本研究主要以含浸法將二氧化鈦光觸媒披覆於Indium doped tin oxid導電玻璃，以堆疊方式，排列進填充床反應器，增加反應器內光源之利用率。實驗中以365 nm近紫外光燈進行連續式UV/TiO2光催化反應Methyl ethyl ketone有機溶劑蒸汽。研究中藉由改變不同反應之操作條件，包括TiO2/ITO片數、TiO2劑量、初始濃度、滯流時間、光照強度、電流強度以及相對濕度，探討各項反應參數對於光催化反應器之影響。並藉由實驗數據代入Langmuir-Hinshelwood反應動力式，推導出對於本研究之反應器一合理之反應動力學模型。
由實驗結果顯示，本研究反應器的最佳參數條件，在TiO2平均劑量為3.3741 mg/cm2，TiO2/ITO片數堆疊數3片，電流強度0.15 A、光照強度6.01 W/m2、相對濕度30%時，可將MEK有機溶劑蒸汽流速500 ml/min濃度120 ppmv，經連續式光催反應8小時後，去除效率達92%；在耐用度測試實驗中，於連續式光催化反應7天中，去除效率維持在87~92% 之間，無明顯失活現象發生。將初始濃度與光照強度實驗數據代入Langmuir-Hinshelwood反應動力式，可由線性迴歸求出吸附動力平衡常數(Kabs = 0.0179 ppmv-1)、光照強度反應階數(n = 0.4318)以及反應速率常數(k0 = 2.09 ppmv/min-L)；經模擬結果顯示，本研究之反應器可在光照強度1.65~6.01 W/m2與不同初始進料濃度30~165 ppmv，被Langmuir-Hinshelwood反應動力式所模擬預測出反應後的出口濃度，且與實驗值非常接近。

In this study, titanium dioxide potocatalyst was coated on ITO glass plate by dip-coating method. TiO2/ITO samples arranged into packed-bed reactor increased illuminant utilization ratio by stack method. Continuous UV/TiO2 was used to decompose MEK vapor in 365 nm nearly ultraviolet. The pieces of TiO2/ITO, dosage of TiO2, initial concentration, resident time, intensity of illumination, intensity of current and relative humidit were discussed by changing different process parameters for photoreaction.In this study, from the experimental data and Langmuir-Hinshelwood reaction kinetic equation, we can build up a reasonable reaction kinetic model.
By continous potocatalyst reactor degrading, 92% MEK vapor with 500 ml/min removed after 8 hrs and it’s concerntration decresed from 120 ppmv to 9 ppmv. In experimental of stability test, removal efficiency can be kept at 87~92% during 7 days and deactivatioin does not appear. Replacing initial concentration and illumination intensity by experimental data into Langmuir-Hinshelwood reaction kinetic equation to get average kinetic constant (Kabs = 0.0179 ppmv-1) of adsorption, illumination intensity reaction order (n = 0.4318) and reaction rate constant (k0 = 2.09 ppmv/min-L) by linear reqression. By simulation result, the simulated Langmuir-Hinshelwood reaction kinetic model, can precisdy predict experimental result and error is very small at illumination intensity from 1.65 to 6.01 W/m2 and initial concentration from 30 to 165 ppmv after continuous potoreaction 8 hrs.