行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
大樓屋頂鋼筋混凝土奈米磁磚水槽之研發
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC93-2211-E-011-036-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學營建工程系
計畫主持人： 楊錦懷 計畫參與人員： 陳盈宏
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 12 月 23 日
大樓屋頂鋼筋混凝土奈米磁磚水槽之研發
楊錦懷1 陳盈宏2
關鍵詞：二氧化鈦、紫外光、溶液初始濃度、尺寸效應
摘 要
本研究將二氧化鈦噴塗在水槽容器上形成一層厚度極小之薄膜，以解決二氧化鈦 粒子進行水處理後回收之問題，以節省二氧化鈦在水處理上時間與成本，再以紅墨水 模擬水中之有機物，來進行有機污染物分解試驗。本研究主要可分為室內實驗與室外 實驗兩部分來討論，並針對不同之光強度、溶液初始濃度、水槽尺寸反應變數，以評 估其對紅墨水去除效率之影響。研究結果顯示，當紫外光強度增加，二氧化鈦光觸媒 之除污能力也會隨之增加，其增加之效果並非與紫外光強度成正比。在溶液初始濃度 方面，隨稀釋倍率增加，淨化之效果越佳，故本實驗中以稀釋倍率 1：100000 為最佳。
在尺寸效應部分方面則是大尺寸溶液體積與可反應之光觸媒表面積之比大於小尺 寸，及光在溶液中之路徑較長，故小尺寸之淨化效果優於大尺寸。
一、前言
在傳統廢水處理方法方面則包括使用不同的吸附劑，例如活性碳、化學氧化法和 生物裂解法，但這些方法均有其應用上的限制與缺點，上述方法均會造成環境的二次 污染，如活性碳吸附只是將污染物從水中分離出來，而非將污染物分解；化學氧化法 則是無法將污染物完全礦化，且有反應物濃度的限制；生物處理法會產生污泥，且污 泥的處置困難，另外其反應條件之要求較嚴格(pH 值和溫度)。而光催化氧化法可以 將濃度極低(ppb 範圍)的污染物完全礦化，同時又具有快速反應、成本低廉等優點，
故在廢水處理的應用上，以光催化氧化法分解污染物的方式，最被廣泛地研究與發 展。但由於一般使用光觸媒之方法，都是利用光觸媒粉體直接投入廢水中來淨化水中 之有機物質，因光觸媒之粒子屬奈米等級，粒徑極其微小而在回收處理上不僅費時而 且需耗成本又高。
故欲解決上述光觸媒在水處理方面上之限制，本研究便將光觸媒噴塗在水槽容器 上形成一層厚度極薄之光觸媒薄膜，以解決光觸媒粒子進行水處理後回收之問題，以 節省光觸媒在水處理上時間與成本。再以紅墨水模擬水中之有機物，並在室內與室外 不同之光強度條件下，來進行有機污染物分解試驗，於檢測方面則以日光燈之光源，
進行紅墨水水體之透光度分析，來判斷此法之可行性。另以稀釋不同倍率紅墨水之方 式，來比擬不同初始有機物濃度之方法；再利用大小尺寸不同之玻璃水槽，來比較不 同溶液體積與可反應之光觸媒表面積之比時，可能對分解有機物效率之差異。並藉由 此法之便捷性與經濟性，來判斷在有機物污染與淨化後之改善程度。
二、試驗計畫
2.1 試驗變數
本研究之試驗變數，於光觸媒使用上，主要分為無TiO2與有TiO2之分解紅墨水有 機化合物兩部分。在光源來源方面，分為室內與室外兩種條件，室外部份依不同之天 候條件可區分為晴、陰、雨天，室內部分則以燈高15cm、25cm分別比對室外晴、陰兩 種情況；溶液初始濃度部分，分為紅墨水與水之稀釋比率為1:10000、1:50000、
1:100000三種來模擬不同水質污染程度。尺寸大小則分為邊長30cm與15cm正方形之玻 璃水槽，來比較不同溶液體積與可反應二氧化鈦表面積之比時，可能對分解有機物效 率之差異。反應條件在室內室溫控制在25±2℃下進行；室外則在一般之自然環境條件 下試驗；表1與表2分別代表室內外試驗之反應變數。
2.2 試驗程序
本試驗程序依環境之不同區分為室內與室外，茲分別敘述如下:
(一)室內紫外線與紫外線/光觸媒分解反應
(1)進行試驗前一小時開啟紫外燈，使其放出能量趨於穩定，並調整光源距離，以 改變光強度至試驗所需。
(2)選擇兩組欲試驗水槽之尺寸，大小需相同，其中一水槽表面已噴塗TiO2薄膜，
