本研究以氧化鋁與分子篩為載體，銅、錳為活性金屬，以兩種製備方法製備不同金屬配比與重量比例的24種觸媒，來處理工業常見的揮發性有機物甲苯。

第一階段的研究目的為觸媒效能的篩選與製作方法的選擇，本實驗主要選用含浸法與溶膠凝膠法兩種方法來製作觸媒，採用銅錳金屬來作為活性金屬，觸媒載體則為粒狀氧化鋁與分子篩，直徑約為0.4cm，共製備12組氧化鋁觸媒、12組分子篩觸媒，共24組。固定觸媒操作條件(甲苯進流濃度為1000ppm、進流氧氣含量21%、空間流速12000hr-1、操作溫度100℃~500℃)篩選出轉化率較佳之觸媒而進行第二階段之測試。

經由第一階段之測試，初步挑出以含浸法製備負載量為20% CuMn/氧化鋁觸媒(Cu:Mn重量比1:1)與以溶膠凝膠法製備負載量為20% CuMn/分子篩觸媒(Cu:Mn重量比1:1)，分別為兩種不同載體中轉化率最佳之觸媒，再進行第二階段參數之探討。

第二階段則以此兩組觸媒進行參數之探討，以及觸媒製造成本之估算，操作參數範圍為：
操作溫度：373~773K
進流濃度：350~1600ppm(1316~6016mg/m3)
空間流速：3750~12000hr-1
進流含氧濃度：21~40%

由第二階段可知CuMn/氧化鋁觸媒較不會因為濃度的變化而影響轉化率；而CuMn/氧化鋁與CuMn/分子篩兩種觸媒皆隨著空間流速的減少而使轉化率增加，但當空間流速減少至一定量時轉化率則不會再有太大的變化；兩種觸媒也隨著進流氧氣量的增加而使轉化率增加，但當進流氧量達到30%時轉化率為最好之狀況，而進流氧量再增加時則轉化率則趨緩和也並不會有太多改變，可知甲苯完全氧化時需要氧氣來促進其反應活性，但可能由於甲苯必須和吸附於觸媒上的氧進行反應，氧濃度的增加使得甲苯與氧接觸的機率增大，因此，氧濃度越接近飽和量對於甲苯轉化率越有利，但氧氣含量若太多則轉化率則將不會繼續的增加而維持穩定狀。

第三階段則是以相同之操作參數進行長時間的活性衰敗試驗，以350℃的溫度連續操作5天，發現CuMn/氧化鋁與CuMn/分子篩兩種觸媒皆具有不錯的穩定性，並進一步利用掃描式電子顯微鏡 (SEM)、表面元素分析(EDS)、觀察長時間操作後的變化情形，也獲得進一步的驗證。

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。而以操作參數對反應速率之測試，也可知甲苯進流濃度、反應溫度、含氧濃度三種操作參數對反應速率都有其影響性，如濃度、溫度越高其反應速率也越快，而當進流含氧量為30%時的反應速率則達到最高。

Abstract

Aluminum oxide was utilized as a carrier of active metals copper and manganese. Catalysts with various metal ratios and weight loadings were produced by incipient impregnation to treattoluene. From the 24 catalysts we prepared, this investigation selected the most effective catalyst, based on the conversion rate of toluene and CO2 yield. The influence of operating parameters of toluene oxidization on the conversion rate and long-term variations in catalytic activity were investigated, and the physical properties of catalysts were determined by SEM and XRD.
The conversion rate for toluene and CO2 yield reached 95% when the Cu/Mn catalyst was used with a metal ratio of 1:1 and 20% loading at 350°C, an influent toluene concentration of 1000ppm, oxygen concentration of 21%, a space velocity of 12000 hr-1, and relative humidity of 26%. The toluene conversion rate increased as reaction temperature and influent concentration of oxygen increased, but decreased as the initial toluene concentration and space velocity increased. The long-term test proceeded for seven days at a constant influent toluene concentration of 1000ppm, constant oxygen concentration of 21%, constant space velocity of 12000hr-1 and constant relative humidity of 26%. The stability of the Cu/Mn catalyst structure was assessed. Differences between fresh and aged catalysts were analyzed using analytical instruments such as SEM, and XRD. No obvious deactivation of the catalytic surface was detected.

