TWI749754B - 金屬觸媒及其製法和用於處理丙酮之應用 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種金屬觸媒及其製法和用於處理丙酮之應用，本發明以沸石原粉添加疏水性黏著劑進行造粒，製得不易受水氣影響的疏水性沸石作為觸媒載體，再透過濕式含浸法與超音波震盪將非貴金屬（鐵、錳或其組合）負載於該觸媒載體上，以製得該金屬觸媒。藉此，本發明基於吸附及觸媒燃燒方法，以前述製得之金屬觸媒連續處理含丙酮廢氣，先利用該金屬觸媒吸附濃縮丙酮，再以低於350℃的溫度於燃燒爐中低溫燃燒使丙酮轉化為二氧化碳及水，達到利用負載非貴金屬之沸石觸媒結合低溫觸媒方法轉化丙酮之目的，有效降低處理丙酮廢氣所需的能源及成本。

Description

金屬觸媒及其製法和用於處理丙酮之應用

本發明有關於沸石觸媒及其製法，特別是指負載金屬之疏水性沸石觸媒及其製法和其用於處理丙酮之應用。

因工業的快速發展，各工廠所排放的揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）對環境所造成影響越趨嚴重。VOCs的主要來源包括工業廢氣、溶劑和運輸工具尾氣等室外污染源及清潔產品與列印機等室內來源。VOCs對生態環境和人類健康構成嚴重威脅，大多數具有劇毒、致癌性與危險性，VOCs也是造成平流層臭氧消耗和區域臭氧形成的主要因素。

目前常見VOCs的處理方法大致可分為冷凝法、吸收法、電漿破壞法、熱焚化法、吸附法以及觸媒焚化法。其中，冷凝法處理效率有限以及無法處理含有多種VOCs成分的廢氣；吸收法容易產生廢水處理問題以及維護費高；電漿破壞法易干擾機台，維修費用高，另設備製造費用昂貴且製造技術仍有瓶頸；熱焚化法由於需要較高的溫度來破壞VOCs，所以需要大量的燃料，而且會產生微粒問題造成增加二次處理之費用；吸附法可同時處理多種成分VOCs氣體及處理至相當低濃度VOCs氣體；觸媒焚化法可以較短的滯留時間及較低的溫度下來操作，而且設備較不占空間、亦較節省燃料、處理量大，故同時使用吸附法及觸媒焚化法是處理VOCs技術中最具發展潛力的。

值得注意的是，在吸附法中吸附劑材料常使用活性碳（Activated Carbon, AC），活性碳比表面積高且相對為較便宜的材料，但是AC容易受廢氣的溫度、溼度影響，容易燃起以及吸附廢氣中水氣導致材料過早吸附飽和需更換材料。另外，觸媒焚化法中常用貴金屬催化劑(例如負載鉑和鈀等)在低溫下對VOCs完全氧化顯示出良好的活性；但是鉑和鈀催化劑用於工業VOCs處理受到成本和貴金屬催化劑容易受到氯化物或硫化物毒化失去活性。再者，目前產業界使用處理VOCs的技術以熱焚化法將VOCs氣體燃燒並且予以分解的處理方法中，燃燒爐需加溫至少700至800℃才能將VOCs完全破壞分解，存在耗費能源提高處理成本等問題，有待進一步改善。

為克服上述技術問題，本發明之目的在於提供一種金屬觸媒及其製法和用於處理丙酮之應用，本發明以沸石原粉添加疏水性黏著劑進行造粒，製得不易受水氣影響的疏水性沸石，以作為觸媒載體，再透過濕式含浸法與超音波震盪將非貴金屬（鐵、錳或其組合）負載於該觸媒載體上，以製得該金屬觸媒。藉此，本發明基於吸附及觸媒燃燒方法，以前述製得之金屬觸媒連續處理含丙酮廢氣，先利用該金屬觸媒吸附濃縮丙酮，再以低於350℃的溫度於燃燒爐中低溫燃燒使丙酮轉化為二氧化碳及水，達到利用負載非貴金屬之沸石觸媒結合低溫觸媒方法轉化丙酮之目的，有效降低處理丙酮廢氣所需的能源及成本。

緣是，為達上述目的，本發明所提供一種金屬觸媒，其包括：疏水性沸石，係沸石粉末與疏水性黏著劑混合製粒構成之觸媒載體，該沸石粉末係選自NaY沸石、HY沸石、USY沸石或ZSM-5沸石之其中一種，該疏水性黏著劑係水玻璃黏著劑；金屬元素，係該疏水性沸石浸潤於包含該金屬元素之前趨物水溶液中而負載於該觸媒載體上；該前趨物水溶液係選自硝酸鐵水溶液、硝酸錳水溶液或其組合之水溶液，該金屬元素為鐵、錳或其組合。

本發明另提供一種金屬觸媒之製法，其中，該製法的步驟包括：

疏水性沸石製備步驟：將選自NaY沸石、HY沸石、USY沸石或ZSM-5沸石之其中一種沸石之粉末與疏水性黏著劑混合後造粒，製得疏水性沸石載體；

負載金屬步驟：將該疏水性沸石載體浸入前趨物水溶液中，經超音波震盪後，過濾液體並將取得之固形份烘乾；其中，前趨物水溶液係選自硝酸鐵水溶液、硝酸錳水溶液或包括硝酸鐵和硝酸錳之水溶液中的一種；

鍛燒步驟：使用高溫爐在550℃之溫度下鍛燒乾燥後的固形份，令該固形份經鍛燒後冷卻至室溫，製得負戴有鐵、錳或及組合之疏水性金屬觸媒。

於本發明的金屬觸媒及其製法實施例中，該金屬觸媒負載的金屬元素為鐵，該前趨物水溶液為硝酸鐵（Fe(NO ₃) ₃·9H ₂O）水溶液，且該硝酸鐵水溶液中的鐵含量A為大於0wt%小於等於15wt%（0wt%﹤A≦15wt%）。於本發明實施例中，鐵含量A為2.5wt%、5wt%、10wt%或15wt%。

於本發明的金屬觸媒及其製法實施例中，該金屬觸媒負載的金屬元素為錳，該前趨物水溶液為硝酸錳（Mn(NO ₃) ₂）水溶液，且該硝酸錳水溶液中的錳含量B為大於0wt%小於等於15wt%（0wt%﹤B≦15wt%）。於本發明實施例中，錳含量B為2.5wt%、5wt%、10wt%或15wt%。

