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研究生:李文智
論文名稱:以沸石擔持金屬氧化物製備吸附劑以進行磷化氫氣體吸附之研究
論文名稱(外文):Zeolite Supported Metal Oxide Adsorbents for Phosphine Removal
指導教授:白曛綾
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:環境工程系所
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:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:磷化氫氣體沸石含浸法銅觸媒吸附劑半導體污染防制
外文關鍵詞:phosphinezeoliteimpregnation methodcopperadsorbenttoxic air pollution control for semiconductor
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PH3氣體是半導體與光電產業製程中常用的毒性氣體,這類氫化物系氣體需要在製程機台後端裝設局部廢氣處理系統來處理,本研究所使用的乾式吸附法即是局部廢氣處理系統處理氫化物氣體的方法之一。本研究以具有大孔洞特性的ZSM-5型與高比表面積的Y型沸石為擔體,利用溼式含浸法在不同含浸濃度下將銅金屬披覆於擔體上製備吸附劑,再進行物化特性分析與吸附容量測試。
研究結果發現,含銅金屬吸附劑對PH3氣體的去除效率可達99%以上。Cu/Y zeolite與Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑在含浸濃度分別為1.0M與5.0M時吸附容量最大,其吸附量值分別為31.4與30.6 mgPH3/gads。而Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑對PH3氣體的有效吸附容量隨含浸濃度增加而提高,且由實驗結果發現不論吸附劑擔體是ZSM-5型或Y型沸石,當銅金屬的重量百分比在3%以下時,有效吸附容量受到化學因子(銅含量)的影響而增加,相對的在4%以上時,反而受到物理因子(比表面積、總孔洞體積)的影響而下降,而在3~4%時因為兩種因子相互制衡而達最佳吸附狀態,有效吸附容量可達最大值。另外,當PH3氣體被吸附後,吸附劑中的氧化銅氧化PH3氣體,產生五價磷PO43-,而氧化銅本身被還原成零價銅或一價的Cu2O。
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 VIII
第一章 前言 1
1.1研究背景 1
1.2研究目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 PH3氣體及其吸附特性 3
2.1.1 PH3氣體基本特性 3
2.1.2局部廢氣處理設備去除廢氣之方法 3
2.1.3乾式吸附法處理氫化物系氣體之吸附劑 6
2.1.4氫化物系氣體吸附前後價態之轉變 8
2.2沸石之基本特性 9
2.2.1沸石基本骨架結構與分類 9
2.2.2沸石孔洞之性質 9
2.2.3沸石之親疏水性及矽鋁比 11
2.2.4沸石之其他性質 13
2.3沸石為擔體之吸附劑製備及其應用 17
2.3.1金屬觸媒與擔體 17
2.3.2擔體結合金屬觸媒之製備方法 17
2.3.3以沸石為擔體吸附氣體之金屬觸媒種類及其在污染氣體去除上之應用 18
2.3.4影響沸石吸附效能之因素 20
2.4小結 20
第三章 實驗方法與步驟 23
3.1研究流程 23
3.2吸附劑製備 25
3.2.1沸石擔體與金屬觸媒的選擇 25
3.2.2吸附劑製備方法及流程 25
3.3吸附劑表面特性分析 27
3.3.1吸附劑元素成份分析 27
3.3.2 吸附劑比表面積、孔洞體積與平均孔徑分析 27
3.3.3 吸附劑的型態、粒徑大小分析 31
3.3.4 吸附劑表面元素價態分析 31
3.4 PH3氣體吸附效率實驗 32
3.4.1實驗系統 32
3.4.2測試步驟 33
3.5 實驗數據計算 36
第四章 結果與討論 37
4.1 沸石擔體吸附測試 37
4.2 選擇較佳之金屬觸媒種類及含浸方式 37
4.2.1 選擇較佳之金屬觸媒種類 37
4.2.2 選擇較佳含浸方式 39
4.3含銅活性成份之吸附劑表面特性 39
4.3.1 化學元素含量分析 39
4.3.2 表面物理特性分析 44
4.3.3 吸附劑型態、粒徑大小分析 54
4.4含銅活性成份吸附劑之有效吸附容量探討 54
4.4.1含浸濃度對有效吸附容量之影響 54
4.4.2 擔體上銅含量對有效吸附量之影響 59
4.4.3單位面積上的有效吸附量 62
