以陣列式光纖反應器應用於光氧化程序處理氣相苯有機污染物之研究

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 以陣列式光纖反應器應用於光氧化程序處理 ※

※ 氣相苯有機污染物之研究 ※

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計畫類別：þ個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 90－2211－E－011－026－

執行期間：90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日

計畫主持人： 顧 洋 教授 共同主持人：

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立台灣科技大學化工系

中 華 民 國 91 年 9 月 15 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以陣列式光纖反應器應用於光氧化程序處理氣相苯有機污染物 之研究

:

Pr epar ation of NSC Pr oject Repor ts 計畫編號：NSC 90-2211-E-011-026 執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日

主持人： 顧洋 台灣科技大學化工系 計畫參與人員：王文 台灣科技大學化工系

一、中文摘要

紫外線/光觸媒氧化程序在有機污染物的處理 效率良好，近年來除了有關液相光催化程序的研究 外，氣相光催化序在進行有機物去除的研究也逐漸 受到重視。有鑑於高科技產業的蓬勃發展，所使用 的揮發性有機溶劑不僅種類繁雜，其用量也相當驚 人。傳統的溶劑處理主要以吸收或吸附為主，但對 於殘餘之低濃度排放氣體則無較佳的處理策略。紫 外線/光觸媒程序則可解由其程序之強氧化力將難 分解之有機揮發物，尤其是含苯環結構之化合物，

礦化成無毒之最終態產物-二氧化碳及水。有關光 反應器的應用，在傳統上大多以環狀光反應器搭配 低壓汞燈作為光源，其反應處理效率往往受限於反 應器之構造及幾何特性，而光源的使用效率也偏 低。在本研究中嘗試利用光纖作為光觸媒披覆基材 並同時以其當作光傳導的媒介，探討異於以往光反 應器的幾何構造對反應效率的促進效果。根據能量 平衡與質量平衡的概念，光纖反應器的光能傳送模 式以及光能分佈特性可以加以量化，並配合反應器 設計方程式的概念，進一步將以數值方法求解反應 器的流動特性與反應物的濃度分佈。實驗的架構主 要以氣相苯作為氣相有機揮發物(VOC)，分別進行 低濃度氣相苯於紫外線/光觸媒程序中的光催化行 為，探討受光強度，反應物滯留時間及光觸媒披覆 厚度等程序操作因子之影響，藉以評估光纖反應器 運用在紫外線/光觸媒程序的效率；而利用光反應器 設計方程式所模擬的反應轉化率則可與實際反應 行為比對，並可進一步分析及預測當反應操作條件 變更時，程序的處理負載能力，以進一步作為光纖 反應器在模廠實驗與尺寸放大時之參考。從實驗結 果發現，透過光強度分佈特性與反應器設計方程式 的結合，以數學模式所建立的反應器內部數值解能 有效地模擬 UV/TiO2程序在光纖反應器中處理氣 相苯揮發物的反應行為，並能合理地預測不同操作 參數下的反應效率。此外，為了進一步瞭解反應器 內部的流動行為，本研究亦嘗試利用電腦輔助流體 力學(CFD)，對反應器的流場進行分析與模擬，從 模擬結果發現，雖然反應器內部的雷諾數(Reynolds Number) 遠 低 於 去 向 亂 流 分 佈 的 臨 界 值 (Re<<2100)，但流場的特性的確屬於亂流，而且以

漩渦流(Vortex flow)的方式存在於反應器的出入 口，對反應物的質傳行為有一定程度的影響。

關鍵詞： 光纖、紫外線/光觸媒程序、揮發性有機 化合物，光強度分佈、流場、漩渦流(Vortex flow)

Abstract

TiO₂-coated optical fiber was used in a differential photoreactor for the oxidation of gaseous benzene in air stream under various UV light intensities, retention time and humidity. A single optical fiber was applied in the photoreactor as support for TiO₂ coating and as light transport media.

The surface properties (coverage, roughness and thickness) of TiO2 coated on the optical fiber were characterized and quantified by SEM micrographs. For TiO2 layer prepared from solutions containing less than 20wt% of TiO2 slurry, the thickness of layer was increased linearly with TiO2 slurry content in solutions.

