使其VOCs脫附於水中，進入光反應中進行氧化，而活性碳本身在未經紫外燈照射下，對於過氧化氫也具催化作用，可產生氫氧自由基促進有機物之降解。光反應器產生之氫氧自由基與活性碳脫附於水中之有機物進行氧化，而此鍊鎖反應亦隨水流進入活性碳表面促使VOCs亦可在其表面進行氧化反應，使再生效率大大提升達90%以上。利用此串接裝置最終能使COD、TOC達到水質標準，也讓水相中氧化產物完全分解，pH值恢復中性使水質可回收再利用。由SEM分析活性碳結構得知，再生後的活性碳因本身灰份增加而導致微孔洞有增大的現象。

The Activated Carbon has been extensively to remove organic compounds dispersed in waste streams. However, the adsorbent is very easily saturated and regeneration is usually required for another batch of adsorption. The water based regeneration system under advanced oxidation (UV/H2O2, UV/Ozone and UV/Fenton ) is proposed, and toluene(TOL), ethyl acteate(EA) and methyl ethyl ketone(MEK) are chosen as representative VOCs in this study. The system contains two columns, namely adsorber and photoreactor. The preload activated carbon undergoes desorption by water circulation and regeneration starts as soon as desorption equilibrium is reached. The hydroxyl radical (OH) produced in photoreactor is found to be very reactive not only in the solution mixture but on the surfaces of activated carbon in adsorber. Although activated carbon can promote the decomposition of H2O2 into reactive radicals, it is observed, however, that stripping is overwhelming over oxidation for regeneration as the air rate is high, especially in the UV/Ozone process. The oxidation is significant at lower air flowrate (UV/Fenton and UV/H2O2) and closed system. A pH variation pattern during regeneration was also observed under UV/H2O2 scheme, and it was successfully applied to reflect the organic carbon oxidation progress. The treated carbon and water are reused for five batches and found the activated carbon has no significant loss of its physical properties. Yet SEM analysis showed that its pore size becomes larger.