另一無進行任何處理。
(3)調配所需要之濃度，分別注入選定之水槽中，各置紫外燈於水槽上方，開始進 行試驗。
(4)試驗二十四小時後進行取樣分析，將試驗溶液導入的小玻璃水槽中，置小玻璃 水槽於5.4cm墊木上，以利下方擺設偵測儀器，需使儀器置於水槽之正下方。
(5)利用紫外燈與紫外線強度計進行試驗溶液之紫外線強度偵測，再利用日光燈與 可見光照度計來擷取可見光之透光度，並記錄數據之。
表1 室內試驗之反應變數
試驗項目 尺寸 光強度 反應物濃度 反應時間
大 510
1:10000 1230
無 小
510 1:50000 大 510
1230 1:100000 光
觸 媒
有 小
510
24
表2 室外試驗之反應變數
試驗項目 尺寸 光強度 反應物濃度 反應時間
大 晴 1:10000 無
小
1:50000 陰
大
1:100000 光
觸 媒
有
小 雨
24
(二)室外紫外線與紫外線/光觸媒分解反應
(1)選擇兩組欲試驗水槽之尺寸，大小需相同，其中一水槽表面已噴塗TiO2薄膜，
另一無進行任何處理，調配所需要之濃度，分別注入選定之水槽中。
(2)於水槽上方置一略大於開口尺寸之玻璃蓋板(厚0.5cm)，並將水槽搬運至屋頂無 遮蔽物之處，開始進行試驗。
(3)每日觀測天候情況，並於中午12~2點量測紫外線強度。
(4)試驗二十四小時後進行取樣至試驗室分析，將試驗溶液導入的小玻璃水槽中，
置小玻璃水槽於5.4cm墊木上，以利下方擺設偵測儀器，需使儀器至於水槽之正下 方。
(5)利用紫外燈與紫外線強度計進行試驗溶液之紫外線強度偵測，再利用日光燈與 可見光照度計來擷取可見光之透光度，並記錄數據之。
三、光化學反應
光化學理論
一般光化學理論可分為兩大定律。第一定律(Grotthus-Draper 定律)，光子被反 應系統中的反應物吸收後才能促使化學變化發生。第二定律(Einstein-Stark 定 律)，一個光子或量子(One quantum of the light)被一個分子吸收後而使此分子活 化(Activation)，即此分子吸收光後須有電子轉移發生才會具有活性[1]。
物質吸收光能後，電子可由低能階躍升至高能階的軌道，若電子軌道恰位於化學 鍵上且入射光能量夠大，則可以使化學鍵斷裂。表 3 為化學鍵能造成鍵斷裂所需之最 大波長。
而一般光化學反應分為三個階段。第一階段，物質吸收光能後成為受激發態。第 二階段，受激發態物質進行初級光化過程(Primary photochemical process)。第三 段 階 段 ， 由 初 級 光 化 過 程 所 產 生 的 產 物 再 進 行 次 級 光 化 反 學 (Secondary photoreactions)，此步反應無需吸收光線便可以在反應物之間以正常方式相互作用 [2]。
初級反應中因為分子吸收了光子，而增加了本身的振動與轉動能，而成為激發 態，進而引發後續反應程序，包括輻射程序(如發出螢光)、非輻射程序(如釋出熱能)、
去活化作用及分解作用；尤以分解作用最為重要，可以下式表示[1]：
A + hν → A*
A* → D1 + D2 其中 A:反應分子
hν:光能，A*:受激態分子
D1，D2:分解產物，可為原子或自由基
初級反應經由 Noyes 及 Leighton [1]整理如表 2.2；其中 M 為均勻相(Homogeneous phase)或反應槽表面之其他分子，B、C、E 則代表光吸收分子外之穩定分子。
光化學反應類型
一般光化學反應分為兩類：
1.直接光解(Direct photolysis)：
物質吸收光能達到激發態後，物質本身繼續進行化學反應而分解。
表 3 化學鍵的斷裂能量 [2]
2.間接光解(Indirect photolysis)：
系統中存在之感光物質(Sensitizer)吸收光能達到激發態後，再誘發系統中另一物 質產生化學反應 [3]，這種間接方式的光化學反應可以下列簡單反應式表示：
A + hν → A*
A* + B → A + B*
Dissociation energy
Maximum wavelength to break
If absorbed,will this light break the bond?
