效率預測公式於活性碳氣體過濾設備之應用

除了上述的空氣洗滌如洗滌塔等氣體洗滌設備，活性碳濾網也是廣泛應用於 工業建築與生產設備中，用以去除環境空氣中污染物的氣體除污設備。活性碳濾 網的標的，不同於空氣洗滌設備，通常是以具揮發性的有機化學品 VOC 為主 (Wolkoff and Nielsen, 2001)，其中也有以改質技術來去除特定的化學污染物，比如 氨氣或硫化氫等。除工業應用之外，因傢俱和建築材料會發生釋氣，故通常在室 內環境的 VOC，會比室外有更高的污染濃度(Brown et al., 1994; Guo et al., 2004;

Liu and Huza, 1995; Meininghaus et al., 1999)。配備活性碳濾網的空調系統可以顯著 提昇室內的空氣品質並且降低建築換氣的能耗。因此，準確評估活性碳濾網的性

在 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)標準 145 中，建議將 VOC 的測試進口濃度提高到 100ppmv，而這樣的 濃度遠遠超過濾網實際的工作水準。ASHRAE 標準由兩個部份所組成：145.1 適用 於試管設備的測試介質，而 145.2 則是於標準測試管道中，使用氣相空氣過濾設備 (GPAF，Gas-Phase Air Filtration）進行測試，其構架類似 ASHRAE 標準 52.2 中用 於微粒濾網的試驗平臺。此外，還有其他不同商業應用上關於活性碳濾網的性能 測試，其與標準 145.2 相較，或者使用不同的測試裝置，也許採用不同的測試流速，

標準 145 相同的高進口濃度(attack concentration)，皆設定其在 100ppmv 的高濃度 水準。這樣的實驗測試方式，為活性碳濾網性能評估的普遍方法。因加速試驗 (accelerated testing)¹²的進口濃度，與實際工作應用濃度有相當大的差異，故而可就 本論文關於進口濃度效率預測的模型來進行應用，以期探索高低進口濃度之間所 可能引致的效能差異。

關於活性碳濾材的效能研究，就 Wheeler-Jonas 方程式中的吸收率(Wheeler, 1969；Jonas and Rehrmann, 1973；Lodewyckx et al., 2004)與 Yoon-Nelson 模型(Yoon et al., 1984)中的乘積常數，都發現與進口污染物的濃度無關，如同本論文所提出的 理論模型計算基礎：在相同動力條件和物理條件下的質傳模數為固定常數；空氣 洗滌系統以有限元素法所切分的單元模組，所有組成單元模組的質傳模數皆相同，

與進口濃度的高低無關。故在本章節中，直接援用本論文前述建立的空氣洗滌效 率理論模型，來應用於 ASHRAE 標準 145 的活性碳濾網性能試驗，用以評估在不 同進口濃度條件下，活性碳濾網的性能差異。應用概念仍如同前述氣體洗滌，將 濾材切分成有限的區段單元，如圖 38 所示。

圖 38. 活性碳濾網切分成有限區段單元(Kuo, C. W., Chuang, T. S., & Chang, L. M., 2017)

12 加速試驗：指採用加大應力或增加濃度等強化作用參數的方法，促使試驗樣品在短期內失效，

以預測其在正常工作條件或儲存條件下的可靠性。

本研究以 Vizhemehr et al. (2013)使用不同進口濃度的甲基乙基酮（MEK, Methyl Ethyl Ketone），所進行一系列活性碳濾網 t50破出時間實驗的測值數據，來 做為說明範例，並將其引入本論文理論模型的計算。Vizhemehr et al. (2013)設計一 實驗，量測活性碳濾材於不同進口濃度條件下的 t₅₀破出時間，而該實驗的主要目

表 6. n = 1000 以勘根法求算 200 ppmv MEK t₅₀破出時間對應之質傳模數

membrane Inlet

concentration 100ppmv、50ppmv、30ppmv 與 15ppmv 皆於 201.65 分鐘相同的操作時間條件下，

計算各進口濃度所對應的理論去除效率。

故可求算得該活性碳濾材實驗之質傳模數 r： 濃度從 200ppmv 降低到 100ppmv，以上述計算所得之相關數值，代入預測公式，

則可得到該活性碳空氣過濾設備，於 100ppmv 進口 MEK 濃度，在 201.65 分鐘的 當下，該活性碳濾材的去除效率。

=0.3333 =33.33%

循相同的計算程序，可依序將進口濃度為 50ppmv、30ppmv 與 15ppmv 的條件，代 入效率速算預測公式(3-7)，所得結果如表 7 所列。此為於相同的 201.65 分鐘操作 時間當下，因不同的 MEK 進口濃度條件，所導致的不同污染物去除效率。

