第四章 實驗結果與討論
4.2 Acetone 與 NO 同時處理效率測試
4.2.2 光催化測試
圖 4-22 為總流量 500ccm 下，光催化反應器在 UVC 紫外光照射 下之空白效率測試。由結果清楚發現丙酮之轉化效率幾乎為零(低於 3%，可視為系統誤差)，因此推斷在沒有觸媒存在情況下，丙酮不會 因光照而產生自身光解現象。此外NO 濃度在紫外光持續照射下有明 顯下降之趨勢同時也產生NO2，而整體NOx 之轉化率則是幾乎為零，
因此推斷NO 在紫外光作用下大部分皆轉化為 NO2，而無其他副產物 產生；探究其原因，由於本實驗使用之 UVC 燈管其波長範圍包含了 NO 分子吸收光的範圍，NO 分子在吸收了紫外光後轉化為 NO2，因 此造成NO 濃度下降同時也產生 NO2的現象。此種特性在文獻上亦有 相同情況所指出(Flory and Johnson 1935; Ao and Lee 2005)。
78
Blank test (Without catalyst)
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
1-C/C 0 (%)
0 20 40 60 80 100
NO2 selectivity (%)
0 20 40 60 80 100
NO NO2 NOX Acetone
圖 4- 22 光催化反應器在 UVC 紫外光照射下之空白效率測試
79
4.2.2.2 Acetone 與 NO 同時處理時之 Acetone 效率
由先前的吸附測試結果發現，雖然中孔洞材料 MCM-41 對於 Acetone 有明顯吸附效果但最終會達到飽和，況且單純吸附無法達到 將汙染物實際去除之目的；而在添加了金屬 Ti 與 V 後，除了能保有 原來吸附材料的特性之外，其於紫外光照下更具有光觸媒的特性。
圖4-23 與 4-24 為總流量 500ccm (停留時間 37 秒)下，Ti-MCM-41 與V-Ti-MCM-41 對於 Acetone 之去除測試結果。由圖 4-19 與 4-20 吸 附 測 試 結 果 可 知 ，Ti-MCM-41 與 V-Ti-MCM-41 所 有 樣 品 ( 除 了 V-Ti-MCM-41-100)在四小時的吸附測試中，皆趨於飽和吸附；而在四 小時光催化測試中，Ti-MCM-41 與 V-Ti-MCM-41 對於 Acetone 的處 理效果明顯優於其單純吸附時的處理效果(圖 4-23、4-24)；換言之，
添加了金屬 Ti 與 V 後的 Ti-MCM-41 與 V-Ti-MCM-41 不但具有吸附 能力更兼具光觸媒的催化能力，不但解決單純吸附材料的缺憾，更能 延長使用壽命。
80
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
Ti-MCM-41(25)-UV ON Ti-MCM-41(50)-UV ON Ti-MCM-41(100)-UV ON Ti (25)-UV OFF
Ti (50)-UV OFF Ti (100)-UV OFF
圖 4- 23 Ti-MCM-41 光催化 Acetone 之測試
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
V-Ti-MCM-41(25)-UV ON V-Ti-MCM-41(50)-UV ON V-Ti-MCM-41(100)-UV ON V-Ti (25)-UV OFF
V-Ti (50)-UV OFF V-Ti (100)-UV OFF
圖 4- 24 V-Ti-MCM-41 光催化 Acetone 之測試
81
4.2.2.3 Acetone 與 NO 同時處理時之 NO 效率
圖4-25 與 4-26 為總流量 500ccm (停留時間 37 秒)下，Ti-MCM-41 與V-Ti-MCM-41 對於 NO 之光催化測試結果。由於 Si-MCM-41 對於 NO 無任何吸附與光催化效果，而從光催化測試結果發現添加了 Ti 與V 的 Ti-MCM-41 與 V-Ti-MCM-41 於紫外光下對於 NO 皆有明顯的 催化效果；測試結果發現在四個小時的測試中，除了Ti-MCM-41(25) 外，其餘所有樣品皆能達到100%的 NO 轉化率。
82
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
1-C/C 0 ( %)
0 20 40 60 80 100
Ti-MCM-41(25) Ti-MCM-41(50) Ti-MCM-41(100)
圖 4- 25 Ti-MCM-41 光催化 NO 之測試
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
1-C/C 0 ( %)
0 20 40 60 80 100
V-Ti-MCM-41(25) V-Ti-MCM-41(50) V-Ti-MCM-41(100)