Bond Kcal/mol bond,nm 253.7 184.9 Carbon
C－C 82.6 346.1 yes yes
C＝C 145.8 196.1 no yes
C≡C 199.6 143.2 no no
C－Cl 81.0 353.0 yes yes
C－F 116.0 246.5 no yes
C－H 98.7 289.7 yes yes
C－N 72.8 392.7 yes yes
C＝N 147.0 194.5 no yes
C≡N 212.6 134.5 no no
C－O 85.5 334.4 yes yes
C＝O(aldehydes) 176.0 162.4 no no C＝O(ketones) 179.0 159.7 no no
C－S 65.0 439.9 yes yes
C＝S 166.0 172.2 no no
Hydrogen
H－H 104.2 274.4 yes yes
Nitrogen
N－N 52.0 549.8 yes yes
N＝N 60.0 476.5 yes yes
N≡N 226.0 126.6 no no
N－H(NH) 85.0 336.4 yes yes N－H(NH3) 102.0 280.3 yes yes
N－O 46.0 595.6 yes yes
N＝O 162.0 176.5 no no
Oxygen
O－O(O2) 119.1 240.1 no yes
－O－O－ 47.0 608.3 yes yes
O－H(water) 117.5 243.3 no yes sulfur
S－H 83.0 344.5 yes yes
S－N 115.0 248.6 no yes
S－O 119.0 240.3 no yes
B* → D1 + D2
其中 A 即表感光物質。
欲利用直接光解的機制來分解有機物，則在選用條件有些限制。
(1)光源波長必須小於 290nm，才能提供足夠的能量讓物質吸收後進行直接光解。而 在自然界中，在此波長範圍的光，通常在日光到達地面之前，就會被大氣層所濾除，
而無法作有效的被利用來作打斷化學鍵的光源，所以在光源的選擇上的，就必須選擇 人工光源，這在經濟的考量上，不合乎需求。(2)直接光解在反應過程中，需要較長 的反應時間。Zafiriou 等(1984)[4]以直接光解程序分解數種有機物，發現雖然部分 物質能在數小時內達到 50%的分解，但有許多物質之半衰期達一星期甚至一個月之 久。
間接光解在實際的應用上，是應用催化劑(如氧化劑、感光劑或半導體)的存在，
而加速光化學反應的進行，而這類型的光分解反應除了不需加溫及加壓就可以進行之 外，還有其他的優點 [5]：
1.可在短時間(數小時)把有毒之有機物完全礦化。
2.在反應過程所產生中間產物，會持續被氧化，故不會有毒性中間產物的累積。
3.催化劑價格低廉，經濟效益高。
4.可用日光作光源，實用的可行性高。
光催化(Photocatalysis)反應就是間接氧化的應用，即是利用光催化劑的存在來 進行光化學反應。光催化劑於反應中扮演「催化」的角色，即催化劑本身受光激發作 用而加速系統反應進行；而光催化劑與反應物之相(Phase)的不同可分為[6]：
1.同相光催化反應(Homogeneous photocatalysis)
同相光催化反應意指催化化劑與反應物存在之物理相相同，通常發生於液相或氣相之 中，且依催化劑種類的不同，又分為有機感光劑及氧化劑兩種。
2.異相光催化反應(Heterogeneous photocata1ysis)
異相光催化反應意指催化劑與反應物存在之物理相相異，一般發生於固-液、固-氣兩 種相界之間，反應物存在於液或氣相中並擴散而吸附於固體催化劑之表面，催化劑吸 收光子後，於固態顆粒表面發生一連串的氧化還原反應，而達到反應物分解之目的。
