第四章 結果與討論
4.4 以丙酮、甲苯及 IPA 為還原劑之綜合評比
4.4.3 丙酮與 IPA 在 HC-SCR 測試之比較
圖 4.15 與 4.16 為丙酮與 IPA 在 NO 及自身去除之比較。在兩者 的濃度皆為5000 ppm 時，相較於 IPA，丙酮之優勢為：
(1) 在 350℃之前丙酮對 NO 的去除率明顯優於 IPA。
(2) 以丙酮為還原劑時，NO 的最佳去除效率出現在 350℃，低於 以 IPA 處理 NO 所需溫度 (400℃)。
(3) 以丙酮為還原劑時，NO 的最佳去除效率達 45 %；以 IPA 為還 原劑時，NO 的最佳去除效率略低，為 29 %。
(4) VOC 去除率達 95 %的溫度：丙酮為 343℃，IPA 為 450℃。
丙酮與 IPA 在結構上的不同之處在於：丙酮在中間位置的 C 原 子以雙鍵與一個 O 原子鍵結；而 IPA 在中間位置的 C 原子以單鍵與 一個 OH 基團鍵結。表 4.4 為 VOCs 常見的化學鍵以及鍵能強度，從 化學反應來推論，當丙酮與 NO 反應時，由於 C=O 的鍵結相當穩定 [59] ，NO 以奪取兩側 C 上的電子為優先，利於反應進行。IPA 與 NO 反應時，OH 基團上的 O 原子吸引電子的傾向甚強，可能干擾 NO 與 CH3基團之反應，因而使 IPA 對 NO 之去除率不如丙酮。
0 20 40 60 80 100
100 200 300 400 500 600
Temperature (℃)
NO Removal Efficiency (%)
Acetone IPA
圖4.15 以丙酮與 IPA 為還原劑之 NO 去除率比較 (丙酮與 IPA 濃度皆為 5000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，觸媒為
Cu/Zeolite 2，空間速度為 10000 h-1)
0 20 40 60 80 100
100 200 300 400 500 600
Temperature (℃)
VOCs Removal Efficiency (%)
Acetone IPA
圖 4.16 丙酮與 IPA 本身去除率之比較
(丙酮與 IPA 濃度皆為 5000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2，空間速度為 10000 h-1)
表4.4 VOCs 常見的化學鍵以及其鍵能強度 [59]
Bond Bond Energy (kJ/mole)
H－H 436
C－C 348
C－H 413
C＝C 682
O－H 463
C－O 351
C＝O 732
4.5 NO 對有機溶劑之觸媒焚化影響
先前各項測試中以丙酮作為 NO 的還原劑，相對地 NO 即為丙酮 的氧化劑，因此理論上 NO 的存在對去除丙酮應有正面幫助。在本 研究進行當中亦曾有 Gaigneaux et al. (2005) [51] 新近發表了在氯苯 焚化的情形下加入 NO 之研究結果，發現 NO 確實提高了氯苯的去 除率，但前提是氣流必須要含有適量的氧氣 (20 %)。本研究使用高 壓空氣作為主要氣體來源 (請參考表 3.5)，當 NO 參與反應時，氧氣 濃度約為18 %。
NO 分子內 N 原子有搶奪 VOC 中 C 原子之電子以破壞 C－C 鍵 結的傾向，對 VOCs 而言，NO 屬於氧化劑。圖 4.17、4.18 與 4.19 分別為 NO 有否參與反應對丙酮、甲苯與 IPA 去除率之影響，圖中 之誤差範圍代表各次實驗數據之最大值與最小值。此三圖的共通點 是：NO 未參與反應時，VOCs 的去除效率比 NO 參與反應時高。在 本系列實驗中，丙酮、甲苯與 IPA 的濃度皆為 5000 ppm，而 NO 濃 度為 500 ppm，因此 VOCs 之去除主要在於與空氣中的氧氣反應。
當 NO 參與反應時，氧氣濃度約為 18 %；而 NO 未參與反應時，氧 氣濃度約為 20 %。雖然 NO 亦具有氧化 VOCs 之功效，但是 VOCs 在氧氣較充足的條件下，其去除率較佳。
在圖 4.17 當中，丙酮之去除率在前 5 分鐘有逐漸上升的趨勢，
且在 NO 不參與反應時較佳。15 分鐘後，丙酮去除率趨於穩定，此 後 NO 參與反應與否並無明顯的影響。圖 4.18 與 4.19 的趨勢較為相 似，甲苯或 IPA 之去除率在 NO 濃度為 0 時，一直穩定維持在 95 % 以上；而在NO 濃度為 500 ppm 時，VOCs 的去除率在一開始的瞬間 並不高，其後逐漸上升，甲苯的去除率在25 分鐘時達 95 %，而 IPA 去除率在5 分鐘時達到 95 %。
80 85 90 95 100
0 5 10 15 20 25 30
time (min)
Acetine Removal Efficiency (%)
[NO] = 0
[NO] = 500 ppm
圖4.17 有無 NO 參與反應對丙酮去除率之影響
(溫度為 350℃，丙酮濃度為 5000 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2，空間速 度為10000 h-1)
