本研究以蜂巢式陶瓷為載體，銅、鈰為活性金屬，分別製備各種配比與重量比例之觸媒，來處理工業界常見的揮發性有機物—甲苯。從配製的12種觸媒當中，針對甲苯轉化率、二氧化碳的產率及製備成本的評估，篩選出一組最佳效能與經濟性之觸媒。接著探討該觸媒氧化甲苯的操作參數對轉化率之影響，並觀察隨長時間觸媒活性變化的情形，最後找出描述甲苯觸媒氧化之反應動力模式。

重量比例為20%的銅觸媒在溫度300℃、甲苯進流濃度1000 ppm、氧濃度15%及空間流速4000hr-1的操作條件下，對甲苯的轉化率及二氧化碳的產率皆可達95%，而價格成本又較相同效能的銅鈰(molar ratio=7:3)觸媒低廉許多，因此作為下一階段實驗之觸媒。

在操作參數對甲苯的轉化率方面，轉化率隨進流溫度及進流氧濃度之增加而增加，但隨著進流濃度及空間流速之增加而減少。

在長時間活性衰退試驗方面，固定甲苯進氣濃度、氧氣濃度與空間流速下，連續操作7天，發現銅觸媒具有不錯的穩定性，並進一步利用掃描式電子顯微鏡 (SEM)、表面元素分析(EDS)、元素分析儀(EA)觀察長時間操作後的變化情形，也獲得進一步的驗證。

在操作參數（甲苯進流濃度、反應溫度、氧進流濃度）對反應速率的影響方面。經由實驗可知上述三種操作參數對反應速率皆有一定的影響性。甲苯進流濃度越大、反應溫度越高、氧進流濃度越高，則所得之反應速率越大。

在反應動力模式方面，以微分法來探討銅觸媒氧化處理甲苯的最佳動力式。結果顯示在引用的二個模式中，以Power-rate law模式較適用於描述本反應行為。

This study was to investigate the effect on conversion, deactivation of long-term, selectivity of product, and kinetics in deep oxidation of toluene over copper catalyst. The copper catalyst is supported on honeycomb of ceramic monolith (400 cell/inch2). The operation parameters in heterogeneous reactor were performed as follows: 1000 ppm initial concentration of toluene, temperature of reaction in ranging from 200 ℃ to 400 ℃, 15 % of oxygen concentration, and 4000 hr-1 of space velocity.

In the selection of catalyst, we decided to use 20% Cu catalyst for its high conversion, high selectivity and low cost in oxidation of toluene. The conversion of toluene in catalytic reaction was increased with the increasing both of reaction temperature and influent concentration of oxygen, and decreased with the going up of initial concentration of toluene and of space velocity.

In the catalyst stability of long-term test, Cu catalysts had a good stability after 7 days reaction in heterogeneous reactor. The tests such as BET, SEM and EA were also determined to verify the stability from surface of catalyst. The kinetics of heterogeneous reactor over Cu catalyst supported on ceramic honeycomb in oxidation of toluene was found that a pseudo-first order could be described by both Power-rate law and Mars-Van Krevelen model. The apparent reaction order and activated energy were obtained in this work.

頁數
謝誌 Ⅰ
中文摘要 Ⅱ
英文摘要 Ⅳ
目錄 Ⅴ
表目錄 Ⅹ
圖目錄 XI

第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2 研究動機 2
1-3 研究內容與架構 3

第二章 文獻回顧 5
2-1 甲苯的來源、特性、危害性 5
2-1-1 甲苯的來源 5
2-1-2 甲苯的特性 6
2-1-3 甲苯的危害性 7
2-2 甲苯的控制技術 10
2-3 載體的特性與選擇 18
2-4 觸媒的介紹 20
2-4-1 應用於深度氧化的觸媒特性與種類 19
2-4-2 觸媒的製備 23
2-4-3 觸媒活性的衰退 27
2-5 影響轉化率的操作參數 30
2-5-1 觸媒焚化效率之計算 30
2-5-2 影響觸媒焚化效率之因子 32
2-6 觸媒焚化反應動力之探討 37
2-6-1 柱流式反應器基礎理論 40
2-6-2 微分型反應器 42
2-6-3 觸媒異相反應模式 43
2-6-4 Arrhenius 方程式 48

第三章 研究方法與實驗設備 50
3-1 研究方法 50
3-1-1實驗規劃 50
3-1-2 實驗步驟與方法 51
3-2 實驗設備 55
3-2-1 實驗及分析設備 56
3-2-2 實驗系統裝置及操作 58
3-2-3 試藥與氣體 60 3-2-4 主要儀器與條件 61
3-3 預備實驗 64
3-3-1 觸媒製備 65
3-3-2 檢量線之製作 67

第四章 結果與討論 71
4-1 觸媒之活性效應 71
4-2 產物分析 83
4-3 成本評估及銅金屬負載量的檢討 84
4-3-1 成本評估 84
4-3-2 銅金屬負載量的檢討 85
4-4 操作參數之探討 86
4-4-1 空白測試 86
4-4-2 甲苯進流濃度效應 88
4-4-3 空間流速效應 92
4-4-4 氧濃度效應 94
4-4-5 操作參數對T95的效應 96
4-5 觸媒長時間試驗 98
4-5-1 轉化率對時間之變化 98
4-5-2 比表面積分析(BET) 101
4-5-3 掃描式電子顯微鏡分析(SEM) 103
4-5-4 表面元素分析(EDS) 105
4-6 操作參數對反應速率之影響 107
4-6-1 甲苯濃度對反應速率之影響 107
4-6-2 操作溫度對反應速率之影響 107
4-6-3 氧濃度對反應速率之影響 108
4-7 觸媒焚化甲苯反應動力之研究 112
4-7-1 Power-rate law 112
4-7-2 Mars-Van Krevelen model 117

第五章 結論與建議 121
5-1 結論 121
5-2 建議 123

第六章 參考文獻 124

附錄A 甲苯之物質安全資料表

附錄B 元素分析結果

附錄C 口試委員之意見與答覆

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