TW201737989A - 金屬疏水性碳材蜂巢式載體觸媒低溫焚燒技術消除油煙廢氣 - Google Patents

Abstract

本發明提供一個有效的方法和裝置去除油煙廢氣並以低溫觸媒焚燒完全去除臭味分子。本發明發展疏水性碳材載體，負載貴金屬後製備成高活性低溫燃燒之疏水性貴金屬觸媒。疏水性貴金屬觸媒能在較低溫氧化燃燒有機揮發氣體，除了減少焚燒所需補充燃料外，疏水性碳材載體表面能避免油煙廢氣中大量水蒸氣對疏水性貴金屬觸媒造成之影響，增強使用效率，可以徹底解決油煙臭味問題。並研發蜂巢式觸媒反應器，以降低風管的壓降損耗，發展全套的餐廳油煙消除設備，可供餐飲業使用，降低對都市社區居民健康之危害。

Description

金屬疏水性碳材蜂巢式載體觸媒低溫焚燒技術消除油煙廢棄

本發明係關於一種消除油煙的裝置及方法，尤指一種能讓油煙中碳氫化合物經由疏水性觸媒低溫氧化轉變成二氧化碳及水之有效消除油煙之方法與裝置。

餐飲業烹調食材所排放的油煙廢氣至大氣中會造成環境汙染，且吸入身體會對人體產生傷害。國內雖有油煙防治設備，但尚無法有效降低油煙排放，特別是臭味問題。

目前已知習用的油煙廢氣防治設備有濕式洗滌塔、活性碳、紫外光臭氧機、芳香劑透析膜及靜電油煙淨化器等，但現有設備之問題如下：(1)濕式洗滌塔為常見之除汙設備，以水為洗滌液，使其成本較低廉，缺點為洗滌液易達飽和且為物理吸收，去除效率較差且會產生廢水及噪音等二次問題；(2)部分店家使用活性碳做為去除異味裝置，但油煙易阻塞活性碳，除架設體積龐大外更須經常更換活性碳，建置成本亦所費不貲；(3)紫外光臭氧機為利用紫外光與空氣反應產生臭氧或是利用臭氧產生機產生臭 氧，將構成臭味之分子分解成二氧化碳與水，去除油煙及臭味效率可到達80~90%，但相較於其他設備其價格高昂，一般店家難以負擔；(4)芳香劑透析膜無法去除油煙，僅能以香味中和臭味，屬於治標不治本之設備；(5)靜電油煙淨化器最為常用之設備，利用高壓電流放電原理使汙染物帶電，再利用相反電荷電極收集，若加上濾網、擋板之前處理，油煙去除效果可達85~90%，但對於臭味分子去除率只有40~60%。

由於現有的油煙廢氣防治設備皆無法以有效、低成本且對環境影響程度低的方式去除油煙，因此，需要除了可以有效去除油煙及臭味之外，還可以降低壓降損耗及減少噪音汙染以避免二次汙染可能性的油煙廢氣防治設備及方法。鑑於此點，研發新式高去除效率之油煙廢氣處理技術是極為迫切需要的。

本案申請人鑑於習知技術中的不足，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終於構思出本案，能夠克服先前技術之不足，以下為本案之簡要說明。

為了構思出有效去除油煙及臭味的油煙廢氣處理方法及裝置，本發明利用疏水性觸媒在低溫下焚燒以去除臭味分子。疏水性觸媒可將油煙廢氣主要成分碳氫化合物轉變成對人體無害之水(H₂O)及二氧化碳(CO₂)，低溫焚燒可降低加熱能源的費用，再將疏水性觸媒負載於蜂巢式載體上，以降低壓降損耗，並且不受水氣濕度的影響，徹底解決油煙臭味問題。

因此，本發明提供一種用於消除油煙之疏水性觸媒結構，包括：碳材載體以及金屬，金屬負載於碳材載體上，以形成該疏水性觸媒結構，俾當疏水性觸媒結構與油煙接觸時，將油煙中之碳氫化合物氧化為二氧化碳及水，藉以消除油煙。