表 7. 於相同的 201.65 分鐘操作時間，不同 MEK 進口濃度條件所導致的不同污染 物去除效率

Inlet (ppmv) Diffusivity r

Outlet (ppmv) Emission reduction

MEK 200 (benchmark) 5.00E-06 100.00 49.99%

100 5.00E-06 66.67 33.33%

50 5.00E-06 40.00 19.99%

30 5.00E-06 26.08 13.03%

於此階段，由效率速算預測公式推估出，100ppmv進口濃度在201.65分鐘的 當下，其去除效率為33.33%。接續進行求算該過濾系統的破出時間，將計算所得 之出口端去除效率值，利用本研究所提出的”虛擬瞬時注射系統”，假設不考慮活性 碳濾材操作的歷時變化細節，以當下的瞬時狀態代表濾材的整體操作過程，利用 體積當量的概念來換算活性碳濾材於不同進口濃度下的t₅₀破出時間，如圖39所 示。

圖 39. 虛擬之瞬時注射系統(Kuo et al., 2017)

瞬時注射系統概念與古典物理相違，其假定與現實有不符之處，並非活性碳 濾網的真實使用狀態。於此僅為一個概念的描述說明，旨在幫助瞭解預測公式於 活性碳濾網上的應用邏輯；利用體積當量，來轉換在恆定空氣流速下不同的操作 時間間隔。活性碳濾網簡化為一瞬時注射器的出口濾材，而瞬間通過濾材的體積 即等於活性碳濾網在不同操作時間下緩慢流通的累計體積。根據Vizhemehr et al.

(2013)進行的實驗，321.6分鐘的操作時間，恰會導致進口濃度為100ppmv MEK，

在其當下，有50％的污染物被濾材捕集。故倘使虛擬之瞬時注射器，在對應於201.65 分鐘操作時間的體積處中斷，則被捕獲的污染物量值將與注射器擠注出的體積成 比例，如圖40所示。在321.6分鐘t₅₀破出時間的條件下，該系統於201.65分鐘操作 時間所捕獲的污染物比例，等於（201.65 / 321.6）×50％= 31.34％，非常接近由效

率預估公式所得，當進口濃度為100ppmv 的MEK，其在201.65分鐘後，理論的去 除污染物百分比33.32％，兩者的相對誤差值為5.94%，如圖41所示。進口濃度為 50ppmv MEK的實驗中，其t₅₀破出時間為526.27分鐘，故當操作時間由526.27分鐘 減少為201.6分鐘時，就虛擬瞬時注射的假設推導，污染物的去除量將縮減為

（201.65 /526.27）×50％= 19.16％。而以50ppmv進口濃度代入效率預測公式(3-7) 所得之理論計算值為19.99％，兩者之相對誤差為4.15%

圖 40. 捕集之污染物總量與注射擠注體積成正比(Kuo et al., 2017)

圖 41. 污染物的捕集比率與注射擠注體積成正比(Kuo et al., 2017)

藉由上述的計算流程，以效率預測公式(3-7)就活性碳濾材的應用，直接與 Vizhemehr et al. (2013)研究的實驗測值來進行比較，其去除效率的散佈圖，如圖42 所示(Kuo et al., 2017)。

圖 42. 不同MEK進口濃度下，實驗實測與效率預測公式比較(Kuo et al., 2017)

在此循用SAS JMP商用統計軟體來進行效率預測公式於活性碳濾網的應用，與 Vizhemehr et al. (2013)文獻實驗實測數據作多變量相關性的統計分析，驗證本文的 理論模型在活性碳濾網於不同進口濃度空氣污染物過濾去除上應用的可行性，如 圖43 所示。就分析結果，相關係數的計算值接近+1，可見理論預測的活性碳濾網 效率計算值與實驗結果呈現良好的正相關性。

圖 43. MEK實驗實測與效率預測公式之多變量分析