4.4.4 不同製程吸附劑之PH3氣體吸附容量比較 62
4.5含銅活性成份吸附劑之表面元素價態分析與PH3氣體氧化反應機制探討及再生測試 64
4.5.1含銅活性成份吸附劑與PH3氣體吸附前後之表面元素價態分析 64
4.5.2含銅活性成份吸附劑之再生測試 65
4.6複合含浸製備方法之有效吸附容量探討 74
4.7吸附劑成本分析 74
第五章 結論與建議 79
5.1結論 79
5.2建議 80
第六章 參考文獻 82

圖目錄
圖2-1沸石之結構因子(a)以矽原子為中心之四面體,四個角各為一個氧原子(b)由不同四面體以共用氧原子的方式結合在一起 10
圖2-2 (a)沸石常見之次級結構單元(b)形成不同沸石結構種類之接和原理 10
圖2-3 數種沸石(A、X、Y、ZSM-5型)微孔洞與中孔洞 (或以上) 孔洞體積比較圖 12
圖3-1研究流程圖 24
圖3-2實驗系統架構圖 35
圖4-1 ZSM-5型沸石與Y型沸石擔體吸附PH3氣體之去除效率 38
圖4-2 分別含有銅、鋅、錳金屬(前驅物濃度皆為1.0M)的三種Y沸石吸附劑吸附PH3氣體之去除效率 38
圖4-3硝酸銅溶液含浸濃度與實際披覆在吸附劑上之銅金屬重量百分比之關係圖 43
圖4-4 ZSM-5型與Y型沸石擔體之孔徑分佈圖 46
圖4-5以不同硝酸銅溶液濃度含浸之吸附劑的比表面積 48
圖4-6以不同硝酸銅溶液濃度含浸之吸附劑的總孔洞體積 48
圖4-7以不同硝酸銅溶液濃度含浸之吸附劑的平均孔洞大小 49
圖4-8兩種不同擔體吸附劑在(a)不同含浸濃度(b)不同銅含量下,比表面積下降百分比圖 51
圖4-9 ZSM-5型沸石SEM圖 52
圖4-10 Y型沸石SEM圖 53
圖4-11 在不同含浸濃度下,Cu/ZSM-5 zeolite與Cu/Y zeolite吸附劑對PH3氣體的吸附容量圖 56
圖4-12兩種吸附劑之吸附容量、比表面積(物理因子)、銅含量(化學因子)百分比變化圖 57
圖4-13在不同銅金屬重量百分比下兩種不同擔體吸附劑的吸附容量圖 60
圖4-14 在不同銅金屬重量百分比下,單位面積上可吸附PH3氣體的容量 61
圖4-15 Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑吸附前之ESCA掃瞄光譜圖(binding energy範圍0~1350.00 eV) 67
圖4-16 Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑吸附後之ESCA掃瞄光譜圖(binding energy範圍0~1350.00 eV) 68
圖4-17Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑吸附後P之ESCA局部掃瞄光譜圖 69
圖4-18Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑吸附前Cu之ESCA局部掃瞄光譜圖 70
圖4-19Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑吸附後Cu之ESCA局部掃瞄光譜圖 71
圖4-20 已破出之Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑(含浸濃度5.0M)通氧後吸附PH3氣體之去除效率 73
圖4-21不同含浸濃度製備之吸附劑,去除單位PH3氣體之成本比較圖(a) Cu/ZSM-5 zeolite吸附劑(b) Cu/Y zeolite吸附劑(c) Cu/NaY zeolite吸附劑 78

表目錄
表2-1 PH3氣體基本特性 4
表2-2半導體廢氣處理方式及其特性 5
表2-3以乾式吸附法處理氫化物系氣體相關文獻 7
表2-4不同擔體之特定PZC值(IEPS值) 14
表2-5 ㄧ般常見吸附材的特性及優缺點比較 16
表2-6 擔體結合金屬觸媒的製備方法之優缺點比較 19
表2-7 沸石結合金屬觸媒處理污染物氣體之相關文獻 22
表4-1 乾式含浸法製備吸附劑的測試結果 41
表4-2 ZSM-5型與Y型沸石擔體之化學元素組成及矽鋁莫耳比 41
表4-3 兩種沸石擔體含浸銅後之吸附劑各化學元素組成 42
表4-4 ZSM-5型與Y型沸石擔體之物理特性 45
表4-5不同含浸濃度製成之Cu/ZSM-5 zeolite、Cu/Y zeolite吸附劑的物理特性分析 47
表4-6 以ZSM-5型沸石為擔體,重複含浸濃度為5.0M之吸附劑的表面特性 58
表4-7吸附劑對PH3氣體的吸附容量比較表 63
表4-8吸附劑吸附前後元素價態分析 72
表4-9 單一活性成份(銅)與複合活性成份(銅、鋅)之吸附容量與表面物理特性比較 75
表4-10製備不同活性成份比例之吸附劑成本 77
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