合成方法

本實驗以 SiO2包覆 Fe3O4的方法，主要為矽酸鈉包覆法，主要是以矽 酸鈉當作包覆的來源，合成方法敘述如下：

圖3-1 觸媒合成流程圖

Fe3O4：20 g、Distilled water：1080 ml

NaOH：1 M (調整至 pH 9.5±0.1)

加熱至90 ℃

反應30 分鐘

矽酸鈉溶液

H2SO4：5 M (調整至適當 pH 值)

反應30 分鐘

利用Distilled water 將產物清洗至 pH 值 7~8

105 ℃烘乾，乾燥箱保存

3.4 實驗裝置

本研究以批次懸浮式反應裝置進行試驗，探討臭氧對 RB5 水溶液的反 應情形。本研究中實驗裝置主要分為兩大類，第一類為馬達混合系統，第二 類為磁石混合系統，其概述如下：

1. 恆溫反應器：包含玻璃反應器及不銹鋼上蓋兩部分，為了建立質量平衡，

反應器必需完全氣密。反應器為 Pyrex 玻璃圓柱容器，外徑 13.5 公分，

外高34.5 公分，內徑 9.7 公分，內高 32.5 公分，實際總容積約 2.4 升，

有水夾層用以保持恆溫。不銹鋼材質上蓋的直徑13.5 公分，且有三個相 同的小孔(直徑 6 mm)及一個中孔(直徑 12 mm)，作為氣體進出口、pH 電 極、加藥及取樣用。

2. pH 儀：反應系統中配備有 pH 儀一部，以便隨時可以進行偵測並進行溶 液pH 值的調控(添加之酸鹼液量不超過總體積 0.5 %)。

3. 循環式恆溫槽：維持反應器之溫度在 20 °C 下進行操作。

4. 曝氣頭：不鏽鋼製的多孔性濾材，通入氣體時，能產生大量氣泡，增加 臭氧與溶液的接觸面積。孔隙度(Mesh)為 20 μm。

5. 臭氧產生儀：可利用空氣或氧氣產生臭氧，內建轉閥可調節臭氧濃度。

6. 臭氧分析儀：可線上分析氣相臭氧濃度，而且進行連續監控。

7. 氣體流量計：監控氣體進出口流量，並確定反應器的氣密性。

8. 電動馬達：進行反應容器內，溶液之混合。

9. 磁石攪拌機：進行反應容器內，溶液之混合。

本實驗之實驗設備組合如下圖所示:

圖3-2(a) 磁石混合系統設備圖

圖3-2(b) 馬達混合系統設備圖

3.5 實驗步驟

本研究之實驗主要分為臭氧質傳與反應處理程序兩部分，以下將針對各 程序之實驗步驟加以說明。

(一) 控制因子程序

為了確實掌握系統在不同條件下變化的情形，必須先進行背景實驗，

透過控制變因的實驗，來進一步判斷因子間作用的機制，瞭解反應系統的特 性，而以下程序為實驗步驟：

(1) 打開氧氣閥，調整至所需的氣體流量。配製 50 mg/L 的 RB5 水溶液，置 入氣泡式反應器中。

(2) 啟動循環恆溫槽，將溫度控制在 20 ± 1 °C，以硫酸及氫氧化鈉來控制 pH 值在所需的操作範圍。

(3) 控制預定之變因(如: ozone , ozone/H2O2 , ozone/Fe3O4…等)。

(4) 固定時間取樣約 2 ~ 5 ml，並以分光光度計與總有機碳分析儀進行分 析，觀察RB5 濃度是否有所變化。

以上之試驗簡略呈現在表3-2 中。

表3-1 控制因子實驗項目簡略表

實驗項目 O3 H2O2 SiO2/Fe3O4 Fe3O4

O3 ●

SiO2/Fe3O4 +H2O2 ● ● O3 + H2O2 ● ●

O3 + Fe3O4 ● ●

(二) 氫氧自由基試驗

臭氧質傳研究的實驗系統，主要在於探討臭氧在純水系統中的質傳行 為，以及磁性觸媒與過氧化氫對臭氧的影響。

(1) 開啟臭氧產生機，調整臭氧產生機的工作電壓及氣體流量，使臭氧的濃 度達到所需的量。

(2) 將 2.25 升的蒸餾水(或第三丁醇加 RB5)置入反應器中並啟動循環恆溫 槽，將溫度控制在20 ± 1 °C，以硫酸及氫氧化鈉控制 pH 值。

(3) 轉動三向閥及啟動過氧化氫注射器，讓臭氧與過氧化氫進入反應器中，

並且開始計時。固定時間取樣5 ml，以 Indigo method 分析液相臭氧濃度。

以上之試驗參數簡略呈現在表3-1 中。

表3-2 氫氧自由基試驗各實驗項目簡略表

因子 系統 設計數值

氫氧自由基試驗 Ozone/H2O2/catalyst RB5、RB5+tert-buntanol

、tert-buntanol

(三) 反應動力實驗程序

為了瞭解系統中在不同條件下反應趨勢，所以透過各試驗來獲得降解速 率及礦化速率，再運用數值分析得到反應速率常數，利用此常數來判斷該因 子對反應速率影響的趨勢，以下為本研究所進行之動力試驗：

(1) pH 值試驗：將反應環境分別控制在 pH 值 3、5、9、10，探討 pH 值對反 應速率之影響。

(2) 觸媒添加量試驗：控制觸媒添加量在 0.04、0.08、0.10、0.14、0.20 g/L，

探討觸媒添加量對反應速率之影響。

(3) 過氧化氫添加量試驗：控制過氧化氫添加量在 0.4、0.8、1.6、3.2、4.8 mg/min，探討過氧化氫添加量對反應速率之影響。

(4) RB5 濃度試驗：控制 RB5 濃度在 25、50、75、100、200 mg/L，探討不 同RB5 濃度其反應速率變化。

(5) 重複使用性試驗：將觸媒回收後重複使用數次，判斷觸媒的重覆使用性。

以上之試驗簡略呈現在表3-3 中。

表3-3 反應動力實驗各實驗項目

因子 設計數值

pH 值 3、5、9、10

觸媒添加量g/L 0.04、0.08、0.10、0.14、0.20 過氧化氫添加量mg/min 0.4、0.8、1.6、3.2、4.8 RB5 濃度 mg/L 25、50、75、100、200 重複使用性試驗 use1、use 2、use 3