The UV light intensity along a TiO₂-coated optical fiber decreased more rapidly than along a non-coated fiber. Mathematical models were employed to describe the attenuation of light intensity along the optical fiber and relate to the TiO₂ coating thickness. Numerical solution of light intensity profile in the TiO₂ coating layer can be predicted and compared to the photography of irritated fiber. The geometry of photoreactor is also discussed in this study.

Experimental results suggested that optima length of optical fiber is less than 5.0cm. The apparent quantum yield of optical fiber photoreactor is much higher than the traditional annular photoreactor (more than 2 to 10 times) and increased with increasing coating thickness of TiO₂ layer. About 60 % of gaseous benzene (inlet concentration of 10.0 ppmv) was decomposed in the optical fiber photoreactor under 1.4 second of retention time at UV irradiation with the presence of 30% relative humidity. The functional groups of organic intermediates generated during the photocatalytic reaction were identified by FTIR spectroscopy, and the possible degradation pathway was proposed. The cleavage of aromatic ring by

hydroxyl radical was found to occur at first to form various alkane and alkene derivatives, which were subsequently decomposed to the final oxidized products of water and carbon dioxide.

Keywords: Optical fiber photoreactor, Photocatalytic Degradation, TiO₂, UV, Benzene, apparent quantum yield

二、緣由與目的

自十九世紀末工業革命以來，全球的經濟不 斷地快速發展，物質生活的需求也相對地增加，然 而對於過度工業發展所伴隨而來的環境衝擊卻是 在近一、二十年才逐漸受到重視。環境危害中最先 受到重視的是地表水污染，由於其影響可直接以肉 眼觀察，如生態的破壞以及導致疾病的發生，且其 對人體健康的傷害較容易避免；但對於大氣中揮發 性有機物(Volatile organic compounds, VOCs)所造 成環境影響以及對生物的衝擊，由於其溢散速度 快，並可經由大氣稀釋，故較不受重視。隨著近年 來大眾環保意識的提升以及對各種不明疾病的研 究發現，許多具有毒性或危害性的有機物排放至大 氣後，不僅會影響空氣品質，更會對人體健康造成 很大的危害[1-6]。因此，大氣中的揮發性有機物污 染即成為眾所關注的「有害空氣污染物」(hazardous air pollutants, HAPs)之一。

近年來利用光觸媒作為揮發性有機物分解之 處理技術逐漸受到重視，由於紫外線本身已具有相 當高之輻射能量，可經由化學鍵對特定波長的吸 收，進行有機物的光學分解反應，進而將有機污染 物在室溫下以低溫程序(cold process)分解之，若與 光觸媒(如 TiO₂等)組成所謂「光觸媒催化氧化程 序」，可達到高氧化速率及氧化完全性之目的。在 光催化氧化反應中，具有高能量的紫外線將光觸媒 激發形成具高氧化能力之中間產物(如氫氧自由基 等)，來分解污染物，不僅使得反應速率顯著地加 快，更可進一步透過氧化能力的提升，將有機物分 解並氧化成最終氧化物－二氧化碳和水等[7]。而在 近年來國際提倡綠色能源的同時，除了提高能源使 用效率外，利用太陽能做為清潔能源也是將來必然 的趨勢，因此，運用太陽光當作光觸媒催化反應之 能量來源乃是未來環境保護技術相當具潛力的一 個發展方向。

在傳統的光反應器設計上，對於光觸媒受光表 面積以及光能利用率的探討上一直處於難以同時 提升的窘境，其主要原因乃受限於光反應器的幾何 構造與光利用原理[5,8]，而紫外線光能量通常是光 催化氧化系統中，操作成本較大的項目，為了能有 效提升光能利用率並降低操作成本，本研究希望藉 由嘗試不同的光反應器設計方式探討以異於傳統 光反應器的構造及光能使用方式，以光纖作為光觸 媒披覆的基材，同時亦可當作光能傳送的介質，並 透過結合系統中反應成份之質量平衡方程式與紫 外線光強度分佈模式，推導與建立 VOCs 於光纖反 應器內進行光氧化反應時之適用光反應器設計方

