鄰-二甲苯是無色、易燃的液體、具有特殊香氣，可與許多有機溶劑混溶，但不溶於水中，主要是製造鄰苯二甲酸酐的原料。本研究以自製的鐵氧磁體觸媒氧化氣相鄰-二甲苯，探討鐵氧磁體觸媒之效能，並藉由操作因子的變動，觀察其對鄰-二甲苯轉化率之影響，並藉由儀器的表面分析，探討實驗前後之差別。最後則進行反應動力之推導。

第一階段的研究目的為鐵氧磁體觸媒製備方法之篩選，本研究選用傳統鐵氧磁體程序來製作鐵氧磁體觸媒。所採用的活性金屬為莫爾比1：2之Cu/Fe、Mn/Fe、Zn/Fe及純Fe金屬等四種。藉由不同活性金屬、不同pH值和不同溫度，共製備出36種鐵氧磁體觸媒，鐵氧磁體觸媒氧化操作條件為：空間流速71150hr-1；氧氣含量21% ；鄰-二甲苯進流濃度為1600ppm；操作溫度為25℃~ 400℃，結果顯示pH=9，T=90℃之Cu/Fe鐵氧磁體觸媒為較佳之製備方法。

第二階段則進行操作參數之探討，以期找到最好反應參數。操作參數範圍：操作溫度為373°K ~ 673°K；進流濃度為600 ppm ~ 1600 ppm；空間流速為47450 hr-1 ~ 71150 hr-1；氧氣濃度21%~40%，結果發現轉化率隨著溫度的升高、進流濃度及空間流速的增加、氧氣濃度的升高而上升。

第三階段是進行觸媒不同性質特性之探討，藉由X光繞射分析儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡分析(SEM)、表面元素分析(EDS)等儀器分析結果，發現在新鮮的和經400℃測試後之Cu/Fe觸媒(pH=9，T=90℃)並無發現異常之現象。

第四階段則是進行反應動力之探討，由Power-rate law和Mars-Van Krevelen model來進行推導，結果發現由Power-rate law模式較符合本研究之反應動力式，另外在操作參數(鄰-二甲苯進流濃度、反應溫度、氧進流濃度)對反應速率方面，鄰-二甲苯進流濃度越大、反應溫度越高、氧進流濃度越高，則所得之反應速率越大。

Volatile organic compounds (VOCs) can be considered as a major source of air pollution, and in many cases, legislation has already been introduced to reduce their emissions. O-xylene, one of VOCs, is widely used in industry as solvent and also the raw material of o-Phthalic anhydride (PA). The subjects of this research are divided into four parts, they are screening activity of catalysts, incineration efficiency with various operation parameters, physical properties of catalysts and kinetic model derivation.
In screening activity of catalysts, Four kinds of metal ions (Cu, Mn, Zn, Fe; the molar ratio of metal/Fe is 1/2), three different temperature (70℃, 80℃, 90℃) and pH (9, 10, 11) were the parameters of FP to manufactured 36 ferrospinel catalysts. Under the same reaction conditions (o-xylene conc.=1600 ppm, GHSV=71150 hr-1, O2=21%, temperature=298K~673K), it’s found that the most efficient catalyst was Cu/Fe ferrospinel and its synthesis condition was pH at 9 and temperature at 90℃.
The operation parameters to determine incineration efficiency were temperature at 373K ~ 673K, inlet o-xylene concentration at 600 ~ 1600 ppm, GHSV at 47450 ~ 71150 hr-1, O2 concentration at 21 ~ 40%. The results showed that the conversion was proportional to the increase of inlet o-xylene concentration, temperature and inlet oxygen content and was inverse proportional to the increase of GHSV.
To realize the physical properties of catalysts, XRD, SEM and EDS were applied. The results indicated that there was no physical difference between fresh and used catalysts.
Besides, two kinetic models, Power rate law and Mars-Van Krevelen model were used to demonstrate the decomposition of o-xylene. It’s discovered that Power rate law was more reasonable to illustrate the catalytic o-xylene oxidation. Further, the reaction rate was increased with the increase of inlet o-xylene and oxygen concentration and reaction temperature.

