TWI492783B - Regeneration method of waste gas filter - Google Patents

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廢氣濾材之再生方法
本發明與廢氣濾材之再生方法有關，特別是有關於一種利用光照還原之廢氣濾材之再生方法。
廢氣濾材已廣泛應用於空氣污染物之控制上。一般習知去除空氣臭味濾材大體上都包含有一基材及吸附材料，該吸附材料可直接成形於該基材上，或是利用黏附劑(binder)黏附於該基材上，其可為活性碳、沸石、矽質材料等多孔洞材料所製成。當一待處理之廢氣通過該廢氣濾材時，該吸附材料即可吸附該廢氣中之污染物，以達到淨化之目的。然而，當該吸附材料達到飽和時即需進行再生，亦即將所吸附之污染物釋出，使得該吸附材料得以循環使用，一般最為常見之再生方式即為利用熱脫附進行。
目前已有一種利用二氧化碳之濾材再生方法，其係利用二氧化碳之超臨界流體作為媒介，使其穿過廢氣濾材並從而萃取出該吸附材料所吸附之污染物，隨後，污染物將連同該二氧化碳之超臨界流體被導入一冷凝腔，以便回收該污染物。
中華民國專利申請第098102648號揭示一種利用電漿脫附之揮發性廢氣濾材再生裝置，其以放電電極及接地電極藉由通電而生成電漿，以提供能量使廢氣濾材進行脫附反應，從而將污染物釋出，接著污染物可經由降溫冷凝吸 收器形成冷凝液滴並以收集槽回收利用。
中華民國專利公告第I348390號揭示一種利用觸媒吸附結合臭氧產生單元處理低濃度二甲基硫(DMS)、二甲基二硫(DMDS)及硫化氫(H2 S)等硫化物與甲醛、醋酸、異丙醇及丙酮等惡臭化合物之氣體淨化方法。該方法為利用臭氧為媒介以加強觸媒吸附功能、低溫氧化還原或分解反應成較易處理或無害的成份，藉此提升觸媒吸附材的處理效率及使用壽命之用。
然而，在常溫狀態下，利用臭氧作為媒介會對觸媒金屬形成氧化而促使其提前失去活性，反而無法有效提昇除污效能；另外，臭氧亦屬污染物質，若控制不當而外洩，會造成眼睛、呼吸道及皮膚之傷害，也會有使得橡塑膠製品損壞及金屬物質氧化等問題。
本發明之主要目的在於提供一種廢氣濾材之再生方法，可使廢氣濾材得以線上循環再生並持續具有較佳之除污效能。
為了達成上述目的，本發明之廢氣濾材之再生方法包括以下步驟：提供一吸附有污染物之濾材，該吸附有污染物之濾材包含有一觸媒吸附材及位於該觸媒吸附材表面之氧化態載持金屬，該氧化態載持金屬係由設於該觸媒吸附材表面之載持金屬與污染物進行化學性吸附反應所形成；及以一紫外光照射該吸附有污染物之濾材，該觸媒吸附材 受該紫外光激發之電子與該氧化態載持金屬反應，使該氧化態載持金屬還原成該載持金屬。
為了更瞭解本發明的特徵，以下列舉一較佳實施例並配合圖式說明於後，其中：第一圖為本發明一較佳實施例廢氣濾材之示意圖；第二圖為本發明一較佳實施例吸附有污染物之廢氣濾材進行再生之示意圖；第三及四圖為本發明實驗例廢氣濾材之去除臭氧效率結果圖；第五圖為本發明反應與再生後之載持金屬光電子能譜圖；及第六至八圖為本發明實驗例廢氣濾材之去除醋酸效率結果圖。
請配合參考第一及二圖，未吸附有污染物之廢氣濾材100係包含有一觸媒吸附材12及設於該觸媒吸附材12表面之載持金屬14，在該濾材100進行吸附有污染物時，設於該觸媒吸附材12表面之載持金屬14會與污染物16進行化學性吸附反應而形成氧化態載持金屬18，亦即，吸附有污染物之濾材200包含有一觸媒吸附材12及位於該觸媒吸附材表面之氧化態載持金屬18。而如二甲基硫(DMS)、二甲基二硫(DMDS)及硫化氫(H2 S)等硫化物與臭氧、甲醛、醋酸、異丙醇及丙酮等惡臭化合物之污染物通常存在於化 學反應廢氣、臭味氣體或揮發性有機廢氣中。