程式。此外，依據實驗所得之相關數據與數值模擬 計算結果的分析，進一步提出理想光纖反應器之設 計幾何特性與操作條件，以做為此類程序未來實際 商業應用研究之基礎及參考[9-13]。以往光纖反應 器的相關研究大多停留在液相有機污染物的處理 [11, 14]，對於氣相反應物的去除，尤其是工業上常 見的有機芳香族化合物則較少學者進行探討。只有 部分學者[12-13]針對直鏈狀的有機醇及酮類進行 反應動力分析以及各項操作參數的探討。至於，光 反應器本體的相關特性及光觸媒對光傳送行為的 影響則較少說明。

本實驗利用光纖作為光觸媒之載體，透過對不同披 覆光觸媒厚度下及不同光纖位置的光強度量測，嘗 試探討光能在光反應器中的輸送特性，並推導光強 度於觸媒層之的分佈模式。次外，根據反應操作參 數的調整，探討紫外線光強度、反應氣體流速等操 作參數對光纖反應器內有機物分解的影響，並配合 光反應器設計方程式預測反應轉化率，同時利用計 算流體力學驗證反應器流動特性對反應之影響 [15]，期以進一步開發光纖反應器之應用潛力。

三、實驗方法

本研究所所使用有機溶劑苯(benzene) 為質譜 級，其純度可達於 99.9%。而所使用之二氧化鈦光 觸媒(TiO₂) 為 Degussa P-25，所使用之光纖為直徑 1mm，長度 20.0cm，由上海光通訊廠製造之玻璃光 纖。

(1). 光纖載體：以長度 20.0cm 之光纖含浸法披覆 P-25 之二氧化鈦。

(2). 反應器：Pyrex 玻璃製圓柱狀實驗裝置主要由 微分光纖反應器與進氣系統所組成，此反應器 為供紫外線/光觸媒程序進行光氧化還原反應 所使用，反應器固定反應溫度在 22℃，微分反 應器內管直徑 0.4 公分，反應器全長 20 公分。

UV 光源為 365nm 燈源：Oriel Xe Discharge Lamp, 600W ， 輻 射 輸 出 之 波 長 主 要 分 佈 在 360~370nm 間。

四、光反應器模式推導

4.1 光纖表面光觸媒層之光強度分佈

對不同長度及不同光觸媒層披覆厚度下的光 纖進行一系列光強度損失之量測，並由實驗結果求 得光纖長度與光觸媒披覆厚度和光衰減之關係，而 光線在披覆光觸媒之光纖中的傳輸示意圖如圖 1 所 示。而根據光強度平衡，

trans abs

input I I

I = + ⁽¹⁾

UV Light

totally r eflection

r eflection

r efr action

TiO₂ Coating adsor ption

scatter ing cladding

fiber cor e è1

è2 n1 n₂

圖 1.披覆光觸媒之光纖中光線的傳輸示意圖

透過實驗結果發現，光強度的衰減與光線在光 纖中的行進距離成一指數關係，其表示式如下：

x input

fiber x I e

I ( )/ = ^{−α. (2)}

其中，α=0.4642 cm^-1為光強度折射損失係數 (refractive loss coefficient) 與 Peill and Hoffmann(1998) 及 Choi 等人（2001）的量測值。

而光觸媒披覆厚度與行進過程中之反射光強度的 關係，根據 Beer’s law 可加以描述如下。

εδ

− −

= e I

I_abs/ _input 1 (3)

其中，ε為 TiO2光觸媒對 365nm 紫外光的析 光 係 數 (extinction coefficient) 約 在 0.000435~

0.000851 nm^-1之。隨著披覆厚度(δ)，的增加，被 光觸媒吸收的光強度比例也會提高。而從實驗結果 計算得知的析光係數亦會受光觸媒披覆厚度的影 響。為了能更進一步瞭解光強度在在光觸媒披覆層 的衰減情形，以作為光纖反應器設計時的參考及操 作時的參數調整，利用圓柱座標的能量平衡方程式 描述光強度的輸送現象：

本實驗中只考量傳導的部分(不考慮輻射及流 動項)，並忽略θ方向的變化，因此，在穩態下(steady state)的光傳送程序可將能量平衡方程式由光強度 (I)替代溫度(T)，且 r 為光纖半徑方向，z 為光纖長 度方向，並表示如下式：