於本發明的金屬觸媒及其製法實施例中，該金屬觸媒負載的金屬元素為鐵和錳之組合，該前趨物水溶液為包括硝酸鐵（Fe(NO ₃) ₃·9H ₂O）和硝酸錳（Mn(NO ₃) ₂）之水溶液，且該前趨物水溶液中的鐵錳含量總合C為大於0wt%小於等於15wt%（0wt%﹤B≦15wt%），該前趨物水溶液中的鐵含量x和錳含量y之重量比值為0.25至4。於本發明實施例中，鐵錳含量總合C為2.5wt%、5wt%、10wt%或15wt%，其中鐵錳含量總合C較佳為10wt%；鐵含量x和錳含量y的重量比值（x/y）為0.25、0.5、1、2或4，其中x/y之重量比值較佳為1。

本發明還提供一種前述金屬觸媒於處理丙酮之應用。

其中，該金屬觸媒係於370K至630K之溫度範圍內以低溫觸媒處理法使丙酮轉化為二氧化碳及水。於本發明實施例中，該溫度範圍較佳為470K至630K，該溫度範圍更佳為520K至630K。

有關於本發明為達成上述目的，所採用之技術、手段及其他功效，茲舉較佳可行實施例並配合圖式詳細說明如後。

為利於對本發明的瞭解，以下結合實施例進行說明。

本發明提供一種金屬觸媒，其係負載金屬元素之疏水性沸石材料。其中，該疏水性沸石材料是由沸石粉末添加疏水性黏著劑進行造粒，以製得不易受水氣影響的疏水性吸附劑（疏水性沸石），金屬元素係透過濕式含浸法負載至該疏水性沸石上，構成了本發明之金屬觸媒。

於本發明實施例中，該沸石粉末係選自NaY沸石、HY沸石USY沸石或ZSM-5沸石之其中一種商用沸石原粉；該金屬元素為非貴金屬元素，具體可選自鐵、錳或其組合，該金屬元素的前趨物為硝酸鐵（Fe(NO ₃) ₃·9H ₂O）、硝酸錳（Mn(NO ₃) ₂）或其組合所製成之水溶液。其中，該沸石粉末較佳為USY沸石。

本發明定義負載單一種類金屬元素之觸媒為單金屬觸媒，負載兩個種類金屬元素之觸媒為雙金屬觸媒。

進一步地，本發明單金屬觸媒根據材料組成配比定義並簡記為：前趨物水溶液中金屬含量-金屬種類-沸石種類，例如，A-Fe-USY，其中，A代表前趨物硝酸鐵水溶液中以重量百分比計之鐵含量（wt%），Fe代表該觸媒負載鐵金屬元素，USY代表該觸媒的沸石載體取材為USY沸石。於本發明實施例中，負載鐵金屬之觸媒的簡記中，鐵含量A的範圍為0wt%﹤A wt%≦15wt%，鐵含量A較佳為2.5wt%、5wt%、10wt%或15wt%，鐵含量A更佳為10wt%；負載錳金屬之觸媒的簡記中，錳含量B的範圍為0wt%﹤B wt%≦15wt%，錳含量B較佳為2.5wt%、5wt%、10wt%或15wt%，錳含量B更佳為10wt%。

進一步地，本發明雙金屬觸媒根據材料組成配比定義並簡記為：前趨物水溶液中金屬總含量-金屬種類及比例-沸石種類，例如，C-Fe _xMn _y-USY，其中，C為前趨物硝酸鐵和硝酸錳之水溶液中以重量百分比計之鐵和錳總含量（wt%），Fe、Mm代表該觸媒負載鐵和錳金屬元素，下標小寫字母x、y分別代表雙金屬觸媒中的鐵含量（x）和錳含量（y），USY代表該觸媒的沸石載體取材為USY沸石。於本發明實施例中，負載鐵錳金屬之觸媒的簡記中，鐵錳含量總合C的範圍為0wt%﹤C wt%≦15wt%，鐵錳含量總合C較佳為2.5wt%、5wt%、10wt%或15wt%，鐵錳含量總合C更佳為10wt%；鐵含量x和錳含量y的重量比值（x/y）範圍為0.25﹤x/y≦4，重量比值（x/y）較佳為0.25、0.5、1、2或4，重量比值（x/y）更佳為1。

本發明疏水性沸石的製法步驟包括：

取材步驟：提供沸石粉末及疏水性黏著劑。於本發明實施例中，該沸石粉末為商用吸附材料，沸石粉末可選自NaY沸石、HY沸石、USY沸石或ZSM-5沸石，該疏水性黏著劑較佳為水玻璃黏著劑。其中，以沸石粉末及疏水性黏著劑之材料總重量計算，該兩種材料的配比較佳為沸石粉末佔40wt%至70wt%，疏水性黏著劑佔30wt%至60wt%。

混合步驟：以攪拌器攪拌揉合至該沸石粉末與該疏水性黏著劑均勻混合後，使用擠壓器擠壓製作成條狀材料。於本發明實施例中，沸石粉末與疏水性黏著劑較佳在溫度60℃下進行混合。

製粒步驟：使用烘箱乾燥該條狀材料；之後再以高溫爐鍛燒製得條狀吸附材料；最後將該條狀吸附材料破碎，並使用35-50網目篩網過篩得到尺寸大小為0.2-0.3 mm的疏水性沸石顆粒。於本發明實施例中，該條狀材料較佳於溫度100至110℃下放置於烘箱中兩小時進行乾燥，之後較佳以高溫爐於溫度400至500℃下進行四小時的鍛燒，以製得條狀吸附材料。

以上說明了製備本發明金屬觸媒所採用的疏水性沸石的材料組成配比及製法，以下說明本發明金屬觸媒的組成配比及其製法。

本發明金屬觸媒的製法步驟包括如前所述之疏水性沸石製備步驟以及後續的負載金屬步驟和鍛燒步驟，藉以製得負載鐵或錳之單金屬觸媒以及負載鐵和錳之雙金屬觸媒，其中，該鐵（Fe）金屬元素係來自於前趨物硝酸鐵（Fe(NO ₃) ₃·9H ₂O）之水溶液，該錳（Mn）金屬元素係來自於前趨物硝酸錳（Mn(NO ₃) ₂）之水溶液；透過將該疏水性沸石顆粒浸潤於硝酸鐵水溶液或者硝酸錳水溶液中以製得該單金屬觸媒，或者，透過將該疏水性沸石顆粒浸潤於包括硝酸鐵和硝酸錳之水溶液中以製得該雙金屬觸媒。

