Decomposition of Naphthalene Using Catalyst in Gas Phase

本研究主要是以萘作為氣相中多環芳香族碳氫化合物(polynuclear aromatic hydrocarbons, PAHs)之指標物種，利用觸媒焚化與臭氧氧化程序處理加以去除。研究中改變不同操作參數如：反應溫度、觸媒粒徑、空間速度及臭氧濃度，探討萘在不同操作條件下之處理效率，並建立觸媒反應動力模式以描述去除萘之動力行為。研究結果顯示萘在經過觸媒分解後，會加快反應速率，且溫度在480 K、空間速度為35,000 hr-1以下時，去除效率幾乎可達到95%以上。另外反應溫度、觸媒粒徑及空間速度三種影響因子中，以反應溫度對萘轉化率之影響程度最大。在產物分析方面，CO2為觸媒分解萘之主要產氣，由礦化率計算之結果可得知，當萘轉化率到達95%以上，溫度505 K時，礦化率可達92%以上，相較之下萘幾乎被完全分解而轉化成二氧化碳。由反應動力模式之推求結果，顯示Rideal-Eley反應機制與Arrhenius方程式相當適合於描述此觸媒反應系統。此反應速率式可簡化成一階反應，其反應所需之活化能為35.4 kcal/mol，頻率因子為3.26 × 1017 s-1。The purpose of this study is to investigate the feasibility of the application of the catalytic incineration using Pt/γ-Al2O3 to decompose polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) (taking naphthalene which is the simplest and least toxic PAH, as a target compound) generated from the waste gaseous stream or diesel engine emission to atmosphere. The relationships between conversion efficiency, operating parameters and influential factors, such as treatment temperatures, catalyst sizes, space velocities and ozone inlet concentrations have been examined. Also, the related kinetic model is proposed to describe the reaction mechanism. The results indicate that the catalyst of Pt/γ-Al2O3 used accelerates the reaction rate of decomposition of naphthalene, and decreases the reaction temperature. A high conversion (over 95%) can be achieved at the moderate reaction temperature of 480 K and space velocity below 35,000 hr-1. At the same operation condition, the reaction temperature needed is as high as over 1000 K to achieve conversion over 95% for the case without Pt/γ-Al2O3 catalyst. Therefore, the reaction temperature is a determining factor in the catalytic decomposition. CO2 is the major product obtained from the catalytic decomposition of naphthalene. When the conversion of naphthalene is higher than 95%, over 92% mineralization can be achieved at the reaction temperature of 505 K. Also, the results indicate that Rideal-Eley mechanism and Arrhenius equation can be reasonably applied to describe the data by using the pseudo-fist-order reaction kinetic equation. The activation energy (35.4 kcal/mol) and frequency factor (3.26 × 1017 s-1) are obtained therefore.目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 VIII 符號說明 X 第一章 前言 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究內容 3 第二章 文獻回顧 5 2.1 多環芳香族碳氫化合物之簡介 5 2.1.1 多環芳香族碳氫化合物之定義 5 2.1.2 多環芳香族碳氫化合物之來源 5 2.1.3 形成機制 6 2.1.4 物理化學特性 7 2.1.5 生物毒性 8 2.1.6多環芳香族碳氫化合物之處理技術 11 2.2 萘之簡介 13 2.2.1 萘之物理化學特性 13 2.2.2 萘之主要用途 15 2.2.3 萘之暴露途徑及危害 15 2.3 觸媒焚化之特性 16 2.3.1 觸媒焚化反應基本原理 16 2.3.2 觸媒焚化技術之應用 20 2.3.3 觸媒焚化反應動力模式 24 2.4 影響觸媒焚化去除效率之因素 28 2.4.1 操作溫度 28 2.4.2 空間流速 29 2.4.3 觸媒特性 30 2.4.4 進流氣體的種類與濃度 31 2.4.5 廢氣中水氣含量的影響 31 2.4.6 廢氣中存在之粉塵或毒性物質 32 2.5 臭氧之特性及其應用 33 2.5.1 物理化學特性 33 2.5.2 臭氧自解機制及動力模式 37 2.5.3臭氧及臭氧/紫外光處理技術之原理及應用 42 2.5.4 觸媒結合臭氧之處理技術 43 第三章 研究方法與設備 45 3.1 實驗設備 45 3.2 實驗試藥 50 3.3 分析儀器與方法 51 3.3.1 氣相層析儀－火焰離子偵測器(GC-FID) 51 3.3.2 氣相層析儀－熱傳導偵測器(GC-TCD) 52 3.3.3 氣相臭氧分析方法 54 3.4 實驗步驟 54 3.4.1 前置實驗 54 3.4.2 萘檢量線製作 56 3.4.3 CO2檢量線製作 56 3.4.4 空白實驗 57 3.4.5 不同粒徑之觸媒分解實驗 57 3.4.6 不同空間速度之觸媒分解實驗 57 3.4.7 不同濃度之臭氧氧化實驗 58 第四章 結果討論 59 4.1 觸媒性質 59 4.1.1 BET比表面積分析 59 4.1.2 SEM掃瞄式電子顯微鏡 59 4.1.3 Pt金屬觸媒活性之比較 65 4.2萘飽和濃度測試 67 4.3空白實驗 71 4.4 處理效能評估 71 4.4.1 觸媒對於萘轉化率之影響 71 4.4.2 觸媒粒徑對於萘轉化率之影響 72 4.4.3 空間速度對於萘轉化率之影響 77 4.4.4 萘轉化率之綜合比較 77 4.5臭氧對於萘轉化率之影響 82 4.5.1 不同臭氧濃度對於萘轉化率之影響 82 4.5.2 觸媒分解與臭氧氧化結果之比較 82 4.6產物分析 86 4.6.1 CO2及CO分析 86 4.6.2 礦化率計算 86 4.7 反應動力模式分析 92 第五章 結論與建議 99 5.1 結論 99 5.2 建議 101 參考文獻 102 附錄 111 A.1 Activity test of DASH catalyst 111 A.2 系統特性 112 A.2.1 反應溫度校正 112 A.2.2 系統流量校正 112 A.2.3 萘檢量線 118 A.2.4 CO2檢量線 118 A.2.5 濃度穩定性評估 119 A.3 MSDS of naphthalene 121 A.4 實驗數據 126 A.5 GC圖譜 13