第一章 緒論 1-1
1-1 前言 1-1
1-2 研究緣起與目的 1-2
1-3 研究內容 1-3
第二章 文獻回顧 2-1
2-1 二甲苯之介紹 2-1
2-1-1 對、間和鄰-二甲苯之物理特性 2-2
2-1-2 鄰-二甲苯之來源 2-2
2-2 二甲苯之用途 2-4
2-3 二甲苯之健康危害 2-4
2-4 磁鐵化法之理論基礎與研究 2-4
2-4-1 鐵氧磁體化法之原理 2-5
2-4-2 鐵氧磁體化法之影響因子 2-11
2-4-3 磁鐵化法對廢水之相關研究 2-14
2-4-4 鐵氧磁鐵之相關應用 2-18
2-5 觸媒操作參數之探討 2-22
2-5-1 觸媒焚化效率之計算 2-22
2-6 影響觸媒焚化效率之因子 2-24
2-7 觸媒焚化反應動力之探討 2-26
2-7-1 柱流式反應器基礎理論 2-30
2-7-2 微分型反應器 2-32
2-7-3 觸媒異相反應模式 2-33
2-7-4 Arrhenius 方程式 2-39
第三章 研究方法與實驗設備 3-1
3-1 研究方法 3-1
3-2 實驗設備及藥品 3-3
3-2-1 實驗及分析設備 3-3
3-2-2 研究用之試藥及氣體 3-7
3-2-3 主要儀器與條件 3-9
3-3 鐵氧磁體觸媒之製備 3-16
3-4 觸媒活性篩選與焚化鄰-二甲苯操作參數探討 3-18
3-4-1 檢量線製作 3-18
3-4-2 觸媒活性篩選 3-19
3-4-3 焚化鄰-二甲苯操作參數探討 3-22
3-5 鐵氧磁體觸媒製作成本之推估 3-22
3-6 觸媒焚化之反應動力模式探討 3-23
第四章 結果與討論 4-1
4-1 觸媒活性篩選 4-1
4-1-1 鐵氧磁體觸媒之活性比較 4-2
4-1-2 不同觸媒於不同生成條件下之探討 4-10
4-1-3 自製鐵氧磁體觸媒之T50和T95之比較 4-18
4-2 鐵氧磁體觸媒製作成本推估 4-20
4-3 產物分析與空白測試 4-21
4-4 觸媒焚化鄰-二甲苯操作參數探討 4-25
4-4-1 進流濃度對轉化率之影響 4-26
4-4-2 空間流速對轉化率之影響 4-28
4-4-3 進流氧氣含量之效應 4-30
4-5 觸媒不同性質特性之探討 4-32
4-5-1 掃描式電子顯微鏡分析(SEM) 4-32
4-5-2 表面元素分析(EDS) 4-36
4-5-3 X射線繞射(XRD)分析 4-37
4-6 觸媒焚化反應動力模式探討 4-41
4-6-1 Power-rate law 4-41
4-6-2 Mars-Van Krevelen Model 4-46
4-7 操作參數對反應速率之影響 4-50
4-7-1 進流濃度對反應速率之效應 4-50
4-7-2 不同反應溫度對反應速率之影響 4-52
4-7-3 氧濃度對反應速率之影響 4-52
第五章 結論與建議 5-1
5-1 結論 5-1
5-2 建議 5-2
參考文獻 參-1
附錄：口試委員意見答覆及處理 附-1













表目錄

表2-1 對、間和鄰-二甲苯物理特性差異表 2-3
表2-2 二甲苯之健康危害 2-5
表2-3 二甲苯之緊急處理及急救措施 2-6
表2-4 尖晶石型鐵氧磁體可包含之金屬種類 2-7
表3-1 模擬廢水金屬藥品清單 3-8
表3-2 觸媒製備之操作參數 3-16
表3-3 觸媒篩選之操作參數與範圍 3-20
表3-4 鐵氧磁體觸媒活性探討操作參數與範圍 3-22
表4-1 36組金屬氧化物觸媒對鄰-二甲苯轉化率50
%時之溫度比較 4-18
表4-2 36組金屬氧化物觸媒對鄰-二甲苯轉化率95
%時之溫度比較 4-19
表4-3 觸媒批次所須價格 4-20
表4-4 Blank及Cu/Fe觸媒達50%與95%轉化率溫度 4-22
表4-5 不同進流鄰-甲苯濃度達到T50、T95轉化率溫度 4-26
表4-6 不同空間流速達到T50、T95轉化率溫度 4-28
表4-7 進流氧濃度對鄰-二甲苯達50%與95%轉化
率溫度 4-30
表4-8 以微分型反應器設計所得觸媒焚化鄰-二
甲苯的反應速率 4-43
表4-9 以Power-rate law 迴歸的結果 4-43
表4-10 Mars - Van Krevelen Model之迴歸結果 4-47
表4-11 進流氧濃度和所得觸媒焚化鄰-二甲苯的反
應速率之關係表 4-54


