Keywords
aluminum oxide, Cu/Mn catalyst, toluene, and operational parameters

目錄

謝誌……………………………………………………I

中文摘要………………………………………………II

英文摘要……………………………………………IV

目錄…………………………………………………V

表目錄………………………………………………IX

圖目錄………………………………………………XII


第一章 緒論
1-1前言 …………………………………1-1
1-2 研究動機…………………………………1-3
1-3 研究目的與架構………………………1-4

第二章 文獻回顧
2-1 VOCs簡介……………………………………2-3
2-1-1 甲苯來源……………………………………2-5
2-1-2 甲苯介紹……………………………………2-6
2-2 揮發性有機物(VOCs)控制技術……………2-10
2-3 觸媒載體特性與選擇………………………2-20
2-3-1 氧化鋁載體………………………………2-21
2-3-2 分子篩載體………………………………2-24
2-4 觸媒製作特性探討…………………………2-26
2-4-1 觸媒概論…………………………………2-26
2-4-2 觸媒製作方法……………………………2-29
2-4-3 觸媒活性衰退……………………………2-35
2-5 觸媒操作參數探討…………………………2-36
2-5-1 操作溫度…………………………………2-36
2-5-2 空間流速…………………………………2-39
2-5-3 進流濃度…………………………………2-41
2-5-4 反應中的氧含量…………………………2-43
2-5-4 鍛燒溫度…………………………………2-44
2-6 觸媒焚化反應動力探討……………………2-45
2-6-1 柱流式反應器基礎理論…………………2-46
2-6-2 微分型反應器……………………………2-48
2-6-3 觸媒異相反應模式………………………2-49
2-6-4 Arrhenius 方程式………………………2-54

第三章 研究方法與實驗設備
3-1 研究方法………………………………………3-1
3-1-1 實驗規劃……………………………………3-7
3-1-2 實驗步驟與方法……………………………3-8
3-2 檢量線製備……………………………………3-9
3-3 觸媒製備………………………………………3-11
3-4 實驗設備及藥品………………………………3-15
3-4-1 實驗系統裝置………………………………3-15
3-4-2 試藥及氣體……………………………3-19
3-4-3 主要儀器原理………………………………3-21

第四章 結果討論
4-1 觸媒活性篩選…………………………………4-1
4-1-1 金屬/氧化鋁載體活性比較…………………4-1
4-1-2 金屬/分子篩載體活性比較…………………4-8
4-1-2 CuMn金屬於不同載體比較………………4-14
4-2 產物分析以及空白測試………………………4-21
4-3 觸媒製作成本推估……………………………4-26
4-4 操作參數對甲苯轉化率的探討………………4-27
4-4-1 進流濃度對轉化率之影響…………………4-27
4-4-2 空間流速對轉化率之影響…………………4-31
4-4-3 進流氧氣含量對轉化率之影響……………4-35
4-5 觸媒長時間衰敗探討…………………………4-39
4-5-1 觸媒衰敗現象………………………………4-39
4-5-2 掃描式電子顯微鏡(SEM)….………………4-41
4-5-3 表面元素分析(EDS)….………………4-44
4-6 20% CuMn/分子篩及20%CuMn/氧化鋁綜合探討…………4-45
4-7 觸媒反應動力式…………………………4-46
4-7-1 Power-rate law………………………4-46
4-7-2 Mars-Van Krevenlene 模式…………4-50
4-8 操作參數對反應速率之影響……………4-54
4-8-1 反應溫度對反應速率之影響…………4-54
4-8-2 氧濃度對反應速率之影響……………4-56
4-8-3 進流濃度對反應速率之影響…………4-59

第五章 結論及建議
5-1 結論…………………………………………5-1
5-2 建議…………………………………………5-4

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