四、實驗結果與分析
4.1 前置試驗
4.1.1 透光度與濃度調整試驗
在固定的容器中充填不同稀釋倍率與高度之紅墨水，將裝有紅墨水之容器置於高 5.4cm 之 墊 木 上 ， 於 其 上 加 一 略 大 於 開 口 之 玻 璃 蓋 板 ， 並 於 其 上 置 一 強 度 為 1280μW/cm2之紫外燈，藉由紫外光照射容器中之紅墨水，使得擺於容器下方之紫外 線強度計，得以接收經由溶液吸收後剩餘之紫外線。經由不同紅墨水之稀釋倍率與溶 液高度可得不同之紫外線強度趨勢曲線(如圖1與圖2)。
4.1.2 室內紫外燈強度測試試驗
室內實驗之紫外線強度乃是作為以陽光為光源之室外實驗驗證基準，因紫外燈之 強度與燈源之距離平方成反比，故需藉由控制紫外燈與紫外線強度計之高度來達成。
本實驗之紫外燈高度，以配合大小玻璃水槽之溶液高度而進行調整，在小玻璃水槽方 面，其尺寸大小為 15*15*15*0.5(長*寬*高*厚，單位:cm)，其溶液高度為底板玻璃 上方 10cm，又因紫外燈尺寸大於小玻璃水槽之關係，故小玻璃水槽之紫外燈高度下 限約為 15cm，而由於雨天時之紫外線對光分解之效果並不顯著，故在控制小玻璃水 槽之紫外燈高度上限時，即以陰天之強度(約 500~1000μW/cm2)為基準，經由量測約 為距感測器上方 25cm 之高度(如圖 3)。另外在大玻璃水槽方面，其溶液高度位於為 玻璃底板上方 20cm 之處，為使其所受之紫外線強度與小玻璃水槽能一致即將高度控 制在 25cm，若高度大於此值，則紫外線之強度便降至於 500μW/cm2以下，故於室內 大玻璃水槽方面之高度變數僅有一種。
4.2 室外紫外光與紫外光/光觸媒分解程序
此分解程序在模擬室外不同天候之日照條件下，大小尺寸之實驗組(有塗佈 TiO2) 與對照組(無塗佈 TiO2)對不同之稀釋倍率紅墨水之除污能力。
4.2.1 紫外線光強度效應
在晴天時高度之紫外線能量對紅墨水去除之速率皆有明顯的提升；但當天候條件 為陰天時，則紫外線之強度為之折減，使得紅墨水之消退比晴天之量減少；在雨天之 天候條件，因雲層之厚度增加而使大部份紫外線被吸受，所以紅墨水之去除率即越不 明顯，在本實驗中實驗組對紅墨水之去除率，在晴天與陰天條件下皆具優於對照組，
唯在雨天時較無顯著之差異，如圖 4~圖 5 所示。其造成之原因乃是當光強度越大，
單位面積時間所產生的光子數量越多，二氧化鈦被光子碰撞而吸收光能的機會，也隨 著光子數量的增加而增加，進而提高電子-電洞的產生數目，使得反應物之去除速率 與光強度成正向相關；不過，當二氧化鈦顆粒被完全激發時，即使增加光強度也無法 使反應物的去除速率進一步的提升。
428 480
560 428
14 1
428
210
115 428
314
240
0 100 200 300 400 500 600
0 2 4 6 8 10 12
cm
μW/cm2
清水 1000倍 5000倍 10000倍
圖 1 清水與稀釋 1000~10000 倍紅墨水之紫外線強度趨勢線
428
480
560
428
314
240
428 441 472
428 462
516
200 300 400 500 600
0 2 4 6 8 10 12
cm
μ W /c m 2
清水 10000倍 50000倍 100000倍 圖 2 清水與稀釋 10000~100000 倍紅墨水之紫外線強度趨勢線
1230
760
510
350 750
462
315 213
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
10 15 20 25 30 35