本發明另提出一種消除油煙的方法，包括提供疏水性觸媒結構；以及於100-400℃之常壓環境下將油煙流經疏水性觸媒結構以消除油煙。

本發明另提出一種消除油煙的裝置，包括：蜂巢式載體以及疏水性觸媒結構，疏水性觸媒結構塗佈於蜂巢式載體上，其中疏水性觸媒結構包括碳材載體及負載於該碳材載體上之金屬。

為使本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下，但非用以限制本發明之申請專利範圍。

300‧‧‧蜂巢式載體

320‧‧‧孔洞

400‧‧‧消除油煙裝置

410‧‧‧蜂巢式反應器

420‧‧‧加熱裝置

430‧‧‧反應管

440‧‧‧進口管

450‧‧‧出口管

460‧‧‧溫度探棒

470‧‧‧比例-積分-微分(P-I-D)回授控溫裝置

500‧‧‧消除油煙系統

510‧‧‧產生油煙裝置

520‧‧‧空氣鋼瓶

530‧‧‧流量控制器

540‧‧‧三頸燒瓶上蓋

542‧‧‧空氣進口頸

544‧‧‧溫度感測棒專用頸

546‧‧‧空氣混合油煙廢氣出口頸

550‧‧‧三頸燒瓶

560‧‧‧加熱包

570‧‧‧溫度感測棒

580‧‧‧加熱控溫裝置

第1(a)圖為本發明之奈米碳管的熱重量分析結果。

第1(b)圖為本發明之負載鉑金屬之奈米碳管的熱重量分析結果。

第2圖為本發明之疏水性觸媒在不同氫還原時間的X光電子能譜儀結果。

第3圖為本發明之蜂巢式載體的示意圖。

第4圖為本發明之消除油煙裝置的示意圖。

第5圖為本發明之消除油煙系統的示意圖。

第6圖為本發明之疏水性觸媒於不同氫還原時間的轉化率比較圖。

第7圖為本發明之疏水性觸媒於不同反應溫度及不同金屬重量的油煙消除率比較圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技術者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技術者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範圍。

本發明利用金屬負載於碳材載體上以形成金屬碳材觸媒，再將金屬碳材觸媒塗佈至蜂巢式載體上，形成蜂巢式反應器。當油煙通過蜂巢式反應器時，蜂巢式反應器中的金屬碳材觸媒能讓油煙中的碳氫化合物低溫氧化轉變成為對人體無害的二氧化碳(CO₂)及水(H₂O)，除有效消除油煙外，亦免除二次汙染的可能性。本發明在碳材載體上負載金屬，作為氧化活化基，在低溫即可以有效地消除油煙。本發明所使用的碳材載體為疏水性載體，其與金屬結合所形成的疏水性觸媒可避免烹煮食物時大量產生的水氣覆蓋疏水性觸媒而影響疏水性觸媒的催化活性。本發明的疏 水性觸媒負載至蜂巢載體上可處理大風量之油煙進料，並有效減少壓降損耗，節約風機電力。

觸媒製備

本發明的疏水性觸媒由活性基及載體組成，活性基為反應提供活性中心，使反應物產生化學變化，載體負責支撐活性基，並使活性基能有良好的分散率，達到更好的觸媒利用性。本發明的活性基為負載於載體上的過渡金屬，且載體較佳地為疏水性載體。活性基可選自白金(Pt)、錳(Mn)及金(Ag)其中之一，載體可選自活性碳(Activated Carbon)、奈米碳管(Carbon Nanotube)以及石墨烯(Graphene)其中之一。以下將以更詳細的方法介紹本發明疏水性觸媒的製備。

首先取0.5g的疏水性載體並計算0.5g載體能夠吸附的甲醇量，使用初濕含浸法(Incipient wetness impregnation method)將金屬負載至載體表面上。再以H₂PtCl₆‧6H₂O為前驅物，溶於計算好白金比例的甲醇水溶液，經由初濕含浸法將白金甲醇水溶液慢慢滴於疏水性載體上，此時疏水性載體會逐漸吸入白金甲醇溶液直至黏稠泥狀。仔細攪拌均勻後在室溫下乾燥1小時，之後在300℃下空氣鍛燒1小時。接著通入27%氫氣-氮氣混合氣體，在300℃進行還原程序，等待高溫爐降至室溫後，將觸媒取出，即得到疏水性觸媒。