該觸媒吸附材12於本實施例中係包括一基材121、以及觸媒122設於該基材121之表面，該基材121係選自沸石、氧化鋁或中孔洞吸附材(平均孔徑較佳為2-5nm)，該觸媒122係選自二氧化鈦或氧化鋅，然觸媒吸附材可直接由二氧化鈦或氧化鋅所製成且較佳為多孔洞結構，然觸媒吸附材不為多孔洞結構亦可。該觸媒吸附材12之孔洞可以物理方式吸附污染物16。在受UV光照射下，該觸媒吸附材12表面價帶之電子(e- )與電洞對(h+ )受激發將躍遷至表面形成OH*或O*等自由基來分解污染物16。
該載持金屬14係設於該觸媒122之表面，其選自由貴金屬例如金、銀、鉑及鈀所組成之群或選自由過渡金屬例如銅、錳、鎳及鈷所組成之群。該載持金屬14之製備有光還原沉積、含浸、離子交換、氧化還原等方式。載持金屬14可作為電子捕捉者或改變電子傳遞路徑，以降低電子與電洞對結合速率、增加光催化效能，因此可具有光催化除污效果且可延長廢氣濾材100使用壽命。
進行再生程序時，係利用一紫外燈20產生紫外光(UV光)以照射該吸附有污染物之濾材200，該觸媒吸附材12之觸媒122受該紫外光激發之電子會與該氧化態載持金屬18反應，可使該氧化態載持金屬18還原成載持金屬14。藉此，廢氣濾材100可線上循環再生並持續具有較佳的污染物分解能力。
以下舉例說明一包含二氧化鈦(TiO2 )觸媒及銀(Ag)載 持金屬之濾材處理臭氧(O3 )、以及將氧化態載持金屬(AgO)還原成載持金屬之機制。
在無UV光照射下，廢氣濾材係利用多孔性觸媒吸附材之孔洞特性物理吸附O3 、以及透過Ag與O3 進行化學吸附反應以去除O3 (如反應式(1)所示)。
Ag +O 3 →AgO +O 2 (1)
在受UV光照射下，TiO2 表面價帶之電子(e- )與電洞對(h+ )受激發而躍遷至表面(如反應式(2)所示)，且形成OH*或O*等自由基來分解O3 。
廢氣濾材線上再生之機制說明如下。Ag與O3 進行化學吸附反應後所生成之氧化態AgO，會與受UV光照射激發之電子一起反應並還原成金屬態Ag(如反應式(3)所示)，因此廢氣濾材獲得再生能力而可循環持續分解O3 。
2AgO +2e - →2Ag +O 2 +2e - (3)
關於其他種類觸媒及載持金屬與其他種類污染物之反應機制，係與上述舉例之反應機制大致相同，在此不再詳加敘述。
另外說明的是，在上述舉例之反應機制中，適度之反應環境濕氣亦可促使氧化態載持金屬18還原成載持金屬14。由於不同氧化態載持金屬18與濕氣之反應機制大致相同，以下僅以載持金屬為Ag為例說明。濕氣可促使氧化態載持金屬Ag+ 還原成載持金屬Ag(如反應式(4)所示)。
4Ag + +2H 2 O →4Ag +O 2 +4H + (4)
因此，在本發明廢氣濾材之再生方法中，較佳地可另以一潮濕氣流通過該吸附有污染物之濾材200表面，潮濕氣流中之水份不僅可促使氧化態載持金屬18還原，且可使被吸附之污染物16脫附而出(特別是脫酸或脫鹼)，而該潮濕氣流之相對濕度較佳為75-90%、通入時間為30分鐘，但不以此為限。之後，可再另以一乾燥氣流通過該吸附有污染物之濾材200表面，藉此移除多餘之水份，以完成再生程序。較佳地，該乾燥氣流之相對濕度不高於50%、通入時間為60分鐘，但不以此為限。要說明的是，通入潮濕氣流及乾燥氣流之相對濕度及時間係可依照實際情況而作調整，例如：較高相對濕度之潮濕氣流可配合較短之通入時間；較低相對濕度之乾燥氣流可配合較長之通入時間。
