Decomposition of Dichloromethane and PerFluoroCompounds in Air Streams by UV/TiO2 Process

Abstract

本研究利用連續式長形光反應器進行紫外線/二氧化鈦程序處理氣相二氯甲烷及全氟化物(四氟甲烷、六氟乙烷)。將以含浸法製備之二氧化鈦均勻批覆於石英玻璃板上，探討紫外線光強度、滯留時間、相對濕度及反應物初始濃度對二氯甲烷去除率及礦化率之影響。此外，並評估以紫外線/二氧化鈦程序處理具高暖化潛勢且生命週期極長之全氟化物氣體之可行性。實驗進一步利用光沈積法改質光觸媒製備Pt/TiO2，探討添加鉑金屬對於光催化效果的影響。由實驗結果發現，利用Pt/TiO2可有效提升氣相二氯甲烷之去除率及礦化率；而處理四氟甲烷及六氟乙烷，則不論光觸媒改質與否，皆因其化學結構穩定幾乎無去除效果。The heterogeneous photocatalytic degradation of the gas-phase dichloromethane and PerFluoroCompounds (PFCs) was performed by using the UV/TiO2 process in a continuous reactor. The rectangular photoreactor contains a quartz plate coating with TiO2 thin film on it. The effect of UV light intensity, retention time, relative humidity and initial concentration of reactant on the removal and mineralization rates of dichloromethane were investigated in this study. Besides, the system was used to assess the feasibility of decomposing PFCs, the compounds with long lifetime and high global warming potential, by the UV/TiO2 process. Pt/TiO2 catalyst was prepared by photodeposition to determine the effect of Pt addition on photocatalytic efficiency. According to the analytical results, the removal and mineralization rates of dichloromethane were improved by the addition of Pt on TiO2. Neither TiO2 nor Pt/TiO2 could decompose the PFCs (CF4, C2F6) effectively attributed to their chemical stability.目錄謝 I要 IIbstract III錄 IV表索引 VIII一章 前言 1.1 研究動機 1.2 研究目標 2二章 文獻回顧 3.1 揮發性有機物介紹 3.1.1 揮發性有機物定義 3.1.2 二氯甲烷特性 3.2 全氟化物介紹 5.2.1 全氟化物簡介 5.2.2 四氟甲烷及六氟乙烷特性 8.3 光催化反應原理 10.4 二氧化鈦簡介 19.5 影響紫外線光觸媒程序反應之因素 21.5.1 紫外線光強度效應 21.5.2 反應物初始濃度效應 21.5.3 濕度效應 22.6 光觸媒製備方法 23.7 光觸媒改質 25.8 光催化反應器種類 26三章 實驗程序與設備 28.1 實驗儀器與設備 28.2 實驗藥品與氣體 29.3 實驗裝置 30.4 實驗步驟 35.4.1 光觸媒製備 35.4.2 背景實驗 39.4.3 連續式紫外線/光觸媒程序處理氣相二氯甲烷氣體 40.4.4 批次式紫外線/光觸媒程序處理氣相四氟甲烷及六氟乙烷氣體 41.5 分析測定方法 42.5.1 光強度測定 43.5.2 氣相二氯甲烷之分析 43.5.3 四氟甲烷及六氟乙烷之分析 43.5.4 二氧化碳濃度分析 44.5.5 光觸媒定性分析 44四章 實驗結果與討論 50.1 背景實驗 50.1.1 光觸媒定性分析 50.1.2 反應物穩定實驗 58.1.3 紫外線直接光解實驗 59.1.4 光觸媒活性實驗 59.2 連續式紫外線/二氧化鈦程序處理氣相二氯甲烷 60.2.1 紫外線光強度效應 60.2.2 滯留時間效應 61.2.3 濕度效應 65.2.4 初始濃度效應 66.2.5 批覆鉑於二氧化鈦在不同紫外線光強度下對二氯甲烷去除效果之影響 69.3 以紫外線/二氧化鈦程序處理PFCs氣體可行性探討 74.3.1 連續式反應器處理PFCs氣體 74.3.2 批次式反應器處理PFCs氣體 75五章 結論與建議 83.1 結論 83.2 建議 84考文獻 85錄 89表索引圖2-1 二氧化鈦光催化反應示意圖 182-2 半導體光觸媒與溶液相之能量關係 182-3 二氧化鈦晶體結構 (a)銳鈦礦 (b)金紅石 202-4 二氧化鈦三種晶型結構 203-1 光觸媒反應系統實驗裝置 333-2 批次式反應器示意圖 343-3 實驗架構圖 363-4 光強度與可變電壓之關系 463-5 以GC/MS分析二氯甲烷氣體之檢量線 473-6 以GC/MS分析四氟甲烷氣體之檢量線 483-7 以GC/MS分析六氟乙烷氣體之檢量線 494-1 二氧化鈦光觸媒(Degussa P-25)X光繞射圖譜 524-2 改質光觸媒Pt/TiO2 X光繞射圖譜 534-3 二氧化鈦光觸媒(Degussa P-25)掃描式電子顯微鏡照片 554-4 改質光觸媒Pt/TiO2掃描式電子顯微鏡照片 554-5 利用EDS分析Pt/TiO2光觸媒表面上(a)元素組成 (b)Pt金屬分佈情形 564-6 以UV/TiO2程序處理氣相二氯甲烷，反應物隨紫外線光強度變化情形 634-7 以UV/TiO2處理氣相二氯甲烷，反應物種隨滯流時間變化情形 644-8 以UV/TiO2處理氣相二氯甲烷，反應物種隨相對濕度變化情形 674-9 以UV/TiO2處理氣相二氯甲烷，反應物種隨反應物初始濃度變化情形 684-10 以Pt/TiO2為光觸媒，在不同紫外線光強度下，反應物去除率及礦化率變化情形 714-11 以TiO2及Pt/TiO2處理氣相二氯甲烷，反應物種去除率隨光強度變化情形 724-12 以TiO2及Pt/TiO2處理氣相二氯甲烷，反應物種礦化率隨光強度變化情形 734-13 以TiO2處理四氟甲烷濃度變化情形 784-14 以Pt/TiO2處理四氟甲烷濃度變化情形 794-15 以TiO2處理六氟乙烷濃度變化情形 804-16 以Pt/TiO2處理六氟乙烷濃度變化情形 812-1 二氯甲烷物化特性 42-2 各溫室氣體大氣生命周期及地球暖化潛勢 62-3 PFCs處理方法比較 72-4 四氟甲烷物化特性 82-5 六氟乙烷物化特性 92-6 不同型式光化學反應表示式 112-7 不同化學鍵斷裂能量 122-8 不同觸媒製備方法優缺點 253-1 二氯甲烷各組實驗程序之反應條件 374-1 由JCPDS查得anatase和rutile兩種晶型peak位置及相對強度 544-2 光觸媒比表面積 574-3 氧化物種之相對氧化能力 7