第四章 結果與討論
4.2 以丙酮作為還原劑之測試
4.2.3 使用傳統 SCR 觸媒測試 NO 及丙酮的去除率
圖 4.5 為兩種不同觸媒對 NO、丙酮去除率的影響。V2O5/TiO2 為傳統 SCR 常用之觸媒，在使用 NH3之除硝程序中，最佳之操作溫 度為 300～350℃。但從圖 4.5 來看，在以丙酮取代 NH3進行 HC-SCR 測試時，V2O5/TiO2觸媒對於 NO 去除率達最佳值的溫度為 200
℃，比傳統操作溫度低出甚多，但相對地其處理效率也低很多。不 過以丙酮為還原劑之 NO 去除效率雖不如以 NH3為還原劑之效率，
然而若能採用廢溶劑或廢氣中既有之VOCs (如丙酮) 進行反應，則
0 20 40 60 80 100
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Temperature (℃)
Removal Eficciency (%)
Cu/Zeolite 2, Acetone Zeolite, Acetone Cu/Zeolite 2, NO Zeolite, NO
圖4.4 溫度變化對 NO 及丙酮去除率的影響
(
丙酮濃度為1000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，空間速度為 10000 h-1)0 20 40 60 80 100
100 200 300 400 500 600
Temperature (℃)
Removal Efficiency (%)
V2O5 / TiO2, Acetone Cu/Zeolit 2, Acetone V2O5/TiO2, NO Cu/Zeolite 2, NO
圖 4.5 V2O5/TiO2與Cu/Zeolit 2 兩種觸媒之比較
(
丙酮濃度為5000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，空間速度為 10000 h-1)不須支付額外的還原劑 (如 NH3)費用 [3]，且其所需溫度較低，得以 節省能源費用，並可達到同時處理廢溶劑之目的。
將 V2O5/TiO2與 Cu/Zeolite 2 相比，使用 V2O5/TiO2為觸媒，丙 酮去除率達到 95 %以上的溫度為 250℃， NO 達最佳去除率時的溫 度為200℃；而使用 Cu/Zeolite 2 為觸媒，欲令丙酮去除率達到 95 % 以上，或 NO 達最佳去除率，溫度必須達到 350℃。雖然在 NO 的去 除率方面，Cu/Zeolite 2 優於 V2O5/TiO2 (前者為 45 %，後者為 37
%)，但必須在較高之溫度方能發揮功效。
4.2.4 丙酮濃度變化對 NO 及丙酮去除率之影響
圖 4.6 為丙酮濃度變化對 NO 及丙酮去除率之影響。測試結果顯 示，當丙酮的濃度在 5000 ppm 時有一最佳值，過高或過低濃度時對 NO 處理效率均變差，而丙酮之處理效率則隨著濃度增加而增加，但 其變化並不大。
從物理吸附的觀點來看，隨著丙酮濃度提高，對於 NO 的去除 效率有正面幫助；但若丙酮濃度過高時，其在吸附至觸媒時將可能 與NO 形成競爭吸附，導致可被還原的 NO 量因此降低。
圖 4.6 還顯示出空間速度對丙酮及 NO 去除率的影響，例如丙酮 濃度為5000 ppm、空間速度為 30000 h-1時，NO 的去除率為 31 %，
丙酮的去除率為 96 %；而空間速度為 10000 h-1時，NO 的去除率達 38 %，丙酮的去除率達 99 %。理論上，空間速度減為1
3代表氣體在 觸媒床的停留時間增為 3 倍，因此越能充分反應。但值得留意的 是，3 倍大的停留時間同時意味著觸媒的填充量或者反應器體積必 須增為3 倍，因此在設計反應器時必須將成本效益列入考量。
0 20 40 60 80 100
0 2500 5000 7500 10000
Concentration of Acetone (ppm)
Removal Efficiency (%)
10000 1/h, Acetone 30000 1/h, Acetone 10000 1/h, NO 30000 1/h, NO