1 0

2 2

∂ = +∂





∂

∂

∂

∂

z I r

r I r r

f

f I_f = f(r,z)

r0

r

r_i ≤ ≤ ^,0≤ z≤L (4)

邊界條件如下：

If= f(z) at r= ri (5)

I_f=0 at z=L (6)

I_f=I_fo at z=0 (7) I_f=I_f(r) at r=r_o (8) 因為 TiO₂光觸媒層的光強度分佈無法直接量 測，故間接藉由光吸收度與厚度的關係式，如式(3) 所示，因此，利用分離變數法進行以上二元二次偏 微分方程式之解析，則得到披覆在光纖表面之光觸 媒層內，因光纖一端受光導致光線折射而形成之光 強度分佈，其表示式為光纖長度及光觸媒層厚度的 函數：

( ) ^{( )} ( )

( ) ( )

( ) ( )

∑

∞

=

⋅

−

−

−

















+



 



 ⋅ − − −

−

⋅

⋅



 



 ⋅ ⋅

= ₁ ^{2 2} 2

1 sin2 2

1 cos2 1 2 cos

,

m m

m L

m o m o

m o r r fo

f

m e m

r z I

r e I

L I

z r

I ^oi

η α

η π α π

η η η ε

α ε

(9) 根據上式之無因次表示方式，無因次光強度將 介於 0～1 之間，並且在r方向(光纖厚度)及x方向 (光纖輸送長度)皆呈一指數趨勢衰減。圖 5 為光強 度在厚度為 16μm，長度為 60mm 的光觸媒層，在 受光面積為dr.dL的情形下之光強度分佈數值解。

由圖 2 之結果發現光強度主要分佈在光源入射 之光纖端面(incident tip)附近，在厚度方面，約在 TiO₂披覆厚度超過 6μm 後則光強度迅速衰減至只 剩 3％以下。而在光纖輸送長度方面，發現主要的 光分布存在於前 50 mm 處，而光線的傳輸超過 23mm 以後，則可入射至光觸媒與光纖界面的光強 度迅速衰減到約 30％，而在光觸媒層上的光強度只 能在靠近界面處存在，超過厚度約為 2μ時，光強 度分佈就完全消失。

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

25 0 75 50 125 100 175 150 200

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 I/Io

Length of

optical fiber, mm ^Thic kness of TiO 2

coating layer , mm Simulated light intensity distr ibution

in the coated TiO₂ layer

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Dimensionless concentration

圖 2. 披覆在光纖上之光觸媒層內，光強度於 r 及 z 方向的分佈數值解

4.2 光反應器設計方程式之推導

圖 3 為微分光纖反應器之流動行為示意圖，

根據圖中的圓柱座標特性，以簡化之 Navier-stroke 方程式進行異相光催化反應處理氣相苯之濃度特 性分析。

) )

1 (

( ₂

2

z C r

r C r D r z

v^z C^{A AB A A}

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂ _{= + (10)}

而邊界條件則如下：

A0

A C

C = ^at z= 0 (11)

=0

∂

∂ r C_A

at r= ro (12)

A A

AB R

r D C =−



 





∂

∂ at r= ri (13)

其中第三個邊界條件為異相表面反應時有機 物分解消失之途徑，而本研究為光催化反應，故利 用 Langmuir-Hinshelwood 動力表示式，並導入光強 度對反應之影響，亦即將第(9)式應用於反應項表示 式：

A n A

f i

A K C

C I K

k

R + ⋅

⋅ ⋅

⋅

−

=

− 1 ⁽¹⁴⁾

因此，(13)式可進一步表示成光強度與濃度的 表示式：

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

A A

n

m m

m L

m o m o

m r o r fo

A AB

C K

C K

m e m

r z I

r e I

I L k

r D C

i o

⋅ +

⋅ ⋅

×

































+



 



 ⋅ − − −

⋅

−

⋅

⋅



 



 ⋅ ⋅ ⋅

⋅

⋅

−

=



 





