以旋轉接觸式填充床裝置應用臭氧處理水溶液中有機物之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

以旋轉接觸式填充床裝置應用臭氧處理水溶液中有機物之 研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC91-2211-E-011-023-

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學化學工程系

計畫主持人： 顧洋

報告類型： 精簡報告

報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 92 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

以旋轉接觸式填充床裝置應用臭氧處理水溶液中有機物之研究

計畫編號：NSC91-2211-E-011-023

執行期間：91 年 8 月 1 日∼92 年 7 月 31 日

主 持 人：顧 洋 國立台灣科技大學化學工程系

一、中文摘要

旋轉填充床是以離心的方式產生高重力場，藉此產生極大的剪切力使液膜變 薄或液滴變小，以增加氣液接觸面積進而提升質傳效率。實驗結果也顯示液相體 積質傳係數與轉速的 0.27 次方成正比，且會隨液體流量增加而增加；添加 SDS 界面活性劑會降低表面張力使有效接觸面積增加進而提升質傳效率。由實驗結果 顯示，隨著轉速提高，甲酚去除率會提高，但增加之趨勢漸緩，此時反應行為應 由質傳控制轉變為反應控制；液體流量增加和甲酚去除率呈線性關係，此外也縮 短反應時間大幅提升對污染物的處理效率，而轉速及氣液比對總有機碳之去除率 則無明顯增加。在過氧化氫/臭氧程序中，適量的過氧化氫可促進臭氧生成氫氧 自由基提升氧化速率而過量的過氧化氫會捕捉氫氧自由基抑制反應，其最適過氧 化氫/臭氧添加莫耳劑量比為 1.764；在低轉速下添加過氧化氫可大幅提升甲酚之 去除率，以降低動力消耗；在低 pH 值時添加過氧化氫可提升甲酚之去除率。

關鍵字：臭氧、過氧化氫、旋轉填充床、液相體積質傳係數、界面活性劑、甲酚

Abstract

The centrifugal acceleration generates powerful shear force to render thinner liquid film and smaller droplets on the packing of reactor. Experimential results indicated that the values of kL

a for ozone transfer in the rotating packed bed reactor

In the H2O2/O3 process, at low concentrations of hydrogen peroxide increase

oxidation rates of o-cresol while higher concentration of hydrogen peroxide inhibits the oxidation. The addition of hydrogen peroxide enhances the oxidation rate of o-cresol when the rotor speed was maintained at 600rpm.

Key words：ozone, hydrogen peroxide, rotating packed bed, kL

a

二、前言

臭氧為強氧化劑，適合用於處理水溶液中所含有機污染物但它卻具有許多不 利於操作的缺點，如製作成本高及需質傳進入水中。一般利用臭氧處理含微量有 機污染物之水溶液，需將臭氧質傳進入液相，目前大多藉由曝氣氣泡溶解之方式 (如氣泡式)，但由於臭氧溶解度太低，因此臭氧溶入液相之質傳速率相對降低，

造成液相中臭氧濃度不足，導致處理效率不佳，因此若能提高臭氧溶入液相之速 率，則可降低臭氧使用量及處理成本。旋轉填充床是利用離心的方式產生高重力 場，藉此產生極大的剪切力使液膜變薄或液滴變小，以增加氣液接觸面積進而提 升氣液質傳效率，本研究內容即是將臭氧程序結合旋轉填充床來促進臭氧質傳速 率，並且探討在不同轉速、氣液比、臭氧劑量及 pH 值等操作條件下對臭氧質傳 速率之影響，以此作為基礎，實際用來處理含甲酚之水溶液，藉由甲酚去除率、

總有機碳去除率及臭氧濃度變化情形等來瞭解其處理效率，此外更結合過氧化 氫，利用過氧化氫/臭氧程序更進一步探討其處理效能。

三、實驗結果與討論 1. 臭氧反應程序 (1) 轉速效應

由表 1 中可清楚看出甲酚之去除速率會隨著轉速的增加而提高，這也顯示 出甲酚的去除和質傳效能呈高度相關，質傳效率愈好，去除率愈高，另一方面也 說明了前階段甲酚之去除為質傳控制；但當轉速增加為 1800 rpm，可觀察出去 除速率增加之趨勢漸緩，如所示，由此可知，適當的轉速下即可達到較佳的去除 率，不需使用較高之轉速，因為此時甲酚與臭氧之間的反應速率，可能已由質傳 控制又轉變為反應控制，因此總質傳係數之增加對於甲酚去除已無幫助。

表 1 轉速對臭氧分解甲酚擬一階速率常數之影響

(2) 氣液比效應

氣液比效應對甲酚去除所造成之影響如表 2，由表中可清楚看出降低氣液比 對於甲酚之去除率有明顯影響，尤其當液體流量由 1000 mL/min 增加為 2000 mL/min 時，甲酚之去除率提升將近兩倍，且在本效應操作的最高液體流量(2400 mL/min)下，增加液體流量對於反應速率的促進是呈線性關係，由此可知，利用 旋轉填充床處理液相污染物時，液體流量影響甚鉅；此外由於旋轉填充床具有低

壓降的特性，因此對液體的處理量可明顯提高，而在提高處理量的同時，對於反 應速率又有所促進且反應時間也隨之縮短，如此可大幅提升對污染物的處理效 率，因此利用旋轉填充床來處理液相有機污染物是非常適合的。