圖4.6 丙酮濃度變化對 NO 及丙酮去除率的影響
(
溫度為350℃，NO 濃度為 500 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2)4.2.5 Cu/Zeolite 中 Cu 含量對 NO 及丙酮去除率的影響
圖 4.7 與圖 4.8 分別為觸媒中 Cu 的含量對 NO 與丙酮去除率的 影響。在 350℃下，Cu 含量達 0.701 % 的觸媒 (Cu/Zeolite 3)對 NO 去除率高達 50 %；且 Cu 含量越多的觸媒對 NO 的去除率越高，與 Sullivan 與 Cunningham[5]的實驗結果相似。其原因應在於觸媒上的 Cu 能與 NO 形成 Cu+-NO 之鍵結[27]，而觸媒含有越多 Cu，即可對 越多 NO 分子形成鍵結，一方面降低能階，另一方面增加 NO 的化 學吸附量，使NO 的去除率上升。
在Sullivan 與 Cunningham [5] 的研究中，改質觸媒的 Cu 含量分 別為1.8 %、2.1 %與 2.4 %，均高於本研究之觸媒；他們將改質後的 觸媒再投入新的 Cu２＋水溶液，重複離子交換程序，藉以增加 Cu 之 含量。其中，Cu 含量分別為 2.1 %與 2.4 %的觸媒可令 NO 去除率達 80 %。因此若能提升研究使用觸媒中之 Cu 含量，則 NO 去除率亦有 可能更高；然而由表 4.1 之結果看來，原始 Zeolite 中的 Na 含量僅有 0.764 %，即使被完全交換，所獲得的 Cu 含量仍然有限，因此若要 更進一步提升 NO 處理效率，則原始之沸石必須帶有更多的陽離子 (如 NH4/ZSM-5 或 NH4/Y-Zeolite)，建議未來可選用此類物質進行離 子交換，或是改用其他製備方式增加觸媒中Cu 之負載量。
在 Cu 含量不同對丙酮去除率之影響方面，由圖 4.4 的結果看 來，含 Cu 的 Cu/Zeolite 2 效能明顯優於不含 Cu 的 Zeolite。而在圖 4.8 的結果當中，溫度達 350℃以上後，三種觸媒都能使丙酮去除率 達到95 % 以上，觸媒中 Cu 含量多寡的影響並不明顯，其原因可能 在於丙酮的焚化極為迅速，Cu 的含量並非限制因子。
0 20 40 60 80 100
100 200 300 400 500 600
Temperature (℃)
Removal Efficiency (%)
Cu = 0.701 % Cu = 0.563 % Cu = 0.182 %
圖 4.7 觸媒中 Cu 的含量對 NO 去除率的影響
(丙酮濃度為 5000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，空間速度為 10000 h-1)
0 20 40 60 80 100
100 200 300 400 500 600
Temperature(℃)
Removal Efficiency (%)
Cu = 0.701 % Cu = 0.563 % Cu = 0.182 %
圖 4.8 觸媒中 Cu 的含量對丙酮去除率的影響
(丙酮濃度為 5000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，空間速度為 10000 h-1)
4.3 以其他溶劑作為還原劑之測試 4.3.1 以甲苯作為還原劑之測試
除了丙酮以外，甲苯與 IPA 也被用來測試對於 NO 及本身的去 除效率。
圖 4.9 為不同空間速度對 NO 及甲苯去除率的影響。對甲苯而 言，當空間速度為10000 h-1時，甲苯之去除率在450 ℃即可達到 95
%以上；而當空間速度為 30000 h-1時，甲苯之去除率在 500 ℃才達 到 95 %以上。也就是說，在空間速度較大的測試條件下，需要較高 的溫度方能使該 VOC 的去除率達到相同的標準。對 NO 而言，不同 空間速度對其去除率造成的影響並不明顯，可能是空間速度必須更 小方可使其有更足夠之反應時間。