圖 4- 26 V-Ti-MCM-41 光催化 NO 之測試
83
4.2.2.4 Acetone 與 NO 同時處理時之 NO2副產物變化
由 前 面 NO 之 催 化 測 試 結 果 發 現 ， 雖 然 Ti-MCM-41 與 V-Ti-MCM-41 所有樣品皆能達到 100%的 NO 轉化率，但其反應過後 副產物的選擇性卻是我們所需要關注的。圖 4-27 與 4-28 為總流量 500ccm (停留時間 37 秒)下，Ti-MCM-41 與 V-Ti-MCM-41 對於 NO 光 催化測試後副產物NO2的選擇性結果圖。
由 圖 4-27 結 果 可 發 現 Ti-MCM-41(25) 、 Ti-MCM-41(50) 與 Ti-MCM-41(50)三者其最終 NO2選擇性相當；推測其緣由，當系統中 含有Acetone 時，Ti+4會與Acetone 分子反應被還原為 Ti+3而Acetone 則是被氧化為 CO2，接著 Ti+3與 NO 進行反應而形成 Ti+4、N2O、N2 與O2。
然而由於本研究為利用 NO/NO2 分析儀進行量測，並無法針對 N2或是 N2O 進行偵測，因此僅能藉由 NO2選擇性變化以探討可能的 氧化還原途徑。由於文獻指出NO2亦為還原反應的中間產物之一(Lim et al. 2000)，因而推測可能的反應途徑如下:
(Ti+4-O2-) + hν→ (Ti+3-O-) (1) (Ti+3-O-) + NO (ads) → N (ads) + O (ads) (2) NO (ads) + N (ads) → N2O (ads) (3) NO (ads) + O (ads) → NO2(ads) (4) 2N (ads) → N2(ads) (5) 2O (ads) → O2(ads) (6)
而由圖 4-28 則顯示 V-Ti-MCM-41(50)其最終 NO2之選擇性為最 低；由於植入至結構中的V+5亦會參與氧化還原反應，當 V 受到激發 形成(V+4-O-)，其亦會與汙染物分子作用使得反應進行。此外在 V 植
84
入至MCM-41 結構後，若與 Ti 形成 Ti-O-V 鍵結，能夠有效增加電子 -電洞對分離時間，以增加催化效能。
85
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
NO2 selectivity (%)
0 20 40 60 80 100
Ti-MCM-41(25) Ti-MCM-41(50) Ti-MCM-41(100)
圖 4- 27 Ti-MCM-41 光催化 NO 後產物 NO2之選擇性
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
NO2 selectivity (%)
0 20 40 60 80 100
V-Ti-MCM-41(25) V-Ti-MCM-41(50) V-Ti-MCM-41(100)
圖 4- 28 V-Ti-MCM-41 光催化 NO 後產物 NO2之選擇性
86
4.2.2.5 Acetone 與 NO 同時處理時之 NOX效率
圖4-29~30 為 Ti-MCM-41 與 V-Ti-MCM-41 在總流量 500ccm (停 留時間 37 秒)下，對於總 NOx 之光催化測試結果。結果顯示在 Ti-MCM-41 與 V-Ti-MCM-41 樣 品 中 ， Ti-MCM-41(50) 與 V-Ti-MCM-41(50)皆能達到 70% 處理效率，並且沒有轉化率下降的趨 勢；推估其原因，在實驗中一開始NO2濃度快速上升，其後達到穩定，
此可能是由於在實驗中氧化與還原途徑皆會發生，而生成之NO2亦為 還原反應的副產物之ㄧ，在還原反應中 NO2 會再度被還原為其他產 物，因此當氧化與還原反應處於一個較平衡狀態時，NO2的生成量便 不會快速累積。
在樣品Ti-MCM-41(100)與 V-Ti-MCM-41(100)的測試結果中，皆 可發現轉化率明顯的衰退，猜測是由於樣品中所含 Ti 與 V 金屬含量 太少，因此對於催化還原能力較弱。
後續將在不同含氧量與水氣量下，藉由 NO 轉化率以及 NO2副 產物選擇性的變化以初步探討其氧化還原反應。
87
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
1-C/C0 ( %)
0 20 40 60 80 100
Ti-MCM-41(25) Ti-MCM-41(50) Ti-MCM-41(100)
圖 4- 29 Ti-MCM-41 光催化 NOx 之測試
Irradiation time (min)
0 30 60 90 120 150 180 210 240
1-C/C 0 ( %)
0 20 40 60 80 100
V-Ti-MCM-41(25) V-Ti-MCM-41(50) V-Ti-MCM-41(100)
圖 4- 30 Ti-MCM-41 光催化 NOx 之測試
88