第一章 前言
1.1 研究緣起
空氣污染物中的揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds，
VOCs)係指在1大氣壓下，測量所得初始沸點在攝氏250度以下有機化 合物之空氣污染物總稱。但不包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、二硫 化碳、碳酸、碳酸鹽、碳酸銨、氰化物、硫氰化物等化合物。VOCs 主要源自於化學工業、石化工業、印刷業、塗裝業以及目前蓬勃發展 的半導體與光電液晶顯示器產業等，在空氣中為臭氧及煙霧生成之前 趨物，其在常溫常壓下會蒸發逸散至大氣中，經過陽光照射後產生光 化學反應，在大氣底層形成臭氧及光煙霧之空氣污染，因此已有許多 種類之揮發性有機化合物已被列入法規管制污染項目內，而成為空氣 污染管制的重點之一(台灣環保署，2005)。
在上述工業所使用的揮發性有機物中，丙酮(Acetone)即為一廣泛 應用代表性的揮發性有機物，丙酮也稱為二甲基酮，其分子化學式為 CH3COCH3，分子量為58.08 g/mol，為無色有芳香氣味的可燃性液體，
其熔點約為-95°C而沸點則為56.5°C，容易揮發且可溶於水。丙酮之 蒸氣與空氣混合可形成爆炸性混合物，爆炸限值為2.55%~12.8%，一 般法規上要求廢氣濃度須小於低爆炸限值的25%。
一般而言，揮發性有機化合物之去除技術可分為熱焚化處理 (thermal incineration)、吸附(adsorption)、吸收(absorption)、低溫冷凝 (condensation)等方法(USEPA, 1996)。不同條件下適用不同之處理方式，
目前實廠上常見的控制技術包含冷凝、吸附、吸收、生物處理及焚化 (燃燒)，有時使用複合功能的方式進行 VOCs 之去除，以期達到更好 的效果。其中冷凝是直接冷卻氣流至低溫，利用 VOCs 沸點不同的特 性而分別產生冷凝作用，冷凝劑藉由重力的方式來分離液體及氣體的 部分，用來去除氣流中的VOCs(Nevers, 2001)，低溫冷凝法局限於處 理極具揮發性之溶劑，而且相當耗能(Shah et al., 2000)；吸附是將氣 體分子與比表面積較高的多孔性固體粒子(吸附劑)的表面接觸，然後 可再進行脫附反應去除VOCs，其中可分為物理吸附、化學吸附等方
2 水等無害物質(Nevers, 2001)。
熱焚化處理為至今最有效處理揮發性有機廢棄物的技術，而在焚 化熱處理技術當中，又分為一般直接高溫焚化、沸石吸附濃縮轉輪或 其他吸附劑吸附後進行脫附再進行高溫焚化(>700°C)，以及中低溫度 (<500°C)的金屬觸媒焚化處理(Khan et al., 2000)，其中高溫焚化不僅 有消耗過多能源之缺點外，若控制高溫燃燒技術發生問題，則會出現 方向仍以利用水熱法(hydrothermal)合成具高比表面積的 MCM-41 之 複雜步驟再添加不同的金屬後進行製備中孔洞金屬觸媒(Xia et al., 2001; Araujo et al., 2003)，雖然以水熱法所合成之金屬觸媒品質及效 果最好，但是其製程步驟複雜，且需控制重要的化學因子，以及耗時 費力的操作卻是其製程缺點；因此，如何發展出更為操作簡易並且也 能獲得良好性質之金屬觸媒，一直是熱門的研究課題。
氣膠輔助快速製程合成方法(aerosol assisted rapid synthesized process)因為具有縮短合成時間之特色，可明顯大幅降低合成的時間
