旋转填充床反应器於臭氧氧化程序之应用

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1、人類與自然環境的變動，由原始時代、農業時代、進入了工業時代，由於工業進步帶動了經濟之蓬勃發展，人類已能有效利用煤、石油、天然氣等化石燃料，進行工業建設、交通運輸改善，其最終目標是提昇人類生活品質，但是也同時製造出多樣性與大量的污染物，相對地球生態環境的衝擊也相對的提高。而隨著科技產業奈米化發展與產能擴充，包括深次微米半導體、TFT-LCD、III-Vs通訊元件、奈米電子元件製造等，皆是屬於高耗能且耗資源的產業，加上國內高科技產業在地域分佈上都屬園區型密集發展型態，造成工業區各項污染情形備受重視。除此之外高科技產業(

2、如光電面板產業)亦十分依賴水資源的使用，然而在台灣水資源有限的情形下，限水、缺水實是高科技產業工廠營運之一大壓力，因此除了推動節約用水之相關策略外，製程廢水之處理及再利用亦為有效的因應方式。現金國內的水質處理大多利用沈澱過濾、化學混凝、生物消化等程序，雖然能將水質控制在一定程度，不過當許多具毒性或危害性的低濃度有機污染物卻非一般處理程序所能解決。而隨著污染物處理技術之演進，已從過去吸附、置換等相轉移(Phasetransfer)之應用程序，逐漸走向如高級氧化程序等以破壞(Destruction)污染物為主的方向發展

3、。高級氧化程序包含臭氧(O3)、臭氧/紫外線(O3/UV)、臭氧/過氧化氫(O3/H2O2)、紫外線/過氧化氫(UV/H2O2)、紫外線/二氧化鈦(UV/TiO2)等，其定義可歸納為：能氧化產生氫氧自由基等高活性中間產物，用以破壞污染物或中間產物之程序。該程序在適當操作條件下能快速進行水中低濃度高污染等物質之去除，並經過一連串反應將污染物礦化成二氧化碳和水，該程序對於中低濃度有機物具相當良好去除效率，故在廢水處理技術中逐漸受重視。綜觀各項高級氧化技術，由於臭氧具有高氧化性及高反應速率等特性，使臭氧程序廣泛應用於廢

4、水處理上，然而由於受限於臭氧於液相溶液中低溶解度與溶解速率的障礙，使得臭氧利用率偏低，造成實際運用上成本的限制，導致臭氧相關商品在工業製程上難以擴展其應用領域。本報告將介紹以高重力環境提提升臭氧在水中的溶解度之程序，並簡介本研究團隊近年來對臭氧處理氣、液相污染物之成果。高重力填充床反應器進行臭氧程序臭氧具有共振結構的分子特徵，氣態時臭氧的密度約為氧氣的1.5倍，而液態臭氧的比重則約為空氣的1.6倍。臭氧為化性不穩定的無色毒氣，具有刺激性氣味，連續曝露之限值為0.1mg/l，其分子的鍵長為1.28Å，鍵角為117°，

5、會形成極低的偶極矩(Dipolemoment)。臭氧對人體有刺激性，其味道類似稻草味，其本身雖不會燃燒，但與可燃物接觸後可能引起火災和爆炸，為具危害性的反應性物質，高濃度於常溫下不穩定，於高溫和撞擊情況下可能激烈分解，會與許多化學物質起激烈反應或爆炸。臭氧的氧化能力極強，其還原電位為2.07V，若經由紫外線照射或和過氧化氫結合，可產生還原電位更高的氫氧自由基，而當臭氧經由適當的反應後，亦可產生還原電位更高的氫氧自由基，與其他常見的氧化劑相比較有相當強的氧化力，較之氯(Cl2)的氧化能力高出2.06倍。廢水處理的臭氧

6、化(Ozonation)相關程序，是藉著臭氧具有強氧化力的特性，進行對污染物的氧化反應，以達到去除的效果。臭氧化程序之反應機制示意圖如圖1所示，由於臭氧的反應速率極快，當臭氧溶入水中後，臭氧與水中有機物的反應包含以下二個途徑：1.臭氧直接氧化有機物的直接臭氧化反應(Directozonation)，臭氧直接氧化的反應速率常數間差異很大，在10-7至107M-1s-1之間，因此以臭氧進行直接氧化時對反應物的選擇性相當大。通常離子態物種的反應速率常數會大於分子態物種(kM->kHM)，而含苯環或碳碳雙鍵(C=C)反應物

7、的反應速率常數也較大，因此臭氧較易對電子密度較大的反應物進行攻擊。2.臭氧在水中易受氫氧根離子(OH–)催化而形成氧化力較強之氫氧自由基(OH•)，再進行氧化反應的自由基鏈鎖反應(Radicaltypereaction)。氫氧自由基與各種反應物的反應速率較快，且其反應速率常數相差較小，在107至1010M-1s-1之間，同時氫氧自由基氧化反應物時其選擇性較低。對於不易直接被臭氧氧化的污染物，若使反應在較利於自由基生成的操作條件下，如調高水溶液的pH值、或加入過氧化氫等催化劑，都可加快污染物之去除速率。對於上述兩種反

8、應途徑，水溶液pH值扮演著相當重要的角色，水溶液在低pH值時，臭氧較不易發生自解，因此有機物的氧化主要是由臭氧直接氧化；但水溶液在高pH值時，臭氧會因被鹼催化分解而生成氫氧自由基，所以有機物此時主要是被氫氧自由基攻擊而氧化，對於不易被臭氧氧化的污染物，可以透過改變水溶液pH值，達到適合自由基反應之操作條件。圖1臭氧化程序反應機制示意圖臭氧處理程序的反應路徑，