在本發明的一實施例中，白金為活性基、奈米碳管為疏水性載體，且白金重量百分比為1.5wt%。使用H₂PtCl₆‧6H₂O (白金含量為37.5wt%)固體為白金前驅物，秤取0.0075g之白金前驅物，並秤量0.5g的奈米碳管，再計算0.5g奈米碳管能夠吸附的甲醇量(大約為4.8mL)，接著將0.0075g白金前驅物加入4.8mL甲醇溶液中，形成白金甲醇水溶液。使用初濕含浸法將白金負載於奈米碳管上，使用微量滴管吸取白金甲醇水溶液後慢慢滴於奈米碳管上，此時奈米碳管逐漸吸入白金甲醇水溶液直至黏稠泥狀。待奈米碳管吸飽定量的白金甲醇水溶液後，攪拌均勻並放置室溫下乾燥1小時，得到白金-奈米碳管觸媒。之後將觸媒於300℃下空氣煅燒1小時。通入27%氫氣-氮氣混合氣體，在300℃進行還原程序，等待高溫爐降至室溫後，將觸媒取出，即完成重量百分比1.5wt%金屬觸媒之製備。

觸媒特性分析

本發明的疏水性觸媒於100-400℃常壓環境下進行油煙之消除，且經由熱重量分析儀(Thermogravimetric Analysis,TGA)分析消除油煙過程中的重量損耗程度。請參閱第1(a)圖及第1(b)圖，其分別為奈米碳管及負載鉑金屬之奈米碳管的熱重量分析結果。結果顯示，在100-500℃的操作環境下，不論是第1(a)圖的奈米碳管或是第1(b)圖的負載金屬之奈米碳管皆不會因為升溫而導致重量損耗，能維持疏水性觸媒的性能，不發生型態改變。

經由接觸角測試(Contact angle)的結果顯示，如表1所示，碳材載體之接觸角為114.11度，負載金屬後之觸媒的接觸角為110.89度，當接觸角大於90度即為疏水性，故本發明之金屬碳材 觸媒具有疏水性，可免大量水氣對觸媒造成影響。

利用比表面積儀器(BET)方法檢測比表面積，其檢測結果如表2所示，負載重量百分比1.5wt%金屬後觸媒之比表面積為197.65m²/g，比其他附載量的觸媒具備更大的表面積，故負載1.5wt%金屬的疏水性觸媒之吸附油煙能力最好，對消除油煙更有利。

此外，利用掃描式電子顯微鏡(SEM)及穿透式電子顯微鏡(TEM)可看出金屬粒子成功負載於載體上，金屬粒子大小約為10nm，且可均勻分布於載體上(結果未示出)。

由於疏水性觸媒在製備過程中須經過1-5小時的氫氣還原程序，因此以X光光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析還原後的金屬是否具有金屬態。請參閱第2圖，其為本發明之疏水性觸媒在不同氫還原時間的X光電子能譜儀結果。在不同氫還原時間之X光電子能譜儀結果中，發現還原時間越長之觸媒，其價態越趨向金屬態。

蜂巢式反應器之製備

本發明的蜂巢式反應器是將疏水性觸媒塗佈於蜂巢式載體上。本發明的蜂巢式載體經過預碳化處理後，可將疏水性觸媒塗佈於其上，再結合加熱裝置，在較低溫的環境下即可有效的消除油煙。蜂巢式載體選自活性碳及堇青石(Cordierite)其中之一，亦可以其他材料為之。

請參閱第3圖，其為本發明之蜂巢式載體的示意圖。本發明之蜂巢式載體300具有許多孔洞320，其增高的比表面積可使蜂巢式載體300能處理大風量之油煙。蜂巢式載體的形狀可為圓柱形、正方體、長方體、不規則狀之任何形狀。在本實施例中，蜂巢式載體的形狀為圓柱形。