於本發明實施例中，負載鐵金屬之觸媒的製法，係取5g疏水性沸石顆粒作為載體，將沸石載體浸入250ml的前驅物硝酸鐵(Fe(NO ₃) ₃·9H ₂O)之水溶液中，並使沸石載體浸潤1小時，再以超音波震盪水槽震盪30分鐘，並以篩網過濾液體取得固形份；之後將固形份放於烘箱內，於溫度105℃下進行2小時烘乾作業，再將材料放入坩堝中，並使用高溫爐以高溫550℃鍛燒6小時，冷卻所製得觸媒至室溫，以獲得負載鐵金屬之觸媒。

於本發明實施例中，負載錳金屬之觸媒的製法，係取5g疏水性沸石顆粒作為載體，將沸石載體浸入250ml的前驅物硝酸錳（Mn(NO ₃) ₂）之水溶液中，並使沸石載體浸潤1小時，再以超音波震盪水槽震盪30分鐘，並以篩網過濾液體取得固形份；之後將固形份放於烘箱內，於溫度105℃下進行2小時烘乾作業，再將材料放入坩堝中，並使用高溫爐以高溫550℃鍛燒6小時，冷卻所製得觸媒至室溫，以獲得負載錳金屬之觸媒。

本發明另提供了一種前述製得之金屬觸媒於處理丙酮之應用。如圖1所示，顯示本發明金屬觸媒處理丙酮之連續式管柱流實驗系統，該系統包括污染氣體源10、輸送管20、質量流量控制閥(Mass Flow Controller, MFC)30、混合槽40、管式爐50、氣體檢測分析裝置60及計算機裝置70；其中，該污染氣體源10包括丙酮鋼瓶11及空氣鋼瓶12，該輸送管20係鐵氟龍管(Polytetrafluoroethylene, PTFE)並於部分管路上設有旁路21，該質量流量控制閥30包括閥體31以及用以供電之電源32，該混合槽40為不鏽鋼槽且出口端另設有該旁路21，該管式爐50內部設有用以進行反應之反應管51，且該反應管51出口端另設有旁路21，該氣體檢測分析裝置60包括氣相層析-火焰離子偵測器61以及供配合檢測使用之氣體：氫氣鋼瓶62、氦氣鋼瓶63及空氣鋼瓶64。

於本發明實施例中，本發明金屬觸媒於處理丙酮之應用，係以該丙酮鋼瓶11作為污染物來源，配合該空氣鋼瓶12作為稀釋氣體，經輸送管20流入質量流量控制閥30調整流量進入混合槽40混合，以模擬實場產生之廢氣。前述疏水性沸石或金屬觸媒透過置於該反應管51中進行反應，該反應管51可以是玻璃吸附管用以放置疏水性沸石進行反應，或者，該反應管51可以是石英觸媒反應管用以放置負載非貴金屬觸媒進行反應，且該玻璃吸附管或是石英觸媒反應管頭尾兩端使用活塞和管線相連形成密閉容器後再放置於該管式爐50（用於調整反應時溫度）中；最後，以氣相層析儀-火焰離子偵測器(Gas Chromatography Flame Ionization Detector, GC-FID)，每五分鐘一次，分析處理前之入口濃度及處理後之出口濃度，並將測得數據資料傳輸至該計算機裝置70進行儲存和進一步分析使用。

以上說明本發明金屬觸媒及其製法和用於處理丙酮之應用方法，以下請配合參閱圖2A至圖13，結合實施例1至14說明本發明製得之金屬觸媒之材料特性分析結果，以及本發明製得之金屬觸媒用於處理丙酮之吸附能力測試結果。

實施例1：掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）分析結果。

如圖2A、圖2B、圖2C及圖2D，顯示本發明利用SEM按圖號依序觀察本發明製得之USY沸石、10-Fe-USY、10-Mn-USY及10-Fe1Mn1-USY等材料的外觀形狀。其中，圖2A顯示USY沸石為不規則四邊形顆粒且表面光滑，圖2B、圖2C、圖2D的觸媒材料則顯得表面粗糙且存在細小微粒，該微粒即為含鐵物質或是含錳物質，形成金屬觸媒的活性位點，由此，證明本發明成功地製備出負載鐵、錳或其組合之疏水性沸石觸媒。

實施例2：氮氣等溫吸附/脫附儀（N ₂adsorption/ desorption isotherm）分析結果。

本發明利用氮氣等溫吸附脫附儀分析材料之比表面積、孔徑和孔體積，分析結果如表1至表4所示，被分析材料包括對照組之活性碳（Activated Carbon, AC）以及本發明製得之疏水性沸石和金屬觸媒。其中，該疏水性沸石包括：NaY沸石、HY沸石、USY沸石、ZSM-5沸石；該金屬觸媒包括：負載鐵金屬之觸媒（2.5-Fe-USY、5.0-Fe-USY、10-Fe-USY、15-Fe-USY、10-Fe-HY、10-Fe-NaY、10-Fe-ZSM-5）、負載錳金屬之觸媒（2.5-Mn-USY、5.0-Mn-USY、10-Mn-USY、15-Mn-USY）以及負載鐵錳金屬之觸媒（10-Fe1Mn4-USY、10-Fe1Mn2-USY、10-Fe1Mn1-USY、10-Fe2Mn1-USY、10-Fe4Mn1-USY）。

如表1所示之疏水性沸石材料與活性碳（AC）之比表面積與孔洞分佈分析結果。由表1可知，比表面積最大的材料為活性碳（AC），其次為HY沸石，最小為ZSM-5沸石；孔徑最大的材料為NaY沸石，其次為USY沸石，最小為活性碳（AC）。

[表1]

樣品	比表面積 (m 2g -1)	孔體積 (cm 3g -1)	孔徑 (nm)
活性碳	1551	0.71	1.83
NaY沸石	624	0.44	2.55
HY沸石	721	0.34	1.87
USY沸石	709	0.41	2.41
ZSM-5沸石	415	0.22	2.08