∂

∂

∑^∞

=

⋅

−

−

−

1

2 1 sin2 2

1 cos2 1

2 cos

1

2 η2

α η π α π

ω η η

ε η

ω ε ^α

(15)

根據第(10)式的偏微分型式分析，其應屬於一 非線性二維偏微分方程式(nonlinear 2-D PDE)，且 由上述的邊界條件得知，本方程式屬非齊次邊界條 件(non-homogeneous)，有鑑於本研究所推導光纖反 應器設計方程式之複雜度太高，因此，藉由先前數 值解所求得之光強度分佈模擬結果作為光反應器 設計方程式之邊界值，再針對第(10)式進行對濃度 分佈之求解，並且仍以數值解析的方式，模擬並預 測在光纖反應系統中不同反應條件下的濃度分佈 特性以及反應器出口殘餘氣相苯濃度。

以上述理論模式之數值模擬解析並配合以 UV/TiO₂程序在光纖反應系統中處理含苯氣體之實 驗結果，以驗證此一光反應器設計方程式的合理性 及反應轉化率之預測效果。圖 3 為使用光纖反應器 設計方程式配合光纖光強度分佈模式所模擬在進 料苯濃度為 10ppmv，流速控制在 100ml/min，入射 光強度為 985W/m²以及光觸媒披覆厚度為 16.8μm 時，光反應器內部苯分子的濃度分佈情形。

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

0.18 0

4 2 8 6 1210 1614 20 18 C/Co

r dir ection, mm

z dir ection, cm Simulated concentration distribution of gaseous benzene in

continous differential optical fiber photoreactor.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Flow in

Flow out

Dimensionless concentration

圖 3 連續式微分光纖反應器應用於氣相苯光催化 分解時，光反應器內部在不同軸向及徑向空間 位置上的苯濃度分佈模擬結果

由模擬結果發現，苯濃度會在靠近光纖的範圍 內呈現一劇烈的變化，在反應器入口附近的濃度會 隨著流動方向先是明顯地呈指數衰減，在光纖反應

器內離入口處 6 公分處，光觸媒表面附近的苯濃度 出現一最小值且濃度趨近於零。然而，反應氣體沿 著反應器的長度方向繼續流動時，靠近光纖附近的 苯濃度則開始緩慢地提高。此外，在反應器半徑方 向的苯濃度分佈趨勢方面，在反應器入口處之濃度 梯度為零，而隨著行經軸向距離之增加，靠近光纖 附近的範圍內，其苯濃度快速遞減，當反應物進料 流經超過距離光反應器入口 6 公分處後，苯濃度梯 度再度呈現緩和的趨勢。因此，由圖上可發現濃度 的變化在靠近反應器入口且於光纖周圍最為明 顯，而在反應器出口則較平緩。而有關光纖反應器 內部流體行為的模擬，可藉由計算流體力學(CFD) 及電腦模擬運算加以探討。圖 4 即光纖長度為 20 公分時在反應氣體入口端及反應器中段位置的流 場分析結果。

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0( m l / mi n)

圖 4 CFD 模擬計算連續式微分光纖反應器內氣體 的流場分佈情形

五、結果與討論

5.1 光觸媒披覆厚度效應

以光纖反應器設計方程式為依據，嘗試模擬在 不同披覆厚度條件及光強度下以 UV/TiO₂程序進 行光催化分解氣相苯之效果。圖 5 為連續式微分光 纖反應器分解氣相苯的實際反應效果與模擬值之 比較。從比較結果顯示，在低披覆厚度(0~5μm)時 的模擬偏差較大，而在高披覆厚度(15.0~25.0μm) 時，則模擬結果與實驗值較為吻合。推測是因為低 披覆厚度時之反應轉化率較不明顯，可能有分析上 的些微誤差或是反應物之濃度梯度不明顯，降低質 傳效果所致。此外，由模擬值的趨勢亦可發現，當 光觸媒披覆至一定厚度後(>20.0μm)，提高披覆厚 度對反應效率的貢獻將逐漸趨緩，且在先前學者 (Chen et al., 2000)的實際研究中更提出，過高的光 觸媒披覆厚度將因為增加對反應物的質傳阻力而 抑制反應效率。因此，根據對光反應器在反應效率 上之模擬將有助於決定最適之光觸媒披覆厚度，並 可進一步瞭解入射光強度與光觸媒披覆之相互關 係。

