第一章 前言
1.1 研究緣起
光觸媒是一種可以藉由光子的能量引發特定化學反應的物質，目前最 常使用的無機金屬氧化物為二氧化鈦(TiO2)。二氧化鈦是一種具半導體特性 之金屬氧化物，具有高折射率（refractive index 3.87），很早期便添加於白 色漆料。至 1929 年，已經瞭解二氧化鈦的一些特性是造成漆料褪色的原 因。因此，有關二氧化鈦之光化學性質遂引起許多深入研究。1972 年日本 的Fujishima 及 Honda 首先發表以二氧化鈦為陽極，鉑(Platinum, Pt)為陰 極之光電化學電池，在光的照射下，將水電解成氧氣與氫氣[1]。當時由於石 油危機的關係，利用太陽能從水製造氫氣，是一項全球重視之研究方向。
在這股風潮下，70 年代以至 80 年代人們對半導體光化學的瞭解有了長足 進步，同時也促成了半導體光催化的發展。在1977 年 Frank 及 Bard 以二 氧化鈦為光觸媒，可以分解水中氰化物（cyanide）的研究，更把二氧化鈦 光觸媒之應用朝環保方面推展[2]。
近年來，日本及歐美等國家傾全力發展此一技術，國內亦開始投入相關 領域研究，但離實際應用階段尚有一段距離，尤其在水/廢水處理方面的應 用。目前光觸媒在水/廢水處理方面應用研究大致分為固定及懸浮等兩種方 式 。 固 定 型 式 光 觸 媒 系 統 將 光 觸 媒 直 接 固 定 在 無 機[3]或 有 機[4]基 材 (substrate)，無固液分離問題，但仍受限於有效表面積少及固定化加工不易 等缺點。而懸浮式光觸媒系統可以提供大量光觸媒表面積以增加反應速 率，但也面臨固液分離不易之問題[5]。本研究主要是解決懸浮式光觸媒系統 連續操作之固液分離問題，使懸浮光觸媒系統可以發揮其優點，以加速此 技術之應用領域。
1.2 研究目的
本研究擬達成下列目的：（1）以光觸媒氧化及不織布薄膜過濾之複合 系統取代光觸媒與微孔薄膜之複合系統、（2）除有效分離光觸媒顆粒外，
能夠改善低通量及高過膜壓力所引發之薄膜積垢問題、 及（3）以目標污 染物如亞甲基藍、4-氯酚及二級放流水為對象，進行複合系統建立及應用研 究。基於上述目的，本研究主要探討項目如下：
(1)光觸媒材料特性及效能評估：建立光觸媒基本特性如初級與二級顆粒粒 徑及表面電性等與 pH 值變化關係，並以特定污染物為對象，進行光分 解性能評估。
(2)不織布薄膜篩選及過濾行為探討：針對不同孔洞大小之不織布薄膜以比 通量(specific flux，其定義為通量除以過膜壓力)及濾液(permeate)之殘 留濁度(residual turbidity)為指標，以篩選適合本複合系統使用之不織布 薄膜。並就光觸媒之濃度效應、pH 值效應及空氣強度（air intensity）效 應等因素對不織布薄膜過濾阻抗之影響進行探討。
(3)不織布薄膜過濾機制及積垢問題之探討：不織布薄膜孔洞較一般微孔過 濾薄膜為大，本研究提出利用光觸媒顆粒在不織布薄膜表面形成多孔性 過濾層(pore cake layer)為主過濾機制，可達到分離光觸媒顆粒及獲得穩 定通量與低過膜壓力之效果。另外，分析不織布薄膜過濾特性時，以濾 餅、可逆性孔洞窄化(pore narrowing)或孔洞阻塞(pore blocking)及不可 逆孔洞窄化或孔洞阻塞為指標，剖析積垢成因。
(4)光觸媒及不織布薄膜複合系統光分解及過濾行為之探討：結合光觸媒及
表面電性分析、不織布薄膜孔洞大小篩選及操作條件建立、懸浮式光觸媒 氧化批次實驗、光觸媒及不織布薄膜複合系統之連續試驗評估、過濾阻抗 及比通量之決定及Batch stirred cell test 之 UF 薄膜過濾性評估。
從第四章至第六章為實驗結果與討論部分。而第四章強調不織布薄膜 結構特徵及其過濾行為。首先分析光觸媒顆粒及不織布薄膜表面性質如電 荷變化。其次以比通量及濾液殘留濁度為指標，進行最適不織布薄膜孔洞 大小之篩選。接著，進行操作條件如pH值、光觸媒劑量及空氣強度對不織 布薄膜過濾阻抗影響之探討。最後，以不同孔洞大小不織布薄膜為對象，
進行積垢特性分析。
第五章以說明光觸媒與不織布薄膜複合系統之建立為主，分為批次及 連續實驗兩部分。批次實驗除針對目標污染物分解特性建立外，並發現可 以使用Langmuir -Hinshelwood 反應動力之擬一階反應動力加以描述。而 在複合系統連續實驗中，探討光源強度、進流流速、進流濃度、光觸媒濃 度及濾液通量及TMP 之變化對複合系統之影響。
第六章以 4-氯酚及二級放流水為對象進行光觸媒及不織布薄膜複合系 統之應用研究。由於光觸媒鈍化或毒化是應用之限制之一，觀察 4-氯酚光 分解過程產生氯離子對於光觸媒性能之影響。本節並以不同試程對 4-氯酚 濃度變化、TOC 濃度、氯離子濃度、濾液殘留濁度及過膜壓力變化進行探 討。接著進行光觸媒氧化及不織布薄膜分離系統處理二級放流水之研究，
強調此複合系統之應用潛力。應用batch-stirred cell test 以比較光觸媒處理 二級放流水處理前後對UF 薄膜過濾特性改善程度，以說明複合系統在水回 收再利用方面之應用潛力。
不織布薄膜準備及特性 分析
最適不織布薄膜孔洞大 小之決定
不織布薄膜過濾行為及 積垢特性之分析
光觸媒氧化及不織布薄膜分 離複合系統建立及應用研究
目標污染物備製及分 析方法建立
懸浮式光觸媒反應機制 及批次分解特性之研究 懸浮式光觸媒選定
及特性建立
不織布薄膜 懸浮式光觸媒 目標污染物
圖 1 研究範疇