中孔洞顆粒(MSP)對 VOCs 之吸附效果探討

4.2.1 孔洞結構與比表面積對中孔洞顆粒吸附丙酮效果之影響

本研究成功地以氣膠輔助製備程序合成具有良好中孔洞結構顆粒，且找到 最適之Surf / Si 莫耳比範圍；中孔洞顆粒之比表面積的控制，亦可藉由調整前驅 液之Surf / Si 莫耳比來達到線性控制的目地。基於本研究群累積之前述氣膠合成 中孔洞材質經驗，本章節以不同Surf / Si 莫耳比合成之具備不同孔洞形狀及最大 比表面積特性之中孔洞顆粒，並選擇半導體晶圓廠VOCs 總排放量佔最大比例之 丙酮(白曛綾，2000)為吸附去除目標物質，進行探討在不同孔洞結構及比表面積 對於中孔洞顆粒吸附丙酮之效能影響。

圖4.9 為本研究合成之中孔洞顆粒分別進行吸附丙酮飽和吸附量之比較。由 吸附量數據可明顯看出，整個吸附樣品可區分為兩群，一係具有良好中孔洞分佈 的樣品(S12、S14、S16、S18)，另一係表面孔洞不規則的樣品(S06、S10、S22、

S26)。中孔洞顆粒 S06 與 S10 其對丙酮的吸附效能明顯遠遜於其它不同 Surf / Si 莫耳比所製備之樣品。對於具有同樣純矽組成與相近之中孔洞孔徑大小之樣品 S10 與 S18，分析其造成飽和吸附量差異之因素，S18 的比表面積大小是 S10 的 1.5 倍，而其反映至丙酮飽和吸附量的差異剛好約為 1.6 倍；同樣的趨勢亦在樣 品S06 與 S18 可被發現，S18 比表面積為 S06 的 2.7 倍，恰好與其兩者之丙酮飽 和吸附量的2.8 倍數差異相近。均再證實了高比面積可提供更多活性吸附位置供 丙酮去除之用。在所有的製備中孔洞顆粒樣品中，對於丙酮的最大飽和吸附量者 為S18，其每克的中孔洞顆粒可吸附 182.9 毫克的丙酮。而當 Surf / Si 莫耳比持 續增加時所製備的中孔洞顆粒，如S22，其丙酮飽和吸附量不增反與略遜於 S18，

面孔洞結構的不規則與蟲洞結構的生成，致使些許中孔結構崩潰轉為微孔洞式 樣，雖然S18 具有最高的比表面積，但丙酮分子受限於不均一的孔洞式樣與孔徑 大小，無法順利擴散至內孔洞內被表面吸附去除，而導致其效能反而無法提昇。

在以Surf / Si 莫耳比 0.06 ~ 0.18 範圍內所製備之中孔洞顆粒，對丙酮之飽 和吸附量主要係受限於比表面積因子，呈現非線性正相關之驅勢，而於Surf / Si 莫耳比0.12 ~ 0.18 範圍內，其關係則呈現線性正相關之趨勢；而當超過 0.18 時，

則因孔洞結構與形狀的改變，須將孔洞孔徑影響擴散行為考量進來。中孔洞顆粒 S26，有別於其它樣品，其孔洞結構形狀，遞減之比表面積，及微孔吸附行為，

致使其對於丙酮飽和吸附量大幅度縮減。

4.2.2 孔洞結構與比表面積之中孔洞吸附劑吸附 VOCs 管柱測試與等溫模式 由上一節之丙酮飽和吸附量與中孔洞吸附劑孔洞結構與比表面積關連性可 發現，S18 與 S22 可視為兩種不同樣式之中孔洞吸附劑之臨界樣本；一邊是 Surf / Si 莫耳比小於 18 具有規則孔洞的中孔洞吸附劑，且其比表面積與丙酮飽和吸 附量同隨著Surf / Si 莫耳比增加而上升，另一邊則為 Surf / Si 莫耳比大於 22 蟲 洞孔道結構的中孔洞吸附劑，其比表面積與丙酮飽和吸附量則為Surf / Si 莫耳比 增加而下降。而介於其中的兩個臨界樣本 S18 與 S22 則呈現高比表面積者(S22) 吸附丙酮能力遜於低比表面積者(S18)。恰好此兩者的孔洞樣式亦不相同，故此，

本研究先行以此兩臨界樣本進行VOCs 吸附管柱測試與等溫模式比較。

吸附貫穿曲線

典型之丙酮吸附貫穿曲線如圖4.10 所示。由圖中可看出 S18 之貫穿曲線普 遍較S22 來得陡峭，為典型之吸附貫穿曲線，此亦代表了在吸附帶帶寬比較上，

S18 較窄，顯示其做為吸附床應用的優越性。吸附帶帶寬差異，主要視於丙酮氣

體分子是否能順利擴散進入內孔洞表面而定；S22 與 S18 中孔洞吸附劑外觀均為

將S18 與 S22 之吸附量帶入等溫吸附模式 Langmuir Isotherm 及 Freundlich Isotherm，所得之回歸結果如圖 4.12 與 4.13 所示，各計算參數則如表 4.2。Langmuir Isotherm 之回歸相關係數介於 0.973~0.989 之間，Freundlich Isotherm 之回歸相關 係數介於0.963~0.983 之間。S18 與 S22 均可以此兩種等溫吸附模式來描述其吸 附行為。由Freundlich Isotherm 之 n 值看來，S18 與 S22 吸附丙酮均是有利性吸 附。

BET Surface Area (m2/g)

200 400 600 800 1000 1200 1400

Equilibrium Adsorption Capacity (mg/g)

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Well-ordered pores Dis-ordered pores

S06

S10

S12 S14 S16 S18

S26 S22

圖4.9 中孔洞顆粒吸附丙酮飽和吸附量、比表面積與 Surf / Si 莫耳比之比較

Time (min)

Cumulative Adsorption Capacity (mg/g)

0 20 40 60 80 100 120 140

Acetone Removal (%)

0

Ce (ppm)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Ce/qe (ppm-g/mg)

S18 experimental data S18 Langmuir Isotherm S22 experimental data S22 Langmuir Isotherm S18: Y = 1.4115 + 0.0057 X R-square = 0.973

S18 experimental data S18 Freundlich Isotherm S22 experimental data S22 Freundlich Isotherm S18: Y = 1.2653 + 0.2873 X R-square = 0.983

S22: Y = 1.3884 + 0.2417 X R-square = 0.963

圖4.13 Freundlich 模式之回歸曲線及實驗點

表4.2 中孔洞吸附劑吸附丙酮之 Langmuir & Freundlich Isotherms 參數

Isotherm Adsorbent

Parameters

R-square behavior qo (mg/g) K_L

(1/ppm)

Langmuir S18 175.44 0.0050 0.973 S22 161.29 0.0052 0.989

KF nF

Freundlich S18 18.42 3.48 0.983 favorable adsorption S22 24.46 4.14 0.963 favorable adsorption