燈高(cm)
μ W /c m 2
燈 燈+板
圖 3 紫外燈隨高度變化之強度曲線
無 有 225
120
20 210
110
0 10 50 100 150 200 Lux
TiO2 無 有
晴 陰
雨
圖 4 在室外條件小尺寸不同天候 1:100000 紅墨水稀釋倍率之照度
有-無
15
10 10
0 10 20 30 40 50
Lux
TiO2
有-無
陰 雨 晴
圖 5 在室外條件小尺寸不同天候 1:100000 紅墨水稀釋倍率 實驗組與對照組照度之差值
4.2.2 反應物初始濃度效應
當紅墨水初始濃度增加時，其吸光度也會跟著增加，由圖1，圖2可得知，而影響 了到達TiO2表面之光子數量，使TiO2能激發之電子-電洞對數目為之降低，進而影響紅 墨水之去除速率。在本實驗同天候條件同尺寸不同紅墨水稀釋倍率之實驗組與對照組 中(如圖6~圖7)，可看出隨紅墨水稀釋倍率之提高，則對其之除去量有下降之趨勢，
尤以稀釋倍率較小之組(如1:10000)較為明顯；當稀釋倍率進一歨提升到1:50000時，
因稀釋濃度大幅提升四倍，紅墨水對光之吸收度也逐漸的減弱，使得陽光中之紫外線 得以深入溶液中，進而光分解溶液中之有機物，因光能穿透溶液之量與其濃度及路徑 長度成反比，故當溶液濃度較高時，對紫外光之吸收度較高，呈現出之效果即較不明 顯；到了1:100000時，溶液之透光度繼續隨稀釋倍率之增加而增長，但增加之速率則 越趨平緩。本實驗中之實驗組具有間接光解之光觸媒作用，故隨濃度之降低則其去除 之效果越較對照組為明顯。故若欲使反應速率更進一步提升，即可採取提高稀釋倍率 之方式，唯當稀釋倍率達一定程度時，即與未添加紅墨水的清水溶液色澤極為相近，
不易明確區分紅墨水之分解情形，將使實驗易產生由儀器誤差來決定實驗結果之情 形，則實驗之精確性有待進一歨評估。
無 有 100
185
225
100
170
210
0 50 100 150 200
Lux
TiO2 無 有
1:10000
1:100000 1:50000
圖 6 在室外條件小尺寸晴天不同稀釋倍率紅墨水之照度
有-無
0 15
15 0
50 100 150 200
Lux
1:10000 1:50000 1:100000 TiO2
圖 7 在室外條件小尺寸晴天不同稀釋倍率 實驗組與對照組照度之差值
4.2.3 反應容器尺寸效應
當反應容器放大時，溶液體積與可反應光觸媒表面積之比會隨著增加，單位面積 光觸媒所需反應之紅墨水量增加，使得紅墨水之去除速率跟著降低。在光線穿透溶液 路徑長度上亦會與容器尺寸正比，使得光線在溶液中行進之距離增加，因紅墨水會吸 收紫外線，當容器尺寸越大，則紫外光在紅墨水中會被漸漸吸收，降低與光觸媒表面 接觸之機會，而導致光觸媒所能吸收之紫外線強度降低，間接影響光觸媒之反應速 率，故容器中紅墨水之去除速率將隨著尺寸之放大而降低。在本室外實驗中小尺寸水 槽之紅墨水去除率皆比大尺寸之效果來的佳，而於實驗與對照組之比較方面，實驗組 比對照組有略為之提升，但並不明顯(如圖8~圖9)。
無 有 190
225
180 210
0 50 100 150 200 250
Lux
TiO2 無 有
大 小
圖 8 在室外晴天條件下不同尺寸對稀釋倍率 1:100000 紅墨水之照度
有-無
10 15
0 10 20 30 40 50
Lux
大 TiO2
小
圖 9 在室外晴天條件下不同尺寸 1:100000 紅墨水稀釋倍率 實驗組與對照組照度之差值
4.3 室內紫外光與紫外光/光觸媒分解程序
本試驗在室內實驗室環境下，以不同紫外燈高度來控制不同之紫外線強度，藉此 與室外不同天候之日照條件下做比較之基準。本實驗之實驗組(有塗佈 TiO2)與對照組 (無塗佈 TiO2)大小尺寸及紅墨水稀釋倍率皆與室外之變數相同；室內實驗之紅墨水去 除效果如表 4-3 所示。