如表2所示之負載鐵金屬之疏水性沸石觸媒材料之比比表面積與孔洞分佈分析結果。由表2可知，疏水性沸石經負載鐵金屬元素後，皆使比表面積下降；分析結果顯示經鐵金屬元素修飾觸媒，當其鐵含量增加，會造成比表面積與孔體積的減少；但孔徑大小以Fe含量為10%時，孔徑最大，當Fe含量為15%時，因孔洞阻塞過多Fe金屬，導致孔徑變小。於本實施例中，以鐵含量A為控制變因，以疏水性沸石種類為控制變因時，負載鐵於USY沸石構成之觸媒具有最大比面積，故以USY沸石作為控制變因，並以鐵含量A作為操作變因進行測試，可知2.5-Fe-USY具有最大的比表面積。

[表2]：

樣品 （A-Fe-沸石種類）	比表面積 (m 2g -1)	孔體積 (cm 3g -1)	孔徑 (nm)
10-Fe-HY	368	0.27	2.32
10-Fe-NaY	321	0.38	3.01
10-Fe-ZSM-5	207	0.18	2.86
10-Fe-USY	398	0.30	2.98
2.5-Fe-USY	482	0.36	2.45
5.0-Fe-USY	424	0.32	2.67
15-Fe-USY	368	0.20	2.58

如表3所示之負載錳金屬之疏水性沸石觸媒材料之比表面積與孔洞分佈分析結果；承表2分析結果，表3以負載錳金屬之USY沸石為控制變因，以錳含量B為操作變因探討比表面積與孔洞分佈分析結果。由表3可知，以USY沸石為控制變因製得之負載錳金屬觸媒，其錳含量B增加會造成比表面積與孔體積的減少；但孔徑大小以10-Mn-USY孔徑最大，且15-Mn-USY因孔洞阻塞過多錳金屬，導致孔徑變小。

[表3]：

樣品 （B-Mn-USY沸石）	比表面積 (m 2g -1)	孔體積 (cm 3g -1)	孔徑 (nm)
2.5- Mn-USY	510	0.37	2.54
5.0-Mn-USY	457	0.34	2.72
10-Mn-USY	422	0.32	2.85
15- Mn-USY	389	0.28	2.63

如表4所示之負載鐵錳金屬之疏水性沸石觸媒材料之比表面積與孔洞分佈分析結果；承表2分析結果，表4以負載鐵錳金屬之USY沸石為控制變因，以鐵錳含量總合C為操作變因探討比表面積與孔洞分佈分析結果。由表4可知，x/y為1時，金屬觸媒的比表面積、孔體積與孔徑具有最大值，其係由於雙金屬觸媒的金屬分散性較佳。

[表4]：

樣品 （C-Fe xMn y-USY沸石）	比表面積 (m 2g -1)	孔體積 (cm 3g -1)	孔徑 (nm)
10-Fe 4Mn 1-USY	390	0.34	2.50
10-Fe 2Mn 1-USY	420	0.40	2.79
10-Fe 1Mn 1-USY	444	0.46	2.95
10-Fe 1Mn 2-USY	435	0.43	2.88
10-Fe 1Mn 4-USY	411	0.37	2.59

實施例3：氫氣程序升溫還原儀（Hydrogen Temperature Programmed Reduction, H ₂-TPR）分析結果。

本發明利用氫氣程序升溫還原儀分析負載鐵、錳或其組合之金屬觸媒之氧化還原性能；承表1至表4之分析結果，本實施例3以USY沸石以及前趨物水溶液中金屬含量為控制變因，以負載金屬種類為操作變因探討本發明金屬觸媒之氧化還原性能。

分析結果如圖3所示，10-Fe-USY出現兩個還原峰，第一個於溫度384℃產生峰屬於Fe ₂O ₃還原為Fe ₃O ₄，第二個於溫度496℃產生峰為屬於Fe ₃O ₄還原為FeO。10-Mn-USY出現兩個還原峰，第一個於溫度354℃產生峰屬於MnO ₂還原為Mn ₂O ₃，第二個於溫度459℃產生峰屬於Mn ₂O ₃還原為Mn ₃O ₄。含雙金屬觸媒10-Fe ₁Mn ₁-USY則出現四個還原峰，第一個於溫度303℃產生峰為MnO ₂還原為Mn ₂O ₃，第二個於溫度320℃產生峰屬於Fe ₂O ₃還原為Fe ₃O ₄，第三個於溫度442℃產生峰屬於Mn ₂O ₃還原為Mn ₃O ₄，第四個於溫度484℃產生峰屬於Fe ₃O ₄還原為FeO。前述結果主要原因為Fe和Mn元素之間相互作用，致使含鐵錳觸媒提升氧化還原性能，並且降低還原溫度。由上可知，使用負載鐵錳金屬之觸媒能於低溫處理丙酮氣體以及提高轉化效率。

實施例4：不同沸石種類對丙酮吸附能力之影響分析。

本發明利用如圖1所示之系統進行丙酮吸附性能測試，測試結果如圖4、圖5所示。本發明在含有水氣條件下對丙酮吸附能力評估，對活性碳（AC）、ZSM-5沸石、NaY沸石、HY沸石以及USY沸石等吸附材料進行比較；測試條件包括：吸附溫度為298 K、相對溼度為50%、停留時間為0.18 sec以及進流濃度為800 ppm。從圖4與圖5可知活性碳（AC）、ZSM-5沸石、NaY沸石、HY沸石以及USY沸石的貫穿時間分別為30、35、40、45以及50分鐘，飽和時間分別為75、95、110、160與175分鐘，吸附能力分別為53.6、84.3、95.0、119與133 mgg ^-1。由上述結果可知活性碳（AC）雖然具有高比表面積（1551 m ²g ^-1），然而AC與水的親和力高於與丙酮的親和力，從而導致AC較早吸附貫穿達到飽和以且吸附能力較低；USY沸石由於具有較高Si/Al比（Si/Al = 10.7）與較大接觸角度（θ _c= 130 ^o），具有良好的材料疏水性，因此USY沸石較晚吸附貫穿達到飽和以及吸附能力較好。