要說明的是，該潮濕氣流可另攜載有載持金屬鹽類，(例如在產生濕度之溶液中加入例如但不限於硝酸銀或其他貴金屬之硝酸鹽、硝酸銅或其他過渡金屬之硝酸鹽)，則攜載有載持金屬鹽類之水份液滴將附著於觸媒吸附材12之觸媒122表面，在UV光照射下可還原形成新的載持金屬14，並經通入乾燥氣流移除水份，如此可使再生廢氣濾材具備較佳之除污效能。要說明的是，可先通入乾燥氣流移除水份，再進行UV光照射步驟，廢氣濾材100經再生後同樣具備極佳之除污能力。
廢氣濾材之除污效率測試
在以下之廢棄濾材除污效率測試中，係利用光還原法(當然亦可使用其他適當之方法)製備載持金屬-觸媒顆粒 再與基材顆粒混合、或直接製備多孔洞觸媒並在觸媒表面載設載持金屬以形成廢氣濾材，並以塗覆法在長16cm、內徑2.6cm之管件之內管壁上均勻塗覆0.1g之廢氣濾材以製成反應管。將反應管內之廢氣濾材乾燥後，再將長15cm、直徑1.6cm、功率8W、波長340~360nm之紫外燈管置入反應管中，再將內設有紫外燈管之反應管置於恆溫恆濕之空調箱內。接著，將含有污染物之測試氣流通入反應管進行除污效能測試。其中，臭氧分解前後濃度係以傅利葉紅外線光譜儀(Bruker Vector 22,USA)進行分析，醋酸反應前後濃度係以酸性氣體分析儀(B12 2-wire gas transmitter,ATI U.S.A)測量，污染物之反應前後濃度差除以反應前濃度之百分率為去除效率。
【實驗例1】
在實驗例1中，廢氣濾材所包含之載持金屬-觸媒為Ag-TiO2 。請參考第三圖，在室溫且無光照之催化分解臭氧測試中，全新之廢氣濾材在測試120分鐘時仍能有效分解90%以上之臭氧(如曲線L31所示)；再生之廢氣濾材可維持78%以上之分解效率(如曲線L32所示)；無載持Ag之TiO2 則已無分解效率(如曲線L33所示)。由上述結果可知，在無光照、室溫條件下，廢氣濾材係透過Ag來分解O3 。
請參考第四圖，在UV光照射之光催化條件下，在240分鐘之測試時間內，全新及再生之廢氣濾材均能有約90%以上之臭氧分解效率(如曲線L41及L42所示)；無載持Ag之TiO2 之臭氧分解效率則在測試時間經過160分鐘之後幾乎無分解效率(如曲線L43所示)。
藉由X射線光電子能譜儀(XPS,ULVAC-PHI Quantera)分析TiO2 表面上Ag粒子之化學結構，其結果如第五圖所示。反應後之Ag束縛能(binding energy)分別為373.5及367.5 eV(如曲線L51所示)，因此可判定反應之後金屬態Ag轉化變成氧化態AgO；經UV光照射之下，兩個波峰偏移到374.5及368.5 eV(如曲線L52所示)，表示氧化態AgO已經還原成金屬態之Ag，此可佐證上述反應式(1)至(4)之反應機制成立。
【實驗例2】
在實驗例2中，廢氣濾材所包含之載持金屬-觸媒為Ag-TiO2 。如第六圖所示，在無UV光照條件下(測試時間1.5小時之內)，經光還原反應之再生廢氣濾材之除酸效率(如曲線L61所示)明顯優於未經光還原反應之再生廢氣濾材之除酸效率(如曲線L62所示)，其除酸效率並與全新廢氣濾材之除酸效率(如曲線L63所示)相近。原因乃未經光還原反應之再生廢氣濾材者係僅由濕潤(潮濕)氣流將TiO2 表面附著之醋酸清洗攜走，並藉由高溫乾燥程序進行脫附，然而已與醋酸反應之TiO2 表面氧化態Ag並未能恢復原先狀態；經光還原反應之再生廢氣濾材，其表面氧化態Ag會吸引TiO2 受光照激發之電子並與其反應，而還原成可與醋酸進行反應之金屬態Ag，因此在未受光照下所具備之除酸效率與全新者相近。