4.3.1 紫外線光強度效應
當紫外燈高度控制在水槽底面上方 25cm 之處，有圖 3 可知，水槽底面所接受之 紫外燈強度為 510μW/cm2，再藉由室外實驗中之紫外線強度可比較得到，當晴天時紫 外 線 之 強 度 (UV) 約 ≧ 1000μW/cm2， 陰 天 時 約 500~1000μW/cm2， 雨 天 時 約 ≦ 500μW/cm2，故可知當紫外燈高為 25cm 時，對應於室外約為在陰天之天候環境，並 以此作為與陰天比較之基準；當紫外燈高度為 15cm 時，對應於室外天候條件約為晴 天之強度，故可模擬為晴天之條件。
當為同尺寸與稀釋倍率時，紅墨水之透光率隨紫外燈之高度降低而提高，實驗組 亦因產生電子-電洞之關係而比對照組來的為優；但當稀釋倍率進一步的放大，則紅 墨水去除效果隨紫外燈高度變化之趨勢更為明顯，呈現出愈佳之現象，但實驗組只有 在稀釋倍率超過 1:100000 紅墨水去除效果才會比對照組具效果(如圖 10~圖 11)。
無 有 35
70
30
60
0 20 40 60 80 100
Lux
TiO2 無 有
小25 小15
圖 10 在室內同尺寸紅墨水稀釋倍律 1:100000 不同燈高之照度
有-無
5 10
0 10 20 30 40 50
Lux
TiO2 有-無
小25 小15
圖 11 在室內同尺寸紅墨水稀釋倍律 1:100000 不同燈高 實驗組與對照組照度之差值
4.3.2 反應物初始濃度效應
在本實驗同紫外燈高度同尺寸不同紅墨水稀釋倍率之實驗組與對照組中(如圖 12~圖 13)，可看出隨紅墨水稀釋倍率之提高，則對除去量有下降之趨勢，尤以稀釋 倍率較小之組(如 1:10000)較為明顯；當稀釋倍率進一歨提升到 1:50000 時，紅墨水 對光之吸收度也呈現出大幅的減少，使得紫外燈輻射出之紫外線得以深入溶液中，進 而光分解溶液中之有機物，因光能穿透溶液之量與其濃度及路徑長度成反比，故當溶 液濃度較高時，對紫外光之吸收度較高，則壁面之 TiO2薄膜所能吸收到之紫外光量 即大幅減少，呈現出之去除效果較不明顯；到了 1:100000 時，溶液之透光度繼續隨 稀釋倍率之增加而增長，但增加之速率則越趨平緩，其去除紅墨水之效果為三種不同 濃度中之最佳組。由室內實驗中可得知相同於室外實驗之結果，即當紅墨水濃度越高 時，則對去除效率有不良之影響。在實驗組與對照組方面，因濃度高時會吸收紫外光 之關係，所以當濃度降低時實驗組之效果才會被凸顯出來。
無 有 20
60 70
20
60 60
0 20 40 60 80 100
L ux
TiO2 無 有
1:10000 1:50000 1:100000
圖 12 在室內小尺寸燈高 15cm 不同稀釋倍率紅墨水之照度
有-無
0 0
10 0
10 20 30 40 50
Lux
TiO2 有-無
1:10000 1:50000 1:100000
圖 13 在室內小尺寸燈高 15cm 不同稀釋倍率紅墨水之 實驗組與對照組照度之差值
4.3.3 反應容器尺寸效應
在本實驗中由於使用紫外燈作為紫外線強度來源，而紫外燈本身相較於陽光可視 為有限光源，隨著尺寸之放大，光線穿透溶液路徑長度上會與容器尺寸正比，使得在 溶液中行進之距離增加，因紅墨水會吸收紫外線，當容器尺寸越大，則紫外光在紅墨 水中會被漸漸吸收，而紫外線強度又與距離之平方成反比，薄膜上光觸媒所吸收之紫 外線經透過紅墨水之後即大幅之減少，降低與光觸媒表面接觸之機會，導致光觸媒能 吸收之紫外線強度降低，所能激發之電子-電洞數將為之減少，在反應容器尺寸大小 上將間接影響光觸媒之反應效果，故紅墨水之去除速率將隨之降低。在本室內實驗中 小尺寸水槽之紅墨水去除率，不同於室外實驗，即大尺寸之效果比小尺寸佳，此可能 是大尺寸透鏡效應使得溶液中之光強度大幅增加，致使紅墨水之去除效率優於小尺 寸；而在實驗組與對照組方面，當紅墨水之濃度較高時，則兩者之差距即不明顯，隨