目 錄
中文摘要 I
英文摘要 III
誌謝 VI
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 前言 1
1-1 揮發性有機物(VOCs) 2
1-2高級氧化程序(AOP) 4
1-3固體吸附材料的應用 5
1-4吸附原理介紹 10
1-4.1基本吸附形態 11
1-5研究架構及內容 14
第二章 文獻回顧 17
2-1活性碳的物性與結構 17
2-1.1活性碳的分類 18
2-1.2活性碳吸附特性 19
2-1.3活性碳基本物理結構與回顧 20
2-1.4活性碳的應用與再生 22
2-2光化學氧化法之應用 26
2-2.1紫外光/過氧化氫程序基本原理與回顧 27
2-2.2紫外光/臭氧程序基本原理與回顧 31
2-2.3紫外光/Fenton程序基本原理與回顧 36
第三章 實驗設備及方法 41
3-1實驗材料 41
3-2實驗設備 42
3-2.1活性碳吸附裝置 42
3-3實驗分析儀器 44
3-3.1樣品分析 44
3-3.2化學需氧量(COD)分析 46
3-3.3總有機碳(TOC)分析 46
3-3.4紫外光/可見光吸收光譜儀(UV/VIS)分析 49
3-4實驗步驟 51
3-4.1吸附劑之前處理 51
3-4.2光氧化實驗 52
3-4.2A揮發性實驗 53
3-4.2B揮發與氧化實驗 53
3-4.3光氧化活性碳再生實驗 54
3-4.3A氫氧自由基分析 54
3-4.3B過氧化氫(H2O2)最佳濃度測試 55
3-4.3C密閉式光氧化活性碳再生實驗 56
3-4.4活性碳再生物性結構測試 57
第四章 結果與討論 60
4-1吸附劑前處理結果 60
4-2光解氧化實驗結果 62
4-2.1單一光氧化反應器之揮發氧化與再生 62
4-2.1A揮發性實驗 62
4-2.1B揮發與光氧化實驗 66
4-2.2光氧化活性碳再生實驗 75
4-2.2A氫氧自由基分析 75
4-2.2B最佳過氧化氫加入量測試 80
4-2.2C密閉式光氧化活性碳再生實驗 81
4-2.2D二段式光氧化活性碳再生實驗 85
4-3活性碳再生實驗 92
第五章 結論建議與未來研究方向 96
5-1結論與建議 96
5-2未來研究方向 98
第六章 參考文獻 99
表目錄
表1-1國內VOCs主要排放產業與排放量整理表 2
表1-2塗料種類與所含有機溶劑關係表 3
表1-3物理吸附與化學吸附比較表 7
表1-4典型活性碳孔分類尺寸表 8
表1-5商業化矽膠性質表 9
表1-6(a) 甲苯物理性質表 15
表1-6(b) 乙酸乙酯物理性質表 16
表2-1活性碳孔徑大小與分類規格 21
表3-1實驗之主要有機物質藥品來源列表 41
表3-2 氣相層析儀環境條件設定表 45
表4-1甲苯與乙酸乙酯汽提常數(hr-1)一覽表 70
圖目錄
圖1-1活性碳共價與離子固體表面能量示意圖 7
圖1-2構成沸石結構之基本單元圖 10
圖1-3 BET理論之各種等溫線分類圖 12
圖2-1活性碳與石墨結構圖 21
圖2-2臭氧共振結構示意圖 32
圖2-3臭氧自身分解反應機制圖 34
圖3-1活性碳吸附裝置圖 43
圖3-2光氧化再生活性碳裝置圖 43
圖3-3總有機碳關係樹狀結構圖 47
圖3-4 GC CHROMPACK CP-9002 50
圖3-5 SHIMADZU TOC-5000 50
圖3-6光氧化裝置圖 52
圖3-7 TEMPO自由基結構 55
圖3-8開放型實驗流程圖A 59
圖3-9密閉型實驗流程圖B 60
圖4-1不同前處理方式對於活性碳吸附氣相乙酸乙酯之重量變化 62
圖4-2不同前處理方式對於活性碳吸附氣相甲苯/乙酸乙酯之重量變化 62
圖4-3揮發性實驗甲苯與乙酸乙酯濃度變化圖 65
圖4-4單一光氧化反應器揮發速率比較圖 66
圖4-5以氧氣/臭氧/紫外光-臭氧處理甲苯/乙酸乙酯/丁酮混合COD變化圖 69
圖4-6揮發與氧化過程有機物變化示意圖 70
圖4-7開放式光氧化系統甲苯與乙酸乙酯汽提與氧化結果比較圖 71
圖4-8 UV-H2O2/O3/Fenton處理甲苯/乙酸乙酯之COD與H2O2 pH變化圖 72
圖4-9 UV-H2O2/O3/Fenton處理甲苯/丁酮之COD與H2O2 pH變化圖 73
圖4-10 UV-H2O2/O3/Fenton處理甲苯/乙酸乙酯/丁酮與H2O2 pH變化圖 74
圖4-11 UV/H2O2與UV/O3於活性碳再生氧化系統處理Toluene/EA/MEK
混合吸附之COD與UV/H2O2 pH值變化圖 75
圖4-12 TEMPO與氫氧自由機反應機制圖 77
圖4-13 4-hydroxy-tempo吸收度在紫外燈/過氧化氫下於活性碳上之變化 78
圖4-14定量過氧化氫於活性碳管前後自由基生成量隨時間變化圖(a)(b) 79
圖4-14定量過氧化氫於活性碳管前後自由基生成量隨時間變化圖(c)(d) 80
圖4-15不同過氧化氫加入量對於甲苯降解效率比較圖 81
圖4-16甲苯、乙酸乙酯吸附於活性碳上密閉脫附平衡濃度圖 82
圖4-17全密閉光氧化活性碳再生系統甲苯與乙酸乙酯光解濃度
與pH值變化圖 84
圖4-18密閉光氧化再生系統對甲苯與乙酸乙酯進行光解程序濃度
與pH值變化圖 85
圖4-19光氧化活性碳再生系統，甲苯與乙酸乙酯揮發實驗之TOC變化圖 88
圖4-20光氧化活性碳再生系統對甲苯與乙酸乙酯進行光解程序之
TOC與pH值變化圖 89
圖4-21光氧化活性碳再生系統，過氧化氫與甲苯光解速率關係圖 90
圖4-22光氧化活性碳再生系統，過氧化氫與乙酸乙酯光解速率關係圖 91
圖4-23活性碳經氧化處理後再生多次之顆粒損失與再吸附量之變化 93
圖4-24吸附甲苯、乙酸乙酯後再生之活性碳SEM表面孔洞分析圖 94

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