蜂巢式載體之預碳化前處理：先將蜂巢式載體浸泡於高分子溶液中，高分子選自聚乙烯醇、聚丙烯腈等，浸泡完之蜂巢載體放在陶瓷船型舟內，再將陶瓷船型舟放入高溫爐進行碳化步驟，經過氮氣氣體以速率每分鐘10℃，升溫至600℃，持續30分鐘，待自然降溫至室溫後，即完成了預碳化之前處理，使蜂巢式載體改質，後將進行觸媒塗佈。

分散液之製備：分散液的種類為本技術領域習用作為分散液的化合物。在本發明的一實施例中，分散液為乙醇、乙二醇及甘油之混合溶液。三者的體積比為乙醇：乙二醇：甘油=50：45：5，三種溶液均勻混合後，以1mg/mL濃度加入金屬觸媒。本技術領域之人士理解，乙醇、乙二醇及甘油可以其他體積比進行混合，並不限於前述的50：45：5。

將疏水性觸媒加入分散液後，經由超音波震盪器震盪2小時，使疏水性觸媒分散均勻，後在200℃加熱板上，將已分散完畢之疏水性觸媒溶液塗佈於改質後之蜂巢式載體上。確認蜂巢式載體洞口不被堵住的情況下，反覆塗佈疏水性觸媒溶液，塗佈完畢後放入坩鍋中經空氣300℃加熱一小時，使溶劑揮發，觸媒將完美負載於蜂巢式載體上，待溫度回至室溫，將蜂巢式載體取出秤重後保存，即完成負載低溫氧化疏水性金屬碳材之蜂巢式反應器。

本發明之蜂巢式反應器可裝設於餐車、家用、餐廳用及工業用之排煙或排氣系統中。

油煙消除裝置及系統

請參閱第4圖，其為本發明之消除油煙裝置的示意圖。本發明有效之消除油煙裝置400能讓油煙中碳氫化合物經由疏水性觸媒以低溫氧化轉變成CO₂及H₂O。本發明之消除油煙裝置400包括蜂巢式反應器410、加熱裝置420、反應管430、進口管440、出口管450、溫度探棒460及比例-積分-微分(P-I-D)回授控溫裝置470。油煙經由管線帶入反應管430，反應管430前有進口440管，內放置蜂巢式反應器410，蜂巢式反應器410連接加熱裝置420及P-I-D回授控溫裝置470，經由溫度探棒460回授溫度，並由P-I-D回授控溫裝置470控制加熱裝置420進行增溫或降溫。氧化反應的壓力為常壓，反應溫度設定為100-400℃，反應溫度較佳為100-300℃。在反應溫度下，蜂巢式反應器410將流經之油煙中的碳氫化合 物以低溫氧化轉變成CO₂及H₂O。反應後，經由出口管450排出CO₂及H₂O。

為了測定本發明之蜂巢式反應器的效能，本發明設計出一消除油煙系統500。請參閱第5圖，其為本發明之消除油煙系統的示意圖。本發明之消除油煙系統500包括產生油煙裝置510及消除油煙裝置400。產生油煙裝置510包括空氣鋼瓶520、流量控制器530、三頸燒瓶上蓋540、三頸燒瓶550、加熱包560、溫度感測棒570及加熱控溫裝置580。首先在三頸燒瓶550內放入大量的油，蓋上三頸燒瓶上蓋540，三頸燒瓶上蓋540分別為空氣進口頸542、溫度感測棒專用頸544及空氣混合油煙廢氣出口頸546。將三個頸分別以塑膠栓拴緊，確保不會漏氣後，打開三頸燒瓶550外負責提供熱源之加熱包560，並設定加熱溫度，控制油溫。後打開流量控制器530控制空氣鋼瓶520流量，使空氣流經三頸燒瓶550頂部，將產生之油煙廢氣經由空氣混合油煙廢氣出口頸546帶出，模擬實際烹煮流程。溫度感測棒570偵測三頸燒瓶550中的油溫，當油溫不足時，利用加熱控溫裝置580控制加熱包560進行加熱。