濃度逐漸降低，實驗組之去除效果則越顯著(如圖 14~圖 15)。
由以上各實驗之結果可得知，不論室內或室外實驗，只要光強度提高、紅墨水稀 釋濃度降低，則去除效果越明顯。在尺寸效應方面，則受制於光源之影響，當室外實 驗時光源為日光，此乃平行光受距離之影響較小，故小尺寸在具有較小之溶液體積與 可反應之光觸媒表面積之比時，去除之效果優於大尺寸；而室內實驗之光源為紫外燈 為一發散光源，光源強度與距離平方成反比，受光源距離之影響大於室外實驗，使得 透鏡效應之影響大於尺寸效應，導致實驗之結果為大尺寸優於小尺寸。
無 有 200
40 180
30 0
50 100 150 200
Lux
TiO2 無 有
大25 小25
圖 14 在室內同燈高條件下不同尺寸對稀釋倍率 1:100000 紅墨水之照度
有-無 20
10 0
10 20 30 40 50
Lux
TiO2 有-無
大25 小25
圖 15 在室內同燈高條件下不同尺寸稀釋倍率 1:100000 紅墨水之 實驗與對照組試體之照度差值
五、結 論
綜合上述之實驗結果與討論，可得到下列之結論：
1.本實驗中由不同之紫外光強度效應之影響可看出，在室外時當天候條件為晴天時，
則紫外線之光強度≧1000μW/cm2以上，紅墨水之去除量將大幅減少，透光量之提
升較室內燈高 15cm 時紅墨水之去除效果為佳；若為陰天時，則其光強度約介於 500~1000μW/cm2之間，強度則再進一步減弱，使得紫外光解之效率逐漸降低，但 仍優於對應室內燈高 25cm 之條件；當為雨天之情況時，其光強度已降至 500μW/cm2 以下，再經由水槽之玻璃吸受後，紫外光之分解效果即不明顯。在實驗組與對照組 方面，隨著天候之變化，當光強度提高時，實驗組之紅墨水去除效果也比對照組有 越來越佳之趨勢。
2.在不同紅墨水稀釋倍率之實驗中，可看出隨紅墨水稀釋倍率之提高，則對其之除去 量有下降之趨勢，尤以稀釋倍率較小之組(如 1:10000)較為明顯；當稀釋倍率從 1:50000 提升到 1:100000 時，紅墨水對光之吸收度也逐漸的減弱，使得陽光中之 紫外線得以深入溶液中，進而光分解溶液中之有機物。本實驗中之實驗組具有間接 光解之光觸媒作用，故隨濃度之降低則其去除之效果越較對照組為明顯。
3.當反應容器放大時，單位面積光觸媒所需反應之紅墨水量增加，使得紅墨水之去除 速率跟著降低。在光線穿透溶液路徑長度上亦會與容器尺寸正比，因紅墨水會吸收 紫外線，當容器尺寸越大，光觸媒所能吸收之紫外線強度將為之降低，間接影響光 觸媒之反應速率。在本實驗中小尺寸水槽之紅墨水去除率皆比大尺寸之效果來的 佳。而於實驗與對照組之比較方面，實驗組比對照組有略為之提升，但並不明顯。
4.在室內實驗中紫外線之來源為紫外燈，因紫外燈之波長 365nm 之長波，相較於陽光 波長從 UVA、UVB 和可見光而言，紫外燈之波長範圍則較窄，所能激發之能量也相 對較低。另外紫外燈之強度會隨燈源之距離平方成反比，而陽光乃為一平行之光 源，其強度隨距離之改變不若紫外燈明顯，又陽光為大自然之能源可取之不盡用之 不竭，紫外燈則需額外之花費購置，又需利用電源發光，無法符合現今講究節約能 源之潮流，唯有利用陽光來激發 TiO2達成水質淨化之效果，實為一環保又經濟之 最佳做法。
參考文獻
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