除此之外，在UV光照射下(測試時間1.5小時之後)，不論有無進行光還原反應，再生廢氣濾材之TiO2 因表面受濕潤氣流清洗、攜走酸性物質後，依然可展現良好之光催化除酸效率；而無進行光還原反應之再生廢氣濾材，其表面Ag亦能 延緩電子-電洞對再結合、增進光催化除酸效率。
【實驗例3】
在實驗例3中，係直接以中孔洞TiO2 製備觸媒吸附材，並在TiO2 觸媒吸附材表面載設銅(Cu)以形成廢氣濾材，用以去除醋酸。其中中孔洞TiO2 可藉由其孔洞結構與光催化特性作為如光催化吸附除污濾網之裝置。如第七圖所示，在無UV光照射下，結合TiO2 之孔洞物理吸附作用及Cu之化學吸附作用之全新及再生廢氣濾材之除酸效率(如曲線L71及曲線L72所示)皆大幅優於中孔洞TiO2 未載設Cu之廢氣濾材之除酸效率(如曲線L73所示)；在UV光照射下，中孔洞TiO2 載設Cu之全新及再生廢氣濾材亦展現超過45%之良好除酸效率(如直條H81及直條H82所示)，遠高於未包含Cu之廢氣濾材約35%之除酸效率(如直條H83所示)。由結果可知，包含Cu之廢氣濾材經光還原反應後，其除醋酸效率與全新者相去不遠，顯示再生程序具有非常好之再生效果。
綜上所述，本發明廢氣濾材之再生方法係以UV光照射觸媒吸附材，使觸媒吸附材受激發之電子將載持金屬與污染物反應生成之氧化態載持金屬還原成載持金屬，此外，UV光所提供之熱能可使多孔性觸媒吸附材物理吸附之污染物脫附而出，脫附出之污染物再經由觸媒之光催化分解、以及載持金屬之化學吸附去除。因此，廢氣濾材得以線上循環再生而具備活性以持續分解污染物。
以上實施例僅為本發明的示例性實施例，非用於限制 本發明，本領域技術人員可基於本發明的精神，對本發明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發明的保護範圍內。
100‧‧‧廢氣濾材
12‧‧‧觸媒吸附材
121‧‧‧基材
122‧‧‧觸媒
14‧‧‧載持金屬
16‧‧‧污染物
18‧‧‧氧化態載持金屬
20‧‧‧紫外燈
200‧‧‧吸附有污染物之濾材
第一圖為本發明一較佳實施例廢氣濾材之示意圖；第二圖為本發明一較佳實施例吸附有污染物之廢氣濾材進行再生之示意圖；第三及四圖為本發明實驗例廢氣濾材之去除臭氧效率結果圖；第五圖為本發明反應與再生後之載持金屬光電子能譜圖；及第六至八圖為本發明實驗例廢氣濾材之去除醋酸效率結果圖。
12‧‧‧觸媒吸附材
121‧‧‧基材
122‧‧‧觸媒
16‧‧‧污染物
18‧‧‧氧化態載持金屬
20‧‧‧紫外燈
200‧‧‧吸附有污染物之濾材

Claims (4)

  1. 一種廢氣濾材之再生方法，包括以下步驟：提供一吸附有污染物之濾材，該吸附有污染物之濾材包含有一觸媒吸附材及位於該觸媒吸附材表面之氧化態載持金屬，該氧化態載持金屬係由設於該觸媒吸附材表面之載持金屬與污染物進行化學性吸附反應所形成；及以一紫外光照射該吸附有污染物之濾材，該觸媒吸附材受該紫外光激發之電子與該氧化態載持金屬反應，使該氧化態載持金屬還原成該載持金屬；其中該基材係選自沸石、活性碳、氧化鋁或中孔洞吸附材，該觸媒係選自二氧化鈦或氧化鋅。
  2. 如請求項1所述之廢氣濾材之再生方法，其中該觸媒吸附材包括一基材及觸媒設於該基材之表面，該載持金屬係設於該觸媒之表面。
  3. 如請求項1所述之廢氣濾材之再生方法，其中該觸媒吸附材係為二氧化鈦或氧化鋅所製成。
  4. 如請求項1所述之廢氣濾材之再生方法，其中該載持金屬係選自由金、銀、鉑及鈀所組成之群或選自由銅、錳、鎳及鈷所組成之群。
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