圖 4.10 為溫度變化對 NO 及甲苯去除率的影響。甲苯的去除率 顯然隨溫度上升而增加，並且在 400℃達 95 %以上；然而 NO 在溫 度為400℃時的最佳去除率亦僅有約 15 %。
以甲苯作為還原劑，NO 的最佳去除率略為遜色，可能原因為：
(1) 甲苯分子結構較大且複雜，較不利於孔隙內擴散。(2) 當甲苯與 丙酮濃度皆為 1000 ppm 時，在 NO 有最佳去除率的溫度下，甲苯的 去除率略低於丙酮，也就是說該溫度下甲苯被利用的比率較低。然 而當甲苯濃度為 5000 ppm 時，NO 之去除率反不如甲苯濃度為 1000 ppm 之結果，故本研究持續針對甲苯濃度變化對 NO 及甲苯去除率 之影響作進一步探討，以求得甲苯最適濃度。
圖 4.11 為甲苯濃度變化對 NO 及甲苯去除率之影響。與圖 4.6 的趨勢相似的是，NO 去除率在甲苯的濃度為 3000 ppm 時最佳，較 高或較低之甲苯濃度時對 NO 處理效率均較差；而甲苯之去除率則 隨著本身濃度增加而上升，且甲苯去除率從濃度為2000 ppm 開始即
0 20 40 60 80 100
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Temperature (℃)
Removal Efficiency (%)
Toluene, 10000 1/h Toluene, 30000 1/h NO, 10000 1/h NO, 30000 1/h
圖4.9 不同空間速度對 NO 及甲苯去除率的影響
(
甲苯濃度為1000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Temperature (℃)
Removal Efficiency (%)
Toluene NO
圖4.10 溫度變化對 NO 及甲苯去除率的影響
(甲苯濃度為 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
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Concentration of Toluene (ppm)
Removal Efficiency (%)
Toluene NO
圖4.11 甲苯濃度變化對 NO 及甲苯去除率的影響
(溫度為 400℃，NO 濃度為 500 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2，空間速 度為 10000 h-1)
超過 95 %。從圖 4.6 與圖 4.11 看來，VOCs 一方面促使 NO 還原，
另一方面卻也與 NO 競爭吸附，因此每種 VOC 應有一特定濃度，可 使NO 去除率最佳。
4.3.2 以 IPA 作為還原劑之測試
IPA 與丙酮都是半導體業常用的溶劑，兩者在分子量與化學結 構上十分相近，因此使用 IPA 作測試時，其濃度之基本條件選擇與 丙酮相同的 5000 ppm。圖 4.12 即為溫度變化對 NO 及 IPA 去除效率 的影響。當溫度為 400℃時，NO 的最佳去除率為 29 %，而 IPA 本 身的去除率在溫度為 450℃時達到 95 %以上。將此數據與圖 4.5 的 結果相比，在丙酮與 IPA 兩種 VOC 的濃度皆為 5000 ppm，觸媒皆 為 Cu/Zeolite 2 時，可發現 IPA 對 NO 之去除效率不如丙酮，可能原 因為 (1) IPA 之最佳濃度並不是 5000 ppm。(2) 在化學性質上，IPA 對NO 的還原能力不如丙酮。
Xu and Raftery [58] 發現，IPA 吸附於觸媒表面時，其吸附型態 分為異丙醇氧吸附與氫鍵吸附。前者反應十分快速，而後者會先形 成丙酮。雖然 4.2 節之研究結果發現以丙酮作為還原劑時，NO 之去 除 率 約 為 40 % 。 然 而 IPA 會 與 丙 酮 進 行 醇 醛 縮 合 反 應 (aldol condensation) 形成異亞丙基丙酮 (mesty oxide)；此物質的反應速率緩 慢，可能導致NO 去除率不佳。