圖目錄

圖2-1 鐵氧磁體尖晶石結構 2-7
圖2-2 形成鐵氧磁體之氧化條件 2-10
圖2-3 分均勻相催化反應之步驟 2-28
圖2-4 反應物吸附量和操作溫度之關係 2-29
圖2-5 柱流式反應器 2-31
圖3-1 研究總流程圖 3-4
圖3-2 實驗系統裝置圖 3-13
圖3-3 磁鐵化杯瓶試驗反應器結構示意圖 3-14
圖3-4 觸媒反應器之填充方式示意圖 3-15
圖3-5 Ferrite Process流程圖 3-17
圖3-6 鄰-二甲苯檢量線 3-20
圖3-7 觸媒篩選研究流程 3-21
圖4-1 純Fe之鐵氧磁體觸媒在不同溫度及pH值下之
鄰-二甲苯轉化率的比較 4-5
圖4-2 Cu / Fe之鐵氧磁體觸媒(Cu：Fe=1：2)在不同溫
度及pH值下之鄰-二甲苯轉化率的比較 4-6
圖4-3 Mn / Fe之鐵氧磁體觸媒(Mn：Fe=1：2)在不同
溫度及pH值下之鄰-二甲苯轉化率的比較 4-7
圖4-4 Zn / Fe之鐵氧磁體觸媒(Zn：Fe=1：2)在不同溫
度及pH值下之鄰-二甲苯轉化率的比較 4-8
圖4-5 不同金屬之最佳鐵氧磁體觸媒在不同溫度及pH
值下之鄰-二甲苯轉化率的比較 4-9
圖4-6 pH=8時不同金屬及不同溫度下之鄰-二甲苯轉
化率的比較 4-12
圖4-7 pH=9時不同金屬及不同溫度下之鄰-二甲苯轉
化率的比較 4-13
圖4-8 pH=10時不同金屬及不同溫度下之鄰-二甲苯轉
化率的比較 4-14
圖4-9 T=70℃時不同金屬及不同pH值下之鄰-二甲苯
轉化率的比較 4-15
圖4-10 T=80℃時不同金屬及不同pH值下之鄰-二甲
苯轉化率比較 4-16
圖4-11 T=90℃時不同金屬及不同pH值下之鄰-二甲
苯轉化率比較 4-17
圖4-12 空白實驗與pH=9，T=90℃之Cu/Fe鐵氧磁
體觸媒(Cu：Fe莫耳比1：2)在不同溫度下對
鄰-二甲苯轉化率之比較影響 4-23
圖4-13 pH=9，T=90℃之Cu/Fe鐵氧磁體觸媒(Cu：
Fe莫耳比1：2)在不同溫度下之CO2產率 4-24
圖4-14 進流濃度在不同溫度下對鄰-二甲苯轉化率
之影響 4-27
圖4-15 空間流速在不同溫度下對鄰-二甲苯轉化率
之影響 4-29
圖4-16 進流氧濃度在不同溫度下對鄰-二甲苯轉化
率的影響 4-31
圖4-17 新鮮的Cu/Fe觸媒(pH=9,T=90℃)之SEM影像圖 4-33
圖4-18 400℃測試後的Cu/Fe觸媒(pH=9,T=90℃)
之SEM影像圖 4-33
圖4-19 新鮮的Mn/Fe觸媒(pH=9,T=80℃)之SEM影像圖 4-34
圖4-20 400℃測試後的Mn/Fe觸媒(pH=9,T=80℃)
之SEM影像圖 4-34
圖4-21 新鮮的純Fe觸媒(pH=10,T=70℃)之SEM影像圖 4-35
圖4-22 400℃測試後的純Fe觸媒(pH=10,T=70℃)
之SEM影像圖 4-35
圖4-23 Cu/Fe鐵氧磁體觸媒(pH=9,T=90℃)之EDS分析 4-36
圖4-24 Mn/Fe鐵氧磁體觸媒(pH=9,T=80℃)之EDS分析 4-37
圖4-25 新鮮Cu/Fe觸媒經由JPCDS比對所得之X
射線繞射圖 4-38
圖4-26 測試後Cu/Fe觸媒經由JPCDS比對所得之
X射線繞射圖 4-39
圖4-27 新鮮Mn/Fe觸媒經由JPCDS比對所得之X
射線繞射圖 4-39
圖4-28 測試後Mn/Fe觸媒經由JPCDS比對所得之
X射線繞射圖 4-40
圖4-29 新鮮純Fe觸媒經由JPCDS比對所得之X
射線繞射圖 4-40
圖4-30 測試後純Fe觸媒經由JPCDS比對所得之X
射線繞射圖 4-41
圖4-31 鄰-二甲苯在不同反應溫度下以Power-rate
law求取反應次數n及速率常數k 4-44
圖4-32 以power-rate law求出鄰-二甲苯之速率常數
k 與活化能之關係圖 4-45
圖4-33 鄰-二甲苯在不同溫度下以Mars-Van Krevelen
Model 求取速率常數ki及koi 4-48
圖4-34 鄰-二甲苯之觸媒表面氧化還原速率常數ki
及koi值相對於Arrhenius equation關係圖 4-49
圖4-35 鄰-二甲苯之不同濃度下對反應速率之影響 4-51
圖4-36 鄰-二甲苯之不同溫度下對反應速率之影響 4-53
圖4-37 鄰-二甲苯之不同氧濃度下對反應速率之影響 4-55