產生油煙裝置510中的空氣混合油煙廢氣出口頸546與消除油煙裝置400中的進口管440相連接，油煙廢氣經過空氣混合油煙廢氣出口頸546後進入進口管440，通過蜂巢式反應器410後，經由出口管450通入氣相層析儀(GC)中進行分析。比較未經過疏水性觸媒催化與經過疏水性觸媒催化之油煙濃度，計算轉化率，氣相層析儀之操作係屬習知技術，故不再贅述。消除油煙系 統中的各個管線運送過程中都經由加熱帶包裹，並加以控溫，避免油煙廢氣在管線中冷凝。

疏水性觸媒功效

1. 負載不同金屬於不同疏水性載體之觸媒的轉化率比較

比較結果如表3所示，樣品一之活性基為Pt、樣品二之活性基為Mn、樣品三之活性基為Ag，可發現Pt在反應溫度200℃、活性基重量百分比為1.5wt%時，有最好的表現，轉化率為62.07%。樣品四及五為使用不同之疏水性載體之比較，樣品四以活性碳為載體，樣品五以奈米碳管為載體，可發現在活性基重量百分比為1.5wt%、反應溫度為300℃時，以活性碳為載體之疏水性觸媒的油煙消除轉化率為74.68%，以奈米碳管為載體之疏水性觸媒的油煙消除轉化率為89.83%，可知使用奈米碳管有較好之表現。

2. Pt負載至奈米碳管之疏水性觸媒，於不同的氫氣還原時間之轉化率比較圖

請參閱第6圖，由轉化率比較圖可發現在反應溫度為300℃、還原時間為1、3及5小時皆有很高的轉換率，即表示Pt負載至奈米碳管之疏水性觸媒在消除油煙之效果上皆有很好的表現，且在多組實驗中呈現再現性(結果未示出)。

3. 疏水性觸媒於不同反應溫度及不同金屬重量的油煙消除率比較圖

請參閱第7圖，油煙消除率比較圖的結果顯示，在反應溫度為200℃時其消除油煙效率低於反應溫度為250℃之消除油煙效率，而當反應溫度提升至300℃時期消除油煙效率最佳。而在觸媒活性基重量百分比的部分，分別測試負載0.75、1.5、2.25及3wt%之活性基，發現在1.5wt%時可以得到較好的效果。原因為活性基之重量百分比為1.5wt%時的分散率最好，太多的活性基會造成聚集，故在基重量百分比為1.5wt%，反應溫度為300℃，可得到最好之油煙消除率。

4. 本發明最適化參數

本發明最適化參數如表4所示，本發明的金屬疏水性碳材蜂巢式載體觸媒低溫焚燒技術消除油煙廢氣系統，最佳實施例為：活性基使用的是白金(Pt)，重量百分比為1.5wt%，疏水性載體為奈米碳管(CNT)，在油煙溫度為180℃，模擬實際油炸時之油溫。在蜂巢式反應器溫度為300℃，觸媒經過氫氣還原1小時，風速為250sccm(1sccm代表在溫度273K、壓力760torr的標準狀態下，每分鐘有1cm³的氣體流量)，且每小時之氣體空間速度 (GHSV)為5284hr^-1時之轉化率為90.54%，即表示高達9成之油煙被消除，可見其效用。

本發明提供一個能讓油煙中碳氫化合物經由疏水性觸媒低溫氧化轉變成CO₂及H₂O之有效消除油煙之方法與裝置，在低溫環境下即有90%之油煙消除率。本發明的優點在於此工程方法在低溫下可焚燒去除臭味分子，降低加熱能源的費用，並將油煙廢氣主要成分碳氫化合物轉變成對人體無害之H₂O及CO₂，且將疏水性觸媒負載於蜂巢式載體上，降低壓降損耗，並且不受水氣濕度的影響，徹底解決油煙臭味問題。本發明實屬難能之創新發明，深具產業價值，援依法提出申請。

實施例

1.一種用於消除一油煙之疏水性觸媒結構，包括：一碳材載體；以及一金屬，負載於該碳材載體上，以形成該疏水性觸媒結構，俾當該疏水性觸媒結構與該油煙接觸時，將該油煙 中之碳氫化合物氧化為二氧化碳及水，藉以消除該油煙。