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Simulation values at I= 2716 W/m² Experimental result at I=2716 W/m² Simulation values at I= 2139 W/m² Experimental result at I=2139 W/m² Simulation values at I= 1562 W/m² Experimental result at I=1562 W/m² Simulation values at I= 985 W/m² Experimental result at I=985 W/m² Simulation values at I= 408 W/m² Experimental result at I=408 W/m² Simulation values at I= 120 W/m² Experimental result at I=120 W/m² UV/TiO

2 Process in an Optical Fiber Photoreactor Conc. of Benzene = 10.0 ± 0.5 ppmv Flow rate = 100.0 ± 0.5 ml/min Temp. = 25.0 ± 0.5 ^oC Humidity =30 ± 0.1 %

Length of optical fiber = 20.0 ± 0.1 cm

C/C0

Thickness of TiO

2 coating layer, µm

圖 5 利用數值方法所計算以光纖反應器設計方程 式模擬不同 TiO₂光觸媒披覆厚度下，改變入 射光強度時之氣相苯的光催化分解情形

5.2 反應物進料流速效應

由於流速的改變主要影響反應物在光觸媒表 面的停留時間，因此，本研究藉由模擬反應物在光 反應器中不同的滯留間下，並同時探討改變入射光 強度時，連續式微分光纖反應器的光催化實際反應 效果與模擬值之比較。從圖 6 的結果顯示，光纖反 應器的分解效果與滯留時間呈一正比之線性關 係，隨著入射光強度的增加，苯的分解效率也明顯 提升。然而，在比較實驗值與模擬值的差異時發 現 ， 其 變 化 趨 勢 仍 屬 吻 合 ， 但 對 於 低 光 強 度 (408W/m²)時之模擬情形則有一定程度之偏差，推 測可能是光強度控制於偏低範圍時，因其調整方式 是以電壓控制，當電壓低於紫外光燈源的額定操作 電壓範圍時，導致光能輸出不穩定所致。

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00

Simulation values at I= 2716 W/m² Experimental result at I=2716 W/m² Simulation values at I= 2139 W/m² Experimental result at I=2139 W/m² Simulation values at I= 1562 W/m² Experimental result at I=1562 W/m² Simulation values at I= 985 W/m² Experimental result at I=985 W/m² Simulation values at I= 408 W/m² Experimental result at I=408 W/m² Simulation values at I= 120 W/m² Experimental result at I=120 W/m²

UV/TiO₂ Process in an Flow-Type Optical Fiber Photoreactor Concentration of benzene = 10.0 ± 0.1 ppmv

Temp. = 22.0 ±0.1 ^oC Humidity =3 0.0 ± 0.1 % TiO₂ coating Thickness = 16.8 ±0.1 µm Length of optical fiber = 20.0 ± 0.1 cm Carrier gas : air

C/C0

Retention time, τ(sec)

圖 6 利用數值方法所計算以光纖反應器設計方程 式模擬反應物在光反應器中不同滯留時間 下，改變入射光強度時之氣相苯的光催化分 解情形

50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Simulation values at I= 2716 W/m² Experimental result at I=2716 W/m² Simulation values at I= 2139 W/m² Experimental result at I=2139 W/m² Simulation values at I= 1562 W/m² Experimental result at I=1562 W/m² Simulation values at I= 985 W/m² Experimental result at I=985 W/m² Simulation values at I= 408 W/m² Experimental result at I=408 W/m² Simulation values at I= 120 W/m² Experimental result at I=120 W/m² UV/TiO

2 Process in an Flow-Type Optical Fiber Photoreactor Concentration of benzene = 10.0 ± 0.1 ppmv

Temp. = 22.0 ± 0.1 ^oC Humidity =30.0 ± 0.1 % TiO₂ coating Thickness = 16.8 ±0.1 µm Length of optical fiber = 20.0 ± 0.1 cm Carrier gas : air

