The Investigation of Photocatalysis of Hydrophobic Volatile Organic Compounds in the Solution Containing High-Concentration Surfactants(III)

Abstract

[[abstract]]本研究以實驗室建立結合光催化氧化程序與薄膜分離程序為可行之方式，測試之各種參數如：pH、及界面活性劑種類與濃度等，對光催化反應與薄膜分離程序皆為相當重要之參數，而 建 立 系 統 之 最 佳 操 作 條 件 則 須 視 各 種 溶 液 組 成 而 定 。 實 驗 中 以 四 氯 乙 烯（perchloroethylene，PCE）與苯（benzene）為測試之目標有機物，進行一系列界面活性劑中疏水性有機物光催化分解效能之探討。研究中以添加三種不同離子型界面活性劑：陰離子型(sodium dodecylbenzene sulfonate，SDBS)、非離子型(Triton(R) X-100，TX100)、陽離子型(cetylpyridinium chloride，CPC)等，以及改變水溶液之酸鹼值方式，探討光催化劑二氧化鈦表面反應特性之變化，並觀察不同操作條件下，薄膜系統對上述水溶液中二氧化鈦膠體分離效能之影響。研究結果顯示，界面活性劑對苯及 PCE 之光催化分解反應，反應初期皆有吸附行為發生，隨後光催化分解多呈現假一階反應特性。此外，界面活性劑存在時受到溶液中 pH值之影響，在於各分子間的親和力及光催化劑表面特性的變化，為決定有機物光催化分解反應速率的主要原因。以中性環境時為例，PCE 對界面活性劑的影響效應依序為陰離子型＞非離子型＞陽離子型。而苯之液相光催化反應，受高濃度界面活性劑的影響程度，依序則為陰離子型＞非離子型≧陽離子型。薄膜系統對水溶液中二氧化鈦膠體分離效能之影響測試結果發現，較快之流速有較佳之分離效果，惟差異並不明顯；薄膜孔徑大小，以 0.5 µm 之較細孔徑時有較佳之分離效果，然而對於膠體之分離效率並與膜孔徑並無絕對之關係；此外，溶液中 TiO2 膠體濃度為 500 mg/L以下時，其分離效果較差，而純粹只有二氧化鈦膠體之水溶液中，以中性環境條件下有較佳之分離效果。當添加陰離子型界面活性劑 SDBS 時，在酸性環境中二氧化鈦膠體具有較大粒徑，但當SDBS 濃度增加且處酸性環境時，其總固體物濃度與濁度去除效果皆受到影響而減少。相同SDBS 濃度時，以偏鹼性的環境條件下，具有較高之分離效果；TX-100 溶液分離效率以中性環境時較佳；而 CPC 存在時則以偏酸或鹼性環境下，有較佳之分離效率。當添加界面活性劑時，可能因形成膠體間分散作用力而造成膠體顆粒之粒徑變小，間接影響分離效能之減少。此外，本研究也進行不同類型與濃度界面活性劑條件下，揮發性有機物之氣液相間的質傳現象，研究中以四氯乙烯(perchloroethylene, PCE)為目標污染物，並分別添加非離子型(TX100)、陽離子型(CPC)與陰離子型(SDBS)界面活性劑，分別改變界面活性劑濃度，以探討界面活性劑對於揮發性有機物，在氣液間氣液平衡與質傳速率的影響，同時也藉以建立含界面活性劑之 PCE 物質傳係數預測模式。本研究主要研究包括：瞭解含界面活性劑溶液之基本性質、分析不同類型與含量界面活性劑對 PCE 氣液平衡的影響、探討氣液負荷對質傳速率、分析界面活性劑對 PCE 在填充床氣提塔中質量傳送之影響、以及建立含界面活性劑溶液中PCE 之質傳係數預測模式。在所測試的界面活性劑濃度範圍內，添加界面活性劑對於溶液密度與黏滯度的影響並不顯著。對於表面張力方面，在臨界微胞濃度 (critical micelle concentration, CMC)前，表面張力隨界面活性劑濃度增加而減少，此一現象可能與界面活性劑單體之表面排列特性有關，但是當超過臨界微胞濃度後，由於微胞的形成，使得排列於液體表面之單體不再隨濃度增加而增加，所以表面張力則不再有進一步的減少。在添加界面活性劑對於四氯乙烯氣液平衡的影響方面，當界面活性劑濃度高於臨界微胞1濃度條件時，受到界面活性劑增溶效應之影響，四氯乙烯之亨利常數普遍隨界面活性劑添加量之增加，而逐漸遞減；不過當界面活性劑濃度低於臨界微胞濃度下，由於水溶液之表面張力因界面活性劑之添加而減少，而亨利常數對於不同界面活性劑之效應則有所差異，而且在界面活性劑達其臨界微胞濃度時，有一明顯的轉折點。其次，本研究發現，當添加界面活性劑於水溶液時，會降低四氯乙烯去除效率與質傳係數；不過隨著所添加的界面活性劑濃度持續增加後，去除效率的減少與質傳係數也趨於緩和；當添加界面活性劑濃度超過臨界微胞濃度後，去除效率與質量傳送會趨向一定值。界面活性對於四氯乙烯質傳係數之影響可分為二階段：第一階段，當界面活性劑濃度低於其臨界微胞濃度，四氯乙烯受到界面活性劑之薄膜形成性與排列特性，造成液膜厚度增加，不利質量傳輸，使得質傳係數會隨著界面活性劑濃度增加而遞減；第二階段，當界面活性劑濃度超過臨界微胞濃度後，四氯乙烯質傳係數遞減趨勢漸漸趨緩，但當界面活性劑持續添加，遠高過臨界微胞濃度後，四氯乙烯受到界面活性劑形成微胞影響，界面活性劑微胞會將四氯乙烯包覆於其中，增溶效應使得四氯乙烯更容易存在於液相中，四氯乙烯質傳係數再持續遞減。在氣液負荷對質傳現象之影響結果方面，在相同液體負荷下改變氣體負荷，會降低氣膜厚度而使得氣膜阻力變小，但對於「有效質傳面積」增加並不大，對於四氯乙烯去除之影響，較不顯著；而固定氣體負荷改變液體負荷時，增加填充料表面之液膜更新速率，則可增進四氯乙烯的去除。本研究針對在界面活性劑存在之環境中，建立相關於 PCE 在氣提塔中質傳速率之半經驗模式，可供工程實務設計或操作之參考。[[note]]NSC93-2211-E327-00