英文文獻

D. Pope , D. S.Walker and R. L. Moss , “Evaluation of Cobalt Oxide Catalysts for the Oxidation of Low Concentration of Organic Compounds’’, Atmospheric Environment, Vol.10, No.6, pp.951-956, 1976.
Masao Kiyama , “Conditions for the Formation of Fe3O4 by the Air Oxidation of Fe（OH）2 Suspensions” , Bulletin of the chemical society of Japan , Vol.47 , 1646-1650 , 1974.
N. Nojiri , N. Tanaka , K. Sato and Y. Sakai , “Electrolytic Ferrite Formation System for Heavy Metal Removal” , J.WPCF , 52 , No.7 , 1898~1906 , 1980.
O. P. Perez,Yoshiaki., 2000, “ORP-monitored magnetite formation from aqueous solutions at low temperayures, Hydrometallurgy, Vol. 55, pp.35-56.
P. R. Westmoreland , D. P. Harrison , “Evaluation of Candidate Solids for High-Temperature Desulfurization of Low-Btu Gasses”, Envi. Sci.&Tech., 1976, 10(7), 659-661.
S. K. Gangwal , M. E. Mullins , j. j. Spivey , and P. R. Caffrey , “Kinetics and Selectivity of Deep Catalytic Oxidation of n-Hexane and Benzene”, Applied Catalysis B, Vol.36, NO.3, pp.231-247, 1988.
W.Feitknecht, Z.Electrochem., 63, 34~43, 1959.
Y. Tamaura., T. Katsura, and S. Rojarayanont, T. Yoshida and H. Abe, 1991, “Ferrite process；Heavy metal ions treatment system”, Water.Sci.Tech , Vol. 23,pp1893-1900.
Y. Tamaura , P. Q. Tu , S. Rojarayanont and H. Abe. , “Stabilization of Hazardous Materials into Ferrites” , Water.Sci.Tech. , 23 , 399~404 , 1991.




















中文文獻

工研院環境與安全衛生技術發展中心網站：http://www.cesh.itri.org.tw/
王月鳳，“重金屬離子之鐵氧磁體化研究”，成功大學碩士論文，民國84年。
王能誠，“二氧化碳還原用鐵氧磁體觸媒之製備及其特性研究”，成功大學碩士論文，民國91年。
中國化工網：http://cheman.chemnet.com/notices/index.cgi?id=282
江惠中，“有機廢氣觸媒焚化及廢熱回收”，有機廢氣觸媒焚化處理技術研討會，pp.4-1∼4-25，1989年3月。
呂立德，“化工動力與化工熱力”，立功出版社，1991年6月。
宋宏凱，“電鍍廢水鐵氧磁體法及其安定性之研究”，成功大學碩士論文，民國83年。
吳海山，“鐵氧磁體化法處理不?袗?酸洗廢水”，成功大學碩士論文，民國87年。
吳榮宗，“工業觸媒概論”國興出版社，民國87年。
物質安全資料表：http://www.iosh.gov.tw/data/f11/n120.htm
林曉萍，“以重金屬廢水污泥經高溫合成之鐵氧磁體去除H2S之吸收特性”，成功大學碩士論文，民國95年。
財團法人中技社，“固定污染源揮發性有機空氣污染物管制策略規劃與減量措施推動計畫”，第二次期中報告，中華民國九十二年七月二日 。
涂耀仁，“以多段式磁鐵化法處理重金屬系實驗室廢液”，中山大學碩士論文，民國91年。
涂耀仁、張健桂、林淑婷、黃郁仁，“由鐵氧磁體程序污泥產製奈米級觸媒之研發”，行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告，計畫編號：NSC92-2211-E-110-006。
陳文泉，“重金屬廢水鐵氧磁體法處理之基礎研究”，成功大學碩士論文，民國81年。
陳均衡，“以MnO/Fe2O3觸媒焚化丙烯