實施例5：濕度條件對疏水性沸石吸附丙酮能力之影響分析。

本發明利用如圖1所示之系統測試評估USY沸石在有無水氣下對丙酮的吸附能力，測試結果如圖6、圖7所示。本發明在吸附溫度為298 K、停留時間為0.18 sec以及進流丙酮濃度為800ppm條件下，進行進流氣體乾燥（RH= 5%）)以及潮濕（RH = 50%）對丙酮吸附測試比較。從圖6、圖7結果顯示，在進流氣體為乾燥時貫穿時間為55分鐘，飽和時間為180分鐘，吸附能力為146 mg g ^-1，在進流氣體為潮濕時貫穿時間為50分鐘，飽和時間為175分鐘，吸附能力為133 mg g ^-1，潮溼狀態較乾燥狀態下吸附能力減少約9.1%。顯然，沸石受到水氣少量的影響，導致於有水氣的狀態下影響其吸附效果。由此可知，沸石雖具備疏水性的特質，但水氣會在沸石吸附污染物過程中產生競爭性吸附，進而影響沸石吸附的能力。

實施例6：不同丙酮進流濃度對疏水性沸石吸附丙酮能力之影響

本發明利用如圖1所示之系統測試評估USY沸石在有無水氣下對丙酮的吸附能力，測試結果如圖8、圖9所示。本發明在吸附溫度為298 K以及停留時間為0.18 sec條件下，進行四種丙酮進流濃度為400、600、800與1000 ppm之吸附測試。從圖8、圖9可知隨著進流濃度增加，吸附貫穿時間與吸附飽和時間皆縮短。當濃度分別為400、600、800與1000 ppm時，貫穿時間分別為120、80、55與35分鐘，飽和時間分別為220、195、180與155分鐘，吸附能力分別為116、134、146與157 mg g ^-1。由上述中結果可以得知當丙酮進流濃度越高時，材料吸附能力會越好，但貫穿時間與飽和時間越短，主要原因是隨著丙酮進流濃度提高，氣流中可被材料吸附分子數目增加，增加材料與丙酮分子接觸機會，容易使吸附材料較早達到飽和，故材料吸附能力越高而吸附貫穿時間與飽和時間縮短。

實施例7：疏水性沸石再生測試。

本發明將已吸附飽和之USY沸石於高溫下進行473 K脫附再生，並利用如圖1所示之系統測試評估新鮮及脫附再生之USY沸石對丙酮的吸附能力，測試結果如圖10、圖11所示。本發明在吸附溫度為298 K、停留時間為0.18 sec以及進流濃度為800 ppm條件下，將新鮮與三次脫附再生後的USY沸石吸附材料之吸附能力比較。測試結果如圖10以及圖11所示，新鮮的吸附材料之吸附能力為146 mg g ^-1，第一次、第二次與第三次脫附再生後材料之吸附能力分別為123、110與108 mg g ^-1，經過三次脫附再生後的USY沸石之吸附能力約下降27.1%，由此可知USY沸石的吸附行為屬於可逆反應物理性吸附行為，並屬於可再生之吸附材料。其中，USY沸石吸附能力減少原因為加熱脫附過程中，因材料外表加熱導致材料損失，進而失去吸附位點。

實施例8：不同沸石總類之含鐵觸媒對丙酮轉化效率之影響分析。

本發明利用如圖1所示之系統進行丙酮吸附性能測試，測試結果如圖12、表5、表6所示。本發明在丙酮進流濃度400 ppm、空間速度為20,000 h ^-1以及處理溫度為373-623K條件下，利用不同載體含鐵觸媒10-Fe-USY、10-Fe-HY、10-Fe-NY以及10-Fe-ZMS-5進行觸媒性能測試。從圖12、表5可得知不同載體含鐵觸媒對丙酮處理能力依序為10-Fe-USY ＞ 10-Fe-HY ＞ 10-Fe-NaY ＞ 10-Fe-ZMS-5。主要因為10-Fe-USY具有較大比表面積（398 m ²g ^-1）與熱穩定性佳，導致10-Fe-USY觸媒具有最佳對丙酮處理能力，於溫度523K下對丙酮處理效率可達90.1 %。各種載體含鐵觸媒（10-Fe-USY、10-Fe-HY、10-Fe-NY及10-Fe-ZMS-5）對丙酮轉化能力之T ₁₀、T ₅₀與T ₉₀，如表6所示。

[表5]

樣品	溫度 (K)
373	423	473	523	573	623
10-Fe-USY	2.8 %	32.6 %	72.1 %	90.1 %	97.5 %	99.1 %
10-Fe-HY	2.0 %	26.1 %	64.2 %	84.1 %	93.1 %	98.4 %
10-Fe-Na Y	1.2 %	20.1 %	52.0 %	68.1 %	88.3 %	97.1 %
10-Fe-ZSM-5	0.5 %	12.8 %	31.1 %	48.2 %	76.2 %	90.2 %

[表6]

樣品	轉化溫度 (K)
T 10	T 50	T 90
10-Fe-USY	386	446	523
10-Fe-HY	389	451	539
10-Fe-NaY	397	469	582
10-Fe-ZSM	411	532	623

實施例9：相同沸石材料不同含鐵量之金屬觸媒對丙酮轉化效率之影響分析。

本發明利用如圖1所示之系統進行丙酮吸附性能測試，測試結果如圖13、表7、表8所示。本發明在丙酮進流濃度400 ppm、空間速度為20,000 h ^-1以及處理溫度為373-623K條件下，利用不同鐵含量A觸媒（A-Fe-USY，A = 2.5、5.0、10和15）進行觸媒性能測試。從圖13與表7可得知觸媒對丙酮處理能力依序為10-Fe-USY ＞ 5.0-Fe-USY ＞15-Fe-USY ＞ 2.5-Fe-USY。由上可知，觸媒鐵含量A增加，活化區增加，導致對丙酮反應提升，因而增加轉化效率。當鐵含量A增加至15%時，轉化率會下降，主要原因為過量鐵會發生團聚(cluster)現象，並使金屬顆粒於材料表面聚集，造成活性位置減少，因而不利於丙酮的去除，且造成材料的比表面積下降，因此當金屬含量增加效率卻下降。各種不同含量鐵觸媒（A-Fe-USY，A = 2.5、5.0、10和15）對丙酮轉化能力之T ₁₀、T ₅₀與T ₉₀，如表8所示。本實施例測試結果係於400 ppm丙酮與空間速度為20,000 h ^-1對丙酮催化反應所需處理溫度(T ₉₀)為523K。