C/C0

Flow rate, ml/min

圖 7 利用數值方法所計算以光纖反應器設計方程 式模擬反應物在光反應器中不同流速下，改變 入射光強度時之氣相苯的光催化分解情形

此外，當改以反應物進料流速對反應效果的 影響方式進行模擬，如圖 7 所示。由圖中之結果顯 示出，隨著流速的增加，反應轉化率的變化趨於平 緩，而光催化反應分解氣相苯的效果也漸漸變差，

由此可推測，在光纖反應器中流速的降低對於整體 反應效果的促進有正面的影響，而根據先前對流速 效應的探討以及先前對光纖反應器內部流體行為 的分析，提高流速對光纖反應器中的反應物雖有可 能促進反應流體在光纖反應器中的攪拌混合效 果，但反應物滯留時間不足仍是造成反應轉化率降 低的主要影響因子。

5.3 光量子產率受厚度之影響

根據本研究對光催化分解氣相苯的光量子產 率定義，量子產率(Φ^{)可定義如下：}

abs A Ao abs A

I t C C dt

h d

dr ( )/

] [

≅ −

≡ −

Φ ν (16)

亦即，氣相苯濃度在一段反應時間內的濃度變化對 入射紫外光.強度的比值。實驗結果經計算可得如圖 8 有關光觸媒披覆厚度與光量子產率在不同紫外光 照射光強度的關係。從圖中發現，當照射光強度為 2700W/m²且光觸媒披覆厚度由 0.5ìm 逐漸增加至 23.5ìm 時 ， 光 量 子 產 率 從 0.0025 迅 速 提 升 至 0.065。然而，從圖中的結果卻並未發現光強度對光 量子產率的具體影響，推測是披覆厚度效應的影響 遠大於光強度之影響。此外，由實驗結果也顯示出 較厚的光觸媒披覆厚度可導致較多的有效光穿透 深度，進而激發較多的光觸媒表面位置，故可提高 光纖反應器的光量子產率。先前的研究[10-11]也提 出和本研究相似的反應趨勢。

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 0.00

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Simulation values at I= 2716 W/m² Experimental result at I=2716 W/m² Simulation values at I= 2139 W/m² Experimental result at I=2139 W/m² Simulation values at I= 1562 W/m² Experimental result at I=1562 W/m² Simulation values at I= 985 W/m² Experimental result at I=985 W/m² Simulation values at I= 408 W/m² Experimental result at I=408 W/m² Simulation values at I= 120 W/m² Experimental result at I=120 W/m² UV/TiO

2 Process in an Optical Fiber Photoreactor Conc. of Benzene = 10.0 ± 0.5 ppmv Flow rate = 100.0 ± 0.5 ml/min Temp. = 25.0 ± 0.5 ^oC Humidity =30 ± 0.1 %

Length of optical fiber = 20.0 ± 0.1 cm

Apparent Quantum Yield,φ

Thickness of TiO

2 coating layer, µm

圖 8 在不同光觸媒披覆厚度下 UV/TiO2 程序利用 光纖反應器進行氣相苯分解反應時所計算出 不同照射 UV 光強度下的光量子產率 六、結論

本研究利用光纖作為光觸媒之載體，進行連 續式微分光纖反應器動力行為之分析與預測。根據 實驗所推導之光強度分佈模式配合光反應器設計 方程式的模擬，能有效推估並說明反應物種在光纖 反應器內的濃度分佈，同時配合 CFD 電腦模擬，

進一步確認反應氣體在反應器內的流動型態，其模 擬結果同時亦可提供反應效率偏差的原因說明。此 外，從光觸媒披覆厚度與反應流速之相關實驗可得 知，光強度在觸媒層的穿透厚度與反應物之質傳效 果為決定反應分解速率之主要影響因素。而氣相苯 於光纖反應器中的光量子產率主要也受到光觸媒 披覆厚度之影響。當以本研究所推導之光反應器設 計方程式進行披覆厚度及流速效應模擬時得知，光 纖反應器存在一最佳的光觸媒披覆厚度及反應物 流動速度，過厚的觸媒層將阻礙光能的穿透並提高 有機苯分子在光觸媒層之質傳阻力。此外，流速提 高雖能增進漩渦流的發生，但卻會降低反應物與光 觸媒的反應接觸時間，進而抑制反應進行。

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