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 v
英文摘要 vi
目錄 vii
圖目錄 xi
表目錄 xiv
第一章 緒論 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 揮發性有機化合物(VOCs) 3
2.1.1 揮發性有機化合物之特性與影響 3
2.1.2 我國對揮發性有機物排放量與管制情形 6
2.2 揮發性有機污染物之處理技術 11
2.2.1 非破壞式控制技術 11
2.2.2 破壞式控制技術 13
2.2.3 其他控制技術 15
2.2 光觸媒光反應理論 19
2.3.1 光觸煤之發展趨勢及應用 19
2.3.2 光化學反應理論 21
2.3.3 光觸媒化學理論 25
2.3.4 二氧化鈦結構特性 30
2.3.5 光觸媒表面吸附現象 32
2.3.6 光觸媒反應動力學 35
2.3.7 二氧化鈦光觸媒的光催化反應機制 36
2.4 光催化處理程序的影響因子 41
2.4.1 TiO2光觸媒負載量 41
2.4.2 反應物初始濃度 42
2.4.3 光照強度 43
2.4.4 滯留時間 43
2.4.5 電流強度 44
2.4.6 相對濕度 45
2.5 銦錫氧化導電薄膜(Indium doped tin oxide, ITO) 46
2.5.1 ITO導電玻璃的電氣性質 47
2.5.2 ITO導電玻璃的光學性質 47
2.6 光反應器之種類 48
第三章 研究方法與實驗設備 55
3.1 研究方法 55
3.1.1 實驗規劃 55
3.2 實驗設備 58
3.2.1 實驗系統裝置 58
3.2.2 試藥與氣體 64
3.3 預備實驗 65
3.3.1 ITO玻璃基材的清洗與秤重 65
3.3.2 光觸媒膜之製備 65
3.4 光觸媒特性分析 65
3.4.1 SEM表面分析 66
3.4.2 XRD晶體結構分析 66
3.4.3 ICP金屬元素 67
3.5 光催化還原反應實驗 68
3.5.1 反應器測漏測試 68
3.5.2 載體通電流吸附測試 68
3.5.3 均相光反應測試 68
3.5.4 觸媒吸附測試 68
3.5.7 氣相有機揮發性污染物之分析 69
3.5.8 氣體質量控制器校正 71
3.5.9 光照強度量測 73
第四章 實驗結果與討論 75
4.1 光觸媒基本性質分析 75
4.1.1 XRD晶型分析 75
4.1.2 ICP-AES金屬元素分析 78
4.1.3 SEM觸媒表面分析 79
4.2 背景實驗 80
4.2.1 反應器測漏測試結果 81
4.2.2 均相光反應測試結果 83
4.2.3 載體通電流吸附測試結果 85
4.4.4 觸媒吸附測試結果 87
4.3 實驗參數的探討 88
4.3.1 TiO2/ITO導電玻璃片數的影響 88
4.3.2 TiO2光觸媒負載量的影響 91
4.3.3 進料初始濃度的影響 93
4.3.4 反應滯留時間的影響 96
4.3.5 光照強度的影響 97
4.3.6 電流強度的影響 100
4.3.7 相對濕度的影響 101
4.3.8 反應器最佳去除效率 104
4.3.9 TiO2光觸媒耐用度測試 106
4.3.10 反應動力式計算與模擬 108
第五章 結論與建議 119
5.1 結論 119
5.2 建議 120
參考文獻 122


圖目錄
圖2-1我國VOCs排放量分布 8
圖2-2 光觸媒在環境上的應用 20
圖2-3 常見之非本質n型半導體能隙之比較 27
圖2-4 半導體受光激發後電子-電洞生成與界面反應 29
圖2-5 金紅石與銳鈦礦Ti-O-Ti鍵結角度 31
圖2-6 金紅石與銳鈦礦兩種晶格結構 32
圖2-7 觸媒反應機制示意圖 37
圖2-8 導體能隙激發過程中電子-電動對遵循的可能路徑 38
圖2-9 TiO2/ITO導電薄膜上受光激發後電子電洞分離傳送示意圖 47