[表7]

樣品	溫度 (K)
373	423	473	523	573	623
2.5-Fe-USY	0.4 %	15.2 %	49.1 %	65.1 %	80.2 %	92.2 %
5.0-Fe-USY	0.6 %	25.1 %	66.4 %	83.5%	94.2 %	98.6 %
10-Fe-USY	2.8 %	32.6 %	72.1 %	90.1 %	97.5 %	99.1 %
15-Fe-USY	0.5 %	20.1 %	60.5 %	75.2 %	90.4 %	98.5 %

[表8]

樣品	轉化溫度 (K)
T 10	T 50	T 90
2.5-Fe-USY	405	479	612
5.0-Fe-USY	386	453	552
10-Fe-USY	386	446	523
15-Fe-USY	391	461	572

實施例10：相同沸石材料不同含錳量之金屬觸媒對丙酮轉化效率之影響分析。

本發明利用如圖1所示之系統進行丙酮吸附性能測試，測試結果如圖14、表9、表10所示。本發明在丙酮進流濃度400 ppm、空間速度為20,000 h ^-1以及處理溫度為373-623K條件下，利用不同錳含量B觸媒（B-Mn-USY，B = 2.5、5.0、10與15）進行觸媒性能測試。從圖14與表9可得知觸媒對丙酮處理能力依序為10-Mn-USY ＞ 5.0-Mn-USY ＞ 15-Mn-USY ＞ 2.5-Mn-USY。此結果與不同含量鐵觸媒相同。適當的錳金屬含量使得觸媒的活性位點較大，即使比表面積變小，處理效率亦有所提升；過少的金屬則相反，比表面積雖大，但活性位點過少，因此導致去除效率不佳。各種不同含量錳觸媒（B-Mn-USY，B = 2.5、5.0、10與15））對丙酮轉化能力之T ₁₀、T ₅₀與T ₉₀，如表10所示。

[表9]

樣品	溫度 (K)
373	423	473	523	573	623
2.5-Mn-USY	1.2 %	18.1 %	55.1 %	72.2 %	85.1 %	98.2 %
5.0-Mn-USY	2.1 %	30.1 %	69.1 %	84.8 %	95.2 %	98.6 %
10-Mn-USY	3.2 %	37.6 %	77.1 %	94.2 %	99.1 %	99.2 %
15-Mn-USY	1.7 %	24.1%	65.1 %	79.1 %	92.0 %	98.5 %

[表10]

樣品	轉化溫度 (K)
T 10	T 50	T 90
2.5-Mn-USY	399	465	591
5.0-Mn-USY	387	488	547
10-Mn-USY	383	438	510
15-Mn-USY	391	494	564

實施例11：相同沸石材料不同含鐵錳量之金屬觸媒對丙酮轉化效率之影響分析。

本發明利用如圖1所示之系統進行丙酮吸附性能測試，測試結果如圖15、表11、表12所示。本發明在丙酮進流濃度400 ppm、空間速度為20,000 h ^-1以及處理溫度為373 - 623K條件下，利用不同比例鐵錳觸媒（10-Fe _xMn _y- USY，x/y = 1/4、1/2、1/1、2/1與4/1）進行觸媒性能測試。從圖15與表11可得知觸媒對丙酮處理能力依序為10-Fe ₁Mn ₁-USY ＞ 10-Fe ₁Mn ₂-USY ＞ 10-Fe ₂Mn ₁-USY ＞ 10-Fe ₁Mn ₄-USY ＞ 10-Fe ₄Mn ₁-USY。

由於10-Fe ₁Mn ₁-USY具有較大比表面積、孔體積和孔徑尺寸（如表4所示，有助於丙酮氣體吸附至觸媒表面及擴散至孔洞內，與材料之活性位點發生氧化還原反應，導致此10-Fe ₁Mn ₁-USY觸媒具有最佳對丙酮處理能力，於溫度523K下對丙酮處理效率達98.2%，T ₉₀為500K(227℃)。

本發明負載不同比例鐵錳之觸媒（10-Fe _xMn _y-USY，x/y = 1/4、1/2、1/1、2/1與4/1）對丙酮轉化能力之T ₁₀、T ₅₀與T ₉₀，如表12所示，其中，10-Fe ₁Mn ₁-USY之T ₉₀皆低於其他比例含鐵錳觸媒。

[表11]

樣品	溫度 (K)
373	423	473	523	573	623
10-Fe 4Mn 1-USY	2.1 %	33.1 %	68.4 %	94.1 %	98.1 %	98.8 %
10-Fe 2Mn 1-USY	2.9 %	36.2 %	72.2 %	95.6 %	98.4 %	98.9 %
10-Fe 1Mn 1-USY	5.0 %	45.1 %	82.2 %	98.2 %	99.5 %	99.6 %
10-Fe 1Mn 2-USY	4.1 %	40.4 %	76.4 %	96.1 %	98.9 %	99.0 %
10-Fe 1Mn 4-USY	2.5 %	35.1 %	70.3 %	95.1 %	98.7 %	99.0 %

[表12]

樣品	轉化溫度 (K)
T 10	T 50	T 90
10-Fe 4Mn 1-USY	385	447	515
10-Fe 2Mn 1-USY	383	441	510
10-Fe 1Mn 1-USY	379	430	500
10-Fe 1Mn 2-USY	381	436	506
10-Fe 1Mn 4-USY	384	443	511

實施例12：單金屬觸媒與雙金屬觸媒對丙酮轉化效率之影響

本發明利用如圖1所示之系統進行丙酮吸附性能測試，測試結果如圖16、表13、表14所示。本發明在丙酮進流濃度400 ppm、空間速度為20,000 h ^-1以及處理溫度為373-623K條件下，利用單金屬觸媒10-Fe-USY與10-Mn-USY以及雙金屬觸媒10-Fe ₁Mn ₁-USY進行觸媒性能測試。從圖16與表13可得知觸媒對丙酮處理能力依序為10-Fe ₁Mn ₁-USY ＞ 10-Mn-USY ＞ 10-Fe-USY。10-Fe ₁Mn ₁-USY觸媒具有最佳對丙酮處理能力。10-Fe-USY、10-Mn-USY與10-Fe ₁Mn ₁-USY對丙酮轉化能力之T ₁₀、T ₅₀與T ₉₀，如表14所示，使用10-Fe ₁Mn ₁-USY之T ₉₀(500K)略低於10-Fe-USY之T ₉₀(523K)與10-Mn-USY之T ₉₀(510K)。