0 20 40 60 80 100
100 200 300 400 500
Temperature (℃)
Removal Efficiency (%)
IPA NO
圖4.12 溫度變化對 NO 及 IPA 去除率的影響
(IPA 濃度為 5000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2，
空間速度為10000 h-1)
4.4 以丙酮、甲苯及 IPA 為還原劑之綜合評比 4.4.1 三種還原劑之性質與用途比較
表 4.3 為丙酮、甲苯以及 IPA 的基本物理特性，丙酮與 IPA 在 分子式、分子量與比重方面的性質相近，但液態的 IPA 具有分子間 氫鍵，因此其沸點高於丙酮，常溫下之蒸氣壓亦較低。甲苯的分子 量高於丙酮與 IPA 甚多，分子間凡得瓦爾力的作用最強，因此在三 者當中，甲苯的比重最大、沸點最高、蒸氣壓最低。在化學結構 上，丙酮、甲苯與 IPA 皆帶有-CH3基團，可與 NO 作電子配對，進 而產生反應。
丙酮與 IPA 為半導體及光電業常用之溶劑，主要應用於蝕刻、
顯影製程及機板清洗等方面。甲苯雖然亦為半導體業使用溶劑之 一，但為數甚少。從傳統產業來看，甲苯使用於多元醇酸、美臘 明、酚甲醛、尿素與甲醛等各類樹脂之溶劑，或是洋乾漆、油漆、
瓷漆、凡立水、黏著劑等之溶劑、稀釋劑及稀薄劑 [44]。
4.4.2 丙酮與甲苯在 HC-SCR 測試之比較
圖4.13 (a) 與 4.13 (b) 分別為以丙酮與甲苯為還原劑時之 NO 及 自身去除之比較。在兩者的濃度皆為 5000 ppm 時，丙酮相較於甲苯 的優勢包括：
(1) 以丙酮為還原劑時，NO 的最佳去除效率出現在 350℃，低於 以甲苯處理NO 所需溫度 (400℃)。
(2) 以丙酮為還原劑時，NO 的最佳去除效率達 45 %；以甲苯為還 原劑時，NO 的最佳去除效率僅 21 %。
(3) VOC 去除率達 95 %的溫度在時丙酮為 343℃，而甲苯則為 398℃。
表4.3 丙酮、甲苯與 IPA 的基本特性
丙酮 甲苯 IPA
分子式 CH3COCH3 CH3 C6H5 CH3 CH(OH)CH3
分子量 58.08 92.14 60.09
比重 (水=1) 0.791 0.860 0.785
常壓下之沸點 56.2℃ 110.6℃ 82.3℃
常溫下之蒸氣壓 180 mmHg 22 mmHg 33 mmHg 作為溶劑
之主要應用
半導體業、
光電業之溶劑
石化業油漆、
黏著劑之溶劑
半導體業、
光電業之溶劑
0 20 40 60 80 100
100 200 300 400 500 600
Temperature (℃)
NO Removal Efficiency (%)
Acetone Toluene
圖 4.13 (a) 丙酮與甲苯在 NO 去除率方面之比較
(丙酮與甲苯濃度皆為 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 Toluene
圖4.13 (b) 丙酮與甲苯本身去除率方面之比較
(丙酮與甲苯濃度皆為 5000 ppm，NO 濃度為 500 ppm，觸媒為 Cu/Zeolite 2，空間速度為 10000 h-1)
針對以上的現象，可能是丙酮比甲苯容易被分解出 CH3基團。
甲苯因分子結構中帶有苯環，而 CH3與苯環間的共振導致其鍵結必 須在較高溫被打斷。而在 4.3.1 節的討論中曾提及，甲苯的分子比丙 酮大，結構亦較複雜，使得甲苯在孔洞內的擴散速率不如丙酮。
圖4.14 (a) 與 4.14 (b) 分別為丙酮與甲苯於各自的最佳操作溫度 下 (丙酮為 350℃，甲苯為 400℃)，在 NO 及自身去除率方面之比 較。NO 之去除率在甲苯濃度為 3000 ppm 時達到 33 %，而在丙酮濃
圖4.14 (a) 與 4.14 (b) 分別為丙酮與甲苯於各自的最佳操作溫度 下 (丙酮為 350℃，甲苯為 400℃)，在 NO 及自身去除率方面之比 較。NO 之去除率在甲苯濃度為 3000 ppm 時達到 33 %，而在丙酮濃