50 60 70 80 90 100
0 5 10 15 20 25 30
time (min)
Toluene Removal Efficiency (%)
[NO] = 0
[NO] = 500 ppm
圖4.18 有無 NO 參與反應對甲苯去除率之影響
(溫度為 400℃，甲苯濃度為 1000 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2，空間速 度為10000 h-1)
70 80 90 100
0 5 10 15 20 25 30
Time (min)
IPA Removal Efficiency (%)
[NO] = 0
[NO] = 500 ppm
圖 4.19 有無 NO 參與反應對 IPA 去除率之影響
(溫度為 450℃，IPA 濃度為 5000 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2，空間速 度為10000 h-1)
圖 4.20 為改變甲苯濃度以及 NO 有否參與反應對甲苯去除率之 影響 (甲苯去除率之值為第 30 分鐘之數據)。在 NO 濃度為 500 ppm 的情況下，甲苯的去除率與濃度變化成正相關。在 NO 不參與反應 的情況下，甲苯去除率在其濃度為 1000～2000 ppm 之範圍內接近持 平，在濃度為 2000～3000 ppm 之間略為上升，而在 3000～5000 ppm 之間亦為持平 (約 99 %)。甲苯的濃度為 1000、2000 與 3000 ppm 時，NO 不參與反應之情況對於甲苯的去除率優於有 NO 存在之 情況，可能原因在於甲苯與 NO 會形成競爭吸附，若 NO 不存在 時，甲苯能夠吸附於觸媒表面的量將增加，並藉由觸媒焚化程序去 除。當甲苯濃度較高，例如在4000 與 5000 ppm 時，NO 是否參與反 應對去除甲苯之影響並無明顯差距，可能的原因在於當甲苯濃度太 高時，觸媒焚化機制所能去除的甲苯數量趨近飽和，此時 NO 可扮 演氧化劑的角色，幫助甲苯進一步氧化。
90 92 94 96 98 100
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Concentration of Toluene (ppm)
Toluene Removal Efficiency (%)
[NO] = 0
[NO] = 500 pm
圖4.20 不同甲苯濃度下 NO 參與反應與否對甲苯去除率之影響 (溫度為 400℃，觸媒為 Cu/Zeolite 2，空間速度為 10000 h-1)
第五章 結論與建議
5.1 結論
1. HC-SCR 反應中之還原劑通常為烷類、烯類等碳氫化合物，本研 究發現丙酮、甲苯以及 IPA 等常見之 VOCs 亦具有去除 NO 之功 效。
2. NO 之去除率主要與溫度、VOC 濃度以及觸媒之 Cu 含量有關。
無論在溫度或 VOC 濃度上均存在一可達 NO 最佳處理效率之 值；而Cu 含量越高，NO 之去除率越佳。
3. 本研究中三種 VOCs 之去除率亦與溫度、還原劑濃度以及觸媒是 否含有Cu 有關。丙酮、甲苯與 IPA 達到 95 % 去除率之溫度要求 為IPA >甲苯>丙酮。在 HC-SCR 測試中，丙酮之去除率與本身濃 度成正相關。含有銅之觸媒，其去除丙酮的功效略優於原始之 Zeolite，但銅含量之多寡對丙酮處理效率之影響並不大。
4. 在富氧狀態 ( [O2] = 18 % )下，NO 之存在對於本研究之三種 VOCs 之去除並無明顯之正面效益，但其去除率仍可達 95 %以 上。
5. NO 參與反應時，甲苯之去除率與本身濃度成正相關。但在甲苯 濃度為 1000～3000 ppm 且系統中無 NO 存在時，甲苯去除率較 NO 參與反應時為佳。
5.2 建議
1. 本研究以離子交換法將 Cu 植入沸石中，並藉由 ICP-AES 分析觸 媒內之金屬元素，發現 Cu 的交換對象應為沸石中的 Na。然而，
原始 Zeolite 內之 Na 含量僅約 0.764 %，難以製備出 Cu 含量更高 之 觸 媒 。 未 來 之 研 究 可 採 用 含 有 更 多 的 陽 離 子 之 物 質 ( 如
NH4/ZSM-5 或 NH4/Y-Zeolite) 進行改質，冀能製備出 Cu 含量更 高之觸媒。
2. Si/Al 比高之沸石型觸媒，其優點在於疏水性強，然而本研究並未 針對水氣存在的狀態下作測試。未來之研究可探討水氣濃度對 NO 與 VOCs 去除率的影響。
3. 4.5 節當中曾介紹在 NO 濃度為 0 與 500 ppm 時，甲苯濃度變化對 其自身去除率之影響。然而在 2.5 節亦提及 NO 之存在可能令 VOC 必須在較高之溫度方能達到 95 %之去除率，因此建議未來 可嘗試探討在 NO 參與反應或者不存在時，溫度變化對 VOCs 去 除率之影響。
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