[表13]

樣品	溫度 (K)
373	423	473	523	573	623
10-Fe 1Mn 1-USY	5.0 %	45.1 %	80.5 %	98.2 %	99.5 %	99.6 %
10-Mn-USY	3.2 %	37.6 %	77.1 %	94.2 %	99.1 %	99.2 %
10-Fe-USY	2.8 %	32.6 %	72.1 %	90.1 %	97.5 %	99.1 %

[表14]

樣品	轉化溫度 (K)
T 10	T 50	T 90
10-Fe1Mn1-USY	379	430	500
10-Mn-USY	383	438	510
10-Fe-USY	386	446	523

實施例13：不同丙酮進流濃度對金屬觸媒吸附丙酮轉化效率之影響分析。

本發明利用如圖1所示之系統進行丙酮吸附性能測試，測試結果如圖17、表15、表16所示。本發明使用10-Fe ₁Mn ₁-USY觸媒材料，於空間速度為20,000 h ^-1以及處理溫度為373-623K條件下，進行四種丙酮進流濃度為400、600、800與1000 ppm之觸媒性能測試。從表15與圖17可得知進流丙酮濃度愈高，則觸媒轉化率越低。10-Fe ₁Mn ₁-USY於處理溫度為523K(250℃)下，當丙酮濃度為400 ppm時，對丙酮轉化率為98.2%，而丙酮濃度增加2.5倍時(即1000 ppm)，對丙酮轉化率降為76.3%，1000ppm較400ppm轉化效率下降約22%。主要原因為大量丙酮分子會在觸媒表面反應，減少丙酮分子與觸媒活性位點接觸機會，造成丙酮反應效率的減少，且存在較多丙酮分子時轉化效率越低。不同進流濃度下觸媒對丙酮轉化能力之T ₁₀、T ₅₀與T ₉₀，如表16所示。

[表15]

進流濃度	溫度 (K)
373	423	473	523	573	623
400 ppm	5.0%	45.1%	80.5%	98.2%	99.5%	99.6%
600 ppm	3.5%	40.1%	73.2%	91.1%	95.2%	98.4%
800 ppm	2.2%	34.1%	62.1%	85.1%	93.0%	97.1%
1000 ppm	1.0%	26.1%	50.2%	76.3%	88.1%	96.4%

[表16]

進流濃度	轉化溫度 (K)
T 10	T 50	T 90
400 ppm	379	430	500
600 ppm	381	438	519
800 ppm	389	451	552
1000 ppm	394	473	583

實施例14：不同空間速度對金屬觸媒吸附丙酮轉化效率之影響分析。

本發明利用如圖1所示之系統進行丙酮吸附性能測試，測試結果如圖18、表17、表18所示。本發明使用 10-Fe ₁Mn ₁-USY，於丙酮濃度為400 ppm以及處理溫度為373-623K條件下，進行四種不同空間速度為5,000、7,500、10,000與20,000 h ^-1之觸媒性能測試。從圖18與表17可得知空間速度愈快，則觸媒對丙酮轉化率越低。不同空間速度下觸媒對丙酮轉化能力之T ₁₀、T ₅₀與T ₉₀，如表18所示。

[表17]

空間流速 GHSV (h -1)	溫度 (K)
373	423	473	523	573	623
5,000	55.1 %	90.1 %	97.1 %	98.5 %	99.6 %	99.8 %
7,500	41.1 %	78.8 %	92.1 %	98.3 %	99.5 %	99.7 %
10,000	23.1 %	60.1 %	85.0 %	98.3 %	99.5 %	99.6 %
20,000	5.0 %	45.1 %	80.5 %	98.2 %	99.5 %	99.6 %

[表18]

空間流速 GHSV (h -1)	轉化溫度 (K)
T 10	T 50	T 90
5,000	--	--	423
7,500	--	385	464
10,000	--	409	491
20,000	379	430	500

綜上所述，本發明以吸附法處理丙酮之結果顯示，USY沸石於吸附溫度為298 K、停留時間為0.18 sec以及進流丙酮濃度為800 ppm條件下，乾燥狀態（RH = 5%）較潮溼狀態（RH = 50%）下吸附能力增加約9.8 %；USY沸石對進流丙酮濃度介於400至1000 ppm之間，其吸附能力隨丙酮濃度增加而提高，約介於116至157 mg g ^-1之間，其最大吸附能力為201 mg g ^-1。本發明金屬觸媒對丙酮吸附反應屬於自發與非有序反應，亦物理與放熱吸附反應，並以內擴散機制為主要控制反應機制。再者，本發明以觸媒焚化法處理丙酮之結果顯示，10-Fe ₁Mn ₁-USY於丙酮濃度為400 ppm與空間速度為20,000 h ^-1，觸媒對丙酮轉化率為達90 %，所需處理溫度為500 K(227 ℃)。

10:污染氣體源 11:丙酮鋼瓶 12:空氣鋼瓶 20:輸送管 21:旁路 30:質量流量控制閥 31:閥體 32:電源 40:混合槽 50:管式爐 51:反應管 60:氣體檢測分析裝置 61:氣相層析-火焰離子偵測器 62:氫氣鋼瓶 63:氦氣鋼瓶 64:空氣鋼瓶 70:計算機裝置