2.如實施例1所述之疏水性觸媒結構，其中該金屬為一過渡金屬，且該碳材載體選自活性碳、奈米碳管及石墨烯其中之一。

3.如實施例1或2所述之疏水性觸媒結構，其中該過渡金屬選自鉑(Pt)、錳(Mn)及金(Ag)其中之一。

4.如實施例1~3中任一實施例所述之疏水性觸媒結構，其中該金屬佔該疏水性觸媒結構總重的0.01-10重量百分比(wt%)。

5.一種消除油煙的方法，包括：提供如實施例1-4中任一實施例之疏水性觸媒結構；以及於100-400℃之常壓環境下將一油煙流經該疏水性觸媒結構以消除該油煙。

6.如實施例5所述之方法，其中當該油煙流經該疏水性觸媒結構時，該疏水性觸媒結構氧化該油煙中的碳氫化合物成為二氧化碳及水。

7.一種消除油煙的裝置，包括：一蜂巢式載體；以及一疏水性觸媒結構，塗佈於該蜂巢式載體上，其中該疏水性觸媒結構包括一碳材載體及負載於該碳材載體上之一金屬。

8.如實施例7所述之裝置，其中該蜂巢式載體經過預碳化前處理，以對該蜂巢式載體之表面進行改質。

9.如實施例7或8所述之裝置，其中該蜂巢式載體選自活性碳及堇青石其中之一。

10.如實施例1~3中任一實施例所述之裝置，其中該金屬為一過渡金屬，該過渡金屬選自鉑(Pt)、錳(Mn)及金(Ag)其中之一，該碳材載體選自活性碳、奈米碳管及石墨烯其中之一，且該金屬佔該疏水性觸媒結構總重的0.01-10重量百分比(wt%)。

本發明實屬難能的創新發明，深具產業價值，援依法提出申請。此外，本發明可以由本領域技術人員做任何修改，但不脫離如所附申請專利範圍所要保護的範圍。

400‧‧‧消除油煙裝置

410‧‧‧蜂巢式反應器

420‧‧‧加熱裝置

430‧‧‧反應管

440‧‧‧進口管

450‧‧‧出口管

460‧‧‧溫度探棒

470‧‧‧比例-積分-微分(P-I-D)回授控溫裝置

Claims (10)

1. 一種用於消除一油煙之疏水性觸媒結構，包括：一碳材載體；以及一金屬，負載於該碳材載體上，以形成該疏水性觸媒結構，俾當該疏水性觸媒結構與該油煙接觸時，將該油煙中之碳氫化合物氧化為二氧化碳及水，藉以消除該油煙。
2. 如申請專利範圍第1項所述之疏水性觸媒結構，其中該金屬為一過渡金屬，且該碳材載體選自活性碳、奈米碳管及石墨烯其中之一。
3. 如申請專利範圍第2項所述之疏水性觸媒結構，其中該過渡金屬選自鉑(Pt)、錳(Mn)及金(Ag)其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之疏水性觸媒結構，其中該金屬佔該疏水性觸媒結構總重的0.01-10重量百分比(wt%)。
5. 一種消除油煙的方法，包括：提供如申請專利範圍第1-4項中任一項之疏水性觸媒結構；以及於100-400℃之常壓環境下將一油煙流經該疏水性觸媒結構以消除該油煙。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中當該油煙流經該疏水性觸媒結構時，該疏水性觸媒結構氧化該油煙中的碳氫化合物成為二氧化碳及水。
7. 一種消除油煙的裝置，包括： 一蜂巢式載體；以及一疏水性觸媒結構，塗佈於該蜂巢式載體上，其中該疏水性觸媒結構包括一碳材載體及負載於該碳材載體上之一金屬。
8. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該蜂巢式載體經過預碳化前處理，以對該蜂巢式載體之表面進行改質。
9. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該蜂巢式載體選自活性碳及堇青石其中之一。
10. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該金屬為一過渡金屬，該過渡金屬選自鉑(Pt)、錳(Mn)及金(Ag)其中之一，該碳材載體選自活性碳、奈米碳管及石墨烯其中之一，且該金屬佔該疏水性觸媒結構總重的0.01-10重量百分比(wt%)。