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成本。故本次研究為改善以往複雜之金屬觸媒製備步驟，利用簡易省 時之氣膠輔助揮發誘導自組裝(Aerosol Assisted Evaporation Induced Self-Assembly, Aero-EISA)製程，此 Aero-EISA 氣膠程序目前大部分 僅應用於矽源吸附劑的製備上(Lu et al., 1999)，其藉由 Aero-EISA 所 合成的中孔洞二氧化矽(Mesoporous Silica Particles, MSPs)之材料性 質與 MCM-41 相似，但是製備程序不只簡單省時，同時更可以設計 成為連續性的製程。其中 Hung 與 Bai (2008; 2009)以中孔洞二氧化矽 MSPs 為吸附劑與 MCM-41 進行丙酮的吸附實驗比較，更得到在相同 的反應物體積下，MSPs 的吸附力高於 MCM-41，同時 MSPs 填充於 反應器的壓降也低於MCM-41，驗證了 MSPs 的材料發展潛力。
對於利用Aero-EISA 製程製備金屬觸媒的研究方面，目前僅有少 部分的研究，如Bore 等人(2005)製備 Zr-Al-SiO2金屬觸媒並比較材料 的特性，發現未添加金屬的 SiO2比表面積在 750°C 的水蒸氣作用後 由1300 下降至 300m2/g，而 Zr-Al-SiO2金屬觸媒則在反應前後之比表 面積仍為 800m2/g，顯示經過金屬之添加後，材料之中孔洞結構更為 穩定；Hampsey 等人(2005)製備 Pd-SiO2並應用於 350°C 下將二氯乙 烯轉化成乙烯之除氯反應的研究上；而對於去除空氣污染物的研究應 用方面的文獻，除了Bore 等人(2006)以 Aero-EISA 製程再配合其他的 化學程序製備出Au-NH2-過渡金屬(Co, Al, Fe)-SiO2金屬觸媒，並進行 一氧化碳(CO)的少部分氧化實驗外，文獻上尚未見以 Aero-EISA 製備 金屬觸媒後並應用於催化VOCs 的相關研究。因此，以 Aero-EISA 直 接一步製備出金屬觸媒並應用於 VOCs 的催化去除為一創新的研究 題目，故此遂成為本次研究之主要動機。
1.2 研究目的
為了研究改善過去金屬觸媒的繁瑣製備方式，並且大幅縮短金屬 觸媒的製備時間，本研究之主要目的為應用氣膠輔助揮發誘導自組裝 (Aerosol Assiated Evaporation Induced Self-Assembly, Aero-EISA)製程，
同時選擇不同的非貴重金屬與矽(Si)原料等利用此新型製程結合為中 孔洞材質的金屬-MSPs(Mesoporous Silica Particles)觸媒，並進行丙酮
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揮發性有機污染物的催化實驗。
本研究將探討並完成下列目標：
1. 以 Aero-EISA 製程將不同種類的非貴重單金屬與矽源進行合成金 屬觸媒，藉以掌握Aero-EISA 一步合成金屬觸媒的相關製程參數，
同時並研究比較不同種類金屬所合成金屬觸媒之間的物理結構與 金屬化學特性，以及對於丙酮催化效率的差異。
2. 以最佳丙酮催化效率之單金屬觸媒，再進行金屬的添加比例細部 配方調整，藉由改變矽與金屬的莫耳比(Si/metal=10~200)，探討不 同的金屬添加量對於金屬觸媒微粒結構之物理化學性質與丙酮催 化效率之間的影響關係，以做為進一步更有效提升丙酮催化效率 的相關合成參數之參考。
3. 以 Aero-EISA 製程合成雙金屬觸媒，進行不同種類的雙金屬觸媒 以及雙金屬觸媒與單金屬觸媒之間對於丙酮催化效率的相互比較，
同時更進一步探討低溫催化丙酮之雙金屬觸媒的重要影響因子，
研究不同金屬種類之化學活性與催化溫度的關係，金屬觸媒的比 表面積、孔洞結構、金屬顆粒大小、複合雙金屬的特性等等參數 對於丙酮催化的相互影響程度。
4. 延伸研究比較以 Aero-EISA 一步合成與不同方法合成之雙金屬觸 媒，以及與商用沸石ZSM-5 為擔體合成之雙金屬觸媒進行低溫催 化丙酮測試，評估以Aero-EISA 一步合成之雙金屬觸媒催化 VOCs 之低溫效能潛勢，進而做為未來改進金屬觸媒的製程以及應用於 不同空氣污染物的研究參考。
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