圖1是本發明金屬觸媒於處理丙酮之應用系統架構示意圖。 圖2A是本發明製得之USY沸石之SEM圖。 圖2B是本發明製得之10-Fe-USY金屬觸媒之SEM圖。 圖2C是本發明製得之10-Mn-USY金屬觸媒之SEM圖。 圖2D是本發明製得之10-Fe1Mn1-USY金屬觸媒之SEM圖。 圖3是本發明透過H ₂-TPR對10-Fe-USY、10-Mn-USY與10-Fe ₁Mn ₁-USY進行分析之結果曲線圖。 圖4是本發明以不同材料（活性碳（AC）、ZSM-5沸石、NaY沸石、HY沸石、USY沸石）對丙酮吸附貫穿之曲線圖。 圖5是本發明以不同材料（活性碳（AC）、ZSM-5沸石、NaY沸石、HY沸石、USY沸石）處理丙酮之吸附能力之比較圖。 圖6是本發明製得之USY沸石在乾燥（RH=5%）或潮濕（RH=50%）條件下對丙酮吸附貫穿之曲線圖。 圖7是本發明製得之USY沸石在乾燥（RH=5%）或潮濕（RH=50%）條件下對丙酮吸附能力之比較圖。 圖8是本發明製得之USY沸石以不同進流濃度（400ppm、600 ppm、800 ppm、1000 ppm）對丙酮吸附貫穿之曲線圖。 圖9是本發明製得之USY沸石以不同進流濃度（400ppm、600 ppm、800 ppm、1000 ppm）對丙酮吸附能力之比較圖。 圖10是本發明製得之USY沸石在新鮮與吸附脫附後的材料對丙酮吸附貫穿之曲線圖。 圖11是本發明製得之USY沸石在新鮮與吸附脫附後的材料對丙酮吸附能力之比較圖。 圖12是本發明製得之不同含鐵觸媒（10-Fe-USY、10-Fe-HY、10-Fe-NaY、10-Fe-ZSM-5）對丙酮處理之效率圖。 圖13是本發明製得之不同含量鐵觸媒（2.5-Fe-USY、5.0-Fe-USY、10-Fe-USY、15-Fe-USY）對丙酮處理之效率圖。 圖14是本發明製得之不同含量錳觸媒（2.5-Mn-USY、5.0-Mn-USY、10-Mn-USY、15-Mn-USY）對丙酮處理之效率圖。 圖15是本發明製得之不同含量鐵錳觸媒（10-Fe ₄Mn ₁-USY、10-Fe ₂Mn ₁-USY、10-Fe ₁Mn ₁-USY、10-Fe ₁Mn ₂-USY、10-Fe ₁Mn ₄-USY）對丙酮處理效率圖。 圖16是本發明製得之單金屬觸媒（10-Mn-USY、10-Fe-USY）與雙金屬觸媒（10-Fe ₁Mn ₁-USY）對丙酮處理之效率圖。 圖17是本發明製得之10-Fe ₁Mn ₁-USY金屬觸媒以不同進流濃度對觸媒處理丙酮效率之影響圖。 圖18是本發明製得之10-Fe ₁Mn ₁-USY金屬觸媒在不同空間速度對觸媒處理丙酮效率之影響圖。

Claims (10)

1. 一種金屬觸媒，包括：疏水性沸石，係沸石粉末與疏水性黏著劑混合製粒構成之觸媒載體，該沸石粉末係選自NaY沸石、HY沸石、USY沸石或ZSM-5沸石之其中一種，該疏水性黏著劑係水玻璃黏著劑；其中，以沸石粉末及疏水性黏著劑之材料總重量計算，沸石粉末佔40wt%至70wt%，疏水性黏著劑佔30wt%至60wt%；金屬元素，係該疏水性沸石浸潤於包含該金屬元素之前趨物水溶液中而負載於該觸媒載體上；該前趨物水溶液係選自硝酸鐵水溶液、硝酸錳水溶液或其組合之水溶液，該金屬元素為鐵、錳或其組合。
2. 如請求項第1項所述之金屬觸媒，其中，該金屬觸媒負載的金屬元素為鐵，該前趨物水溶液為硝酸鐵(Fe(NO₃)₃．9H₂O)水溶液，且該硝酸鐵水溶液中的鐵含量為大於0wt%小於等於15wt%。
3. 如請求項第1項所述之金屬觸媒，其中，該金屬觸媒負載的金屬元素為錳，該前趨物水溶液為硝酸錳(Mn(NO₃)₂)水溶液，且該硝酸錳水溶液中的錳含量為大於0wt%小於等於15wt%。
4. 如請求項第1項所述之金屬觸媒，其中，該金屬觸媒負載的金屬元素為鐵和錳之組合，該前趨物水溶液為包括硝酸鐵(Fe(NO₃)₃．9H₂O)和硝酸錳(Mn(NO₃)₂)之水溶液，且該前趨物水溶液中的鐵錳含量總合為大於0wt%小於等於15wt%，該前趨物水溶液中的鐵含量和錳含量之重量比值為0.25至4。
5. 一種如請求項1至4中任一項所述之金屬觸媒之製法，其中，該製法的步驟包括： 疏水性沸石製備步驟：將選自NaY沸石、HY沸石、USY沸石或ZSM-5沸石之其中一種沸石之粉末與疏水性黏著劑混合後造粒，製得疏水性沸石載體；負載金屬步驟：將該疏水性沸石載體浸入前趨物水溶液中，經超音波震盪後，過濾液體並將取得之固形份烘乾；其中，前趨物水溶液係選自硝酸鐵水溶液、硝酸錳水溶液或包括硝酸鐵和硝酸錳之水溶液中的一種；鍛燒步驟：使用高溫爐在550℃之溫度下鍛燒乾燥後的固形份，令該固形份經鍛燒後冷卻至室溫，製得負戴有鐵、錳或及組合之疏水性金屬觸媒。
6. 如請求項第5項所述之金屬觸媒之製法，其中，該負載金屬步驟中，該前趨物水溶液為硝酸鐵(Fe(NO₃)₃．9H₂O)水溶液，且該硝酸鐵水溶液中的鐵含量為大於0wt%小於等於15wt%，製得負載有鐵之疏水性金屬觸媒。
7. 如請求項第5項所述之金屬觸媒之製法，其中，該負載金屬步驟中，該前趨物水溶液為硝酸錳(Mn(NO₃)₂)水溶液，且該硝酸錳水溶液中的錳含量為大於0wt%小於等於15wt%，製得負載有錳之疏水性金屬觸媒。
8. 如請求項第5項所述之金屬觸媒之製法，其中，該負載金屬步驟中，該前趨物水溶液為包括硝酸鐵(Fe(NO₃)₃．9H₂O)和硝酸錳(Mn(NO₃)₂)之水溶液，且該前趨物水溶液中的鐵錳含量總合為大於0wt%小於等於15wt%，該前趨物水溶液中的鐵含量和錳含量之重量比值為0.25至4。
9. 一種如請求項第1至4項中任一項所述之金屬觸媒於處理丙酮之應用。
10. 如請求項第9項所述之應用，其中該金屬觸媒係於370K至630K之溫度範圍內以低溫觸媒處理法使丙酮轉化為二氧化碳及水。

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