1.1 研究源起
揮發性有機物廣泛地使用在工業與家庭上。根據美國環保署的報告估計 美國1997 年排放的揮發性有機物高達 19,216,000 噸[1]。多種揮發性有機物 具有毒性，有些具有致癌性、致突變性或致畸形性[2]。除此之外，揮發性有 機物釋放到大氣中，與氮氧化物進行光化學作用，形成光化學性高氧化物，
例如臭氧、過氧硝基乙醯基，這些光化學性高氧化物對人與農作物都有害[3]。
含氧有機物包括醇類、醚類、醛類、酮類、醯胺類等，其中有多種屬於 揮發性有機物，因具有特殊的官能基，使此類有機物具有不同的物理化學特 性，而被廣泛應用在不同領域。例如：異丙醇與丙酮在半導體積體電路的製 程中常作為清洗的溶劑；在印刷工廠和分析實驗室，丙酮常用來作為溶劑；
在家庭中，許多家用品的主要成分也是丙酮；第三丁基甲醚是一重要汽油辛 烷值改善添加物。二甲基甲醯胺對有機溶劑具高許擇性及互溶性，常用於分 離多種碳氫化合物，例如乙炔及丁烯的回收及萃取；聚醯胺(polyamide)及聚 樹脂(poly ureathane, PU)溶於二甲基甲醯胺，可以製成合成皮及壓克力等產 品；另外，二甲基甲醯胺也常用於表面處理業、印刷業、製藥業、農業。
以紫外光/二氧化鈦程序處理氣相揮發性有機物，近年來開始受到重 視，此程序以二氧化鈦作為光觸媒，經由紫外光的激發，產生電子電洞對，
經過一連串的反應生成具高氧化能力的氫氧游離基分解有機污染物，將污染 物礦化成不具危害性的化合物，例如水、二氧化碳等。適於處理中低濃度的 揮發性有機物。而且光催化氧化技術具有氧化速率快、操作程序簡單、能源 消耗少等優點。
光催化氧化技術國內外相關的研究甚多，是一個非常具有發展潛力的處
理技術。目前國內的相關的研究可分為三方面：(1)反應器的設計[5-7]；(2) 觸媒的製備與改質[8,9]；(3)操作因子的影響[10-15]，大多著眼於處理效率的 提升。但是，光催化技術若要實際應用，需要注意的不僅是污染物的去除率 要高，也要考慮礦化不完全時，中間產物產生的破壞力、以及催化劑活性衰 減造成操作效率降低等問題，這也是本研究的重點所在。
1.2 研究目的
因此本研究利用二氧化鈦催化光氧化法處理氣相含氧有機物，其目的有 六 :
1. 尋找氣相含氧有機物的最佳操作條件
2. 了解氣相含氧有機物氧化過程，反應物與產物的消長關係 3. 推測光催化分解含氧有機物的反應機制與路徑
4. 了解二氧化鈦操作的生命週期
5. 尋找觸媒減活性的原因與再活化的方法
6. 評估以二氧化鈦催化光氧化處理含氧有機物的可行性
1.3 研究架構
為了有效利用二氧化鈦光催化氧化技術處理含氧有機物，本研究擬以一 環狀反應器配合紫外光/二氧化鈦程序進行含氧有機物之分解去除之探討，
研究之架構分成七大部分如圖1-1，分述如下：
1. 準備階段：包括系統的建立與二氧化鈦薄膜的製作。
2. 背景實驗：釐清含氧有機物分解之原因，除了紫外光催化分解以外，其 他可能的原因包括熱分解、紫外光分解與二氧化鈦暗反應。
3. 影響因子的探討：針對可能影響氣相光催化氧化程序的操作因子，包括 初始濃度、氧氣含量、溫度和溼度，進行單一因子實驗，以求得最佳操
作條件。
4. 反應路徑：包括中間產物與最終產物的分析，利用 GC 與 GC/MS 分析 與鑑定氣相中間產物與最終產物；利用FTIR 與 IC 分析吸附於觸媒表 面的中間產物與最終產物，藉此推測光催化氧化含氧有機物的反應路 徑。
5. 建立反應動力模式：藉由批次實驗，觀察反應物、中間產物與最終產物 隨反應時間之變化，並以數學方程式模擬。
6. 觸媒毒化實驗：(1)藉由連續流實驗，觀察不同種類的含氧有機物氧化 過程對觸媒活性的影響，並以數學模式模擬減活性速率。另外也探討不 同操作因子對觸媒減活性的影響。(2)利用 FTIR 與 IC 分析吸附於觸媒 表面的物種，藉此探討造成觸媒減活性的原因。(3)針對觸媒減活性的 原因，設計一系列的再生程序，分析各程序再生效果的優劣及可行性。
本研究的完成，預期在學術理論與實際應用方面，可以建立及印證含氧 有機物的異相光催化反應理論及其可行性，特別是經由中間產物的鑑定及反 應機制的建立，深入瞭解其反應途徑與控制理論;就其應用價值而言，則在 尋求有別於一般傳統之生物與物理化學處理範疇而更為經濟、高效率的處理 方法。大體而言，若經由完善的先期研究探討其適當的操作控制條件，更可 掌握其有效的去除效率，為一值得深入研究的課題。
1.4 發表論文
1. 在影響因子的探討與建立反應動力模式的內容：
(1) 關於丙酮的部份投稿於 Environmental Science and Health, Part A, 38(6), 1131-1143, 2003. 題目為“Heterogeneous Photocatalytic Oxidation of Acetone for Air Purification by Near UV-Irradiated Titanium Dioxide.” By Chiu-Ping Chang, Jong-Nan Chen, and
Ming-Chun Lu.
(2) 關於異丙醇的部份投稿於 Journal of Chemical Technology and
Biotechnology. (accepted). 題目為“Characteristics of photocatalytic
oxidation of gaseous 2-propanol using thin film TiO2 photocatalyst.” By Chiu-Ping Chang, Jong-Nan Chen, and Ming-Chun Lu.2. 在觸媒毒化實驗的內容：
(1) 關於 DMF 的部份投稿於 Chemosphere(revised). 題目為“Photocatalytic oxidation of gaseous DMF using thin film TiO2 photocatalyst.” By
Chiu-Ping Chang, Jong-Nan Chen, Ming-Chun Lu, and He-Yuan Yang.
(2) 關於異丙醇、丙酮、正丙醇、丙醛的部份投稿於 Journal of the Chinese
Institute of Environmental Engineering. (revised) 題目為“Titanium
dioxide deactivation during gas-phase photocatalytic oxidation of the oxygenates.” By Chiu-Ping Chang, Jong-Nan Chen, and Ming-Chun Lu.圖1-1 研究架構與內容
系統建立 製造觸媒薄膜
熱分解 直接光解
觸媒暗反應
初始濃度
觸媒毒化現象的觀察與模擬 準備階段
背景實驗
影響因子實驗
反應路徑
反應動力模式
觸媒毒化實驗
溫度
中間產物競爭 L-H 方程式 模式
最終產物的 分析 中間產物的
分析
氧含量 溼度
觸媒的再生 觸媒毒化原因