圖2-10 填充床反應器 53
圖2-11 流體化床反應器 53
圖2-12 薄膜床反應器 53
圖2-13 光纖反應器 54
圖2-14 泥漿反應器 54
圖3-1 光催化反應系統設置圖 62
圖3-2 本研究光催化反應器 63
圖3-3 MEK於GC之檢量線 70
圖3-4 MEK氣體質量流量計之流量校正曲線 71
圖3-5 Air氣體質量流量計之流量校正曲線 72
圖3-6 H2O氣體質量流量計之流量校正曲線 72
圖3-7 光照強度量測點示意圖 73
圖4-1 XRD分析圖譜 76
圖4-2 Ti於ICP-AES之檢量線 78
圖4-3 SEM倍率100倍分析圖 79
圖4-4 反應器測漏測試結果濃度與時間的變化情形 82
圖4-5 均相光反應測試結果時間與濃度之變化情形 84
圖4-6 均相光與測漏測試時間與濃度變化情形 85
圖4-7 載體通電流吸附測試時間與濃度的變化情形 86
圖4-8 光觸媒吸附測試時間與濃度變化情形 87
圖4-9 TiO2/ITO數目不同時間與出口濃度之關係 89
圖4-10披覆TiO2觸媒載體數目與去除效率之關係 90
圖4-11 觸媒量不同時間與出口濃度之關係 91
圖4-12 觸媒量不同去除效率與時間之關係 92
圖4-13 初始濃度不同出口濃度對時間之關係 94
圖4-14 初始濃度與去除率之關係 95
圖4-15 滯留時間不同出口濃度對時間之關係 96
圖4-16 滯留時間對去除率之關係 97
圖4-17 不同光照強度出口濃度對時間之關係 98
圖4-18 光照強度對去除率之關係 99
圖4-19 電流不同出口濃度與時間關係圖 100
圖4-20 電流與去除效率之關係圖 101
圖4-21 不同濕度時間與出口濃度之關係 102
圖4-22 不同相對濕度與去除效率之關係圖 103
圖4-23 反應器各操作參數時間與濃度之關係 105
圖4-24反應器各操作參數時間與去除率之關係 106
圖4-25反應器最佳去除效率光觸媒耐用度時間與濃度之關係 107
圖4-26反應器最佳去除效率光觸媒耐用度時間與去除率之關係 108
圖4-27 UV/TiO2連續式反應程序，光觸媒氧化MEK有機溶劑蒸汽之吸附常數迴歸情形 112
圖4-28 UV/TiO2連續式反應程序，光觸媒氧化MEK有機溶劑蒸汽光照強度反應階數迴歸情形 113
圖4-29 相同光源強度不同入口濃度模擬值之比較圖 114
圖4-30 不同光源強度相同入口濃度模擬比較圖 116
圖4-31不同進料初始濃度與光照強度模擬圖 118


表目錄
表2-1 室內空氣中典型的VOCs 4
表2-2 大氣中常見的VOCs 5
表2-3 國內環保署對有害空氣污染物的優先管制名單 7
表2-4 丁酮物化特性資料 9
表2-5 VOCs環境容許濃度與對人體的危害 10
表2-6 VOCs去除方法基本原理 17
表2-7 揮發性有機物控制技術之比較 18
表2-8 電磁波光譜中與光化學反應相關之各類型光波長範圍下的能量分佈 22
表2-9 有關光能計算時之單位換算因子 23
表2-10 化學鍵的斷裂能量 24
表2-11 半導體光觸媒之能量障壁值與激發半導體所需之紫外線光波長 28
表2-12 光觸媒半導體依其不同的氧化還原能力之分類 30
表2-13 銳鈦礦與金紅石之物理特性比較 31
表2-14 吸附劑之吸附性質的比較 33
表2-15 TiO2光觸媒催化反應所可能產生之自由基種類 40
表2-16 各類光觸媒反應器之優缺點比較 52
表3-1 本研究實驗流程圖 57
表3-2 本研究反應器規格 64
表3-3 丁酮基本性質 64
表3-4 Degussa P-25 TiO2的一般物化性質 64
表3-5 氣相層析儀(Thermo trace GC-FID)之操作參數條件 70
表3-6 365 nm 8W近紫外光燈管1支各點光源強度 74
表3-7 365 nm 8W近紫外光燈管3支各點光源強度 74
表3-8 365 nm 8W近紫外光燈管5支各點光源強度 74
表4-1 ICP-AES對光觸媒中Ti含量分析 79
表4-2 不同光觸媒量各層平均光照強度 93
表4-3 入口與出口濃度反應8小時後比較 95
表4-4 不同光照強度各層平均光照強度 99
表4-5 各參數操作條件結果比較 104
表4-6 相同光源強度不同入口濃度模擬值 114
表4-7 不同光源強度相同入口濃度模擬值 116
表4-8 不同光源強度不同入口濃度之模擬值 117

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