表 2 氣液比對臭氧分解甲酚擬一階速率常數之影響

(3) 添加界面活性劑

由表 3可觀察出添加不同的 SDS 濃度，對於甲酚的去除並無明顯之促進，

其平均值約為 0.486 min^-1，顯示雖然添加適當的 SDS 界面活性劑濃度(0.1 mM) 可提升質傳能力，但所提升之質傳能力對於甲酚之去除並無明顯幫助，其原因應 該是此時的反應行為已由質傳控制轉變為反應控制，故總質傳係數增加對甲酚之 去除並無幫助。此外，由表也可看出總有機碳去除率會隨所添加 SDS 濃度增加 而降低，顯示添加適當的 SDS 界面活性劑濃度雖有助於質傳，但也阻礙了臭氧 礦化程度，推測界面活性劑在臭氧程序中可能不只扮演表面張力下降劑，也可能 溶液中之甲酚、中間產物、臭氧物質產生某種程度的化學或物理行為，因此阻礙 臭氧與甲酚的氧化行為，故不能單以表面張力的角度來判斷添加 SDS 界面活性 劑對臭氧相關程序處理有機物的影響。

表 3 添加 SDS 濃度對臭氧分解甲酚擬一階速率常數之影響

2.過氧化氫/臭氧反應程序 (1) 過 氧 化 氫 /臭 氧 劑 量 比

由表 4可觀察出甲酚之去除速率常數並不會隨著過氧化氫/臭氧劑量比的持 續增加而上升，而是在過氧化氫/臭氧莫耳劑量比為 1.764 時，甲酚的去除速率最 快，與尚未添加過氧化氫之比較，增加將近 16 %，但若在將過氧化氫/臭氧劑量 比提高，甲酚之去除速率反而下降，顯示出在過氧化氫/臭氧劑比效應中，存在 著最佳劑量比。

表 4 過氧化氫/臭氧劑量比對分解甲酚擬一階速率常數之影響

(2) 轉速效應

經由計算可得甲酚與總有機碳去除之擬一階速率常數整理如表 5，將所得之 結果與單獨臭氧程序加以比較，可觀察出添加過氧化氫在不同轉速下皆可促進甲 酚之去除率，此現象在低轉速時更是明顯，但隨著轉速的增加，其促進程度會趨 緩。至於總有機碳之去除率，也可由表看出在不同轉速下，添加過氧化氫除了在 600 rpm 下，總有機碳之去除率略有增加，其於轉速對於總有機碳之去除率並無 明顯之促進。

表 5 過氧化氫/臭氧劑量比對分解甲酚擬一階速率常數之影響

(3)溶液 pH 值效應

水溶液 pH 值也會對污染物種分佈有所影響，而甲酚之解離平衡式如下：

C

H

CH

OH → H

+C

H

CH

O

, pKa=10.2

而臭氧與離子態的反應性遠大於分子態反應性，故在高 pH 值下，甲酚去除率高於低 pH 值，

表 6 臭氧相關程序之溶液 pH 值與分解甲酚擬一階速率常數之影響

四、結論與建議

總質傳係數會隨著轉速及液體流量增加而增加，在固定液體流量下，氣體流 量的改變不會影響總質傳係數，添加 SDS 型界面活性劑對質傳有明顯之促進效 果，但添加 TX-100 型界面活性劑則無效果，由轉速及添加 SDS 界面活性劑的效

應可知當總質傳係數提升至某一程度時，其甲酚之去除率最高約為 0.486 min^-1， 並不會隨著總質傳係數增加而增加，因此可推斷此時臭氧與甲酚之反應，已由原 先之質傳控制轉變為反應控制。在旋轉填充床中以過氧化氫/臭氧程序處理含甲 酚水溶液時，其最適過氧化氫/臭氧莫耳劑量比為 1.764，而轉速愈低過氧化氫之 促進效果愈明顯，其原因是高轉速之質傳效果較好，其甲酚去除率已較佳，因此 添加過氧化氫之效用並不大；在低 pH 值時添加過氧化氫可提升甲酚之去除率。

參考文獻

林佳璋、劉文宗，「超重力技術的原理 與進展」，化工資訊，二月，頁數 16-21 (2003)。

Chen, Y. S. and Liu, H. S., “Absorption of VOCs in a Rotating Packed Bed,”

Ind. Eng. Chem. Res., Vol.41,

Fogler, H. S., Elements of Chemical

Reaction Enginnering, 3

Graham, N., Chu, W. and Lau,C.,

“Observationsof2,4,6-Trichlorophenol DegradationbyOzone,” Chemosphere, Vol.51, pp.237-243 (2003).

Kelleher, T. and Fair, J. R., “Distillation Studies in a High-Gravity Contactor,”

Ind. Eng. Chem. Res., Vol.35,

Langlais, B., Reckhow, D. A. and Brink, D. R., Ozone in Water Treatment

Application and Engineering, Lewis,

Lin, C. C. and Liu, W. T., “Ozone Oxidation in a Rotating Packed Bed,”

J. Chem. Technol. Biotechnol.,

“Mass Transfer Process,” U. S. Patent 4283255 (1981).

Zheng, C., Guo, K., Feng, Y. and Yang, C., “Pressure Drop of Centripetal Gas Flow through Rotating Beds,” Ind.

Eng. Chem. Res., Vol.39, pp.829-834