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仿生表面結構及活化生質碳材之導入對聚苯胺應用在硫化氫氣體感測元件之性能提升的探討

為了解決petroleum coke中文的問題，作者洪羽函 這樣論述：

本論文之研究主軸，是以導電高分子「聚苯胺」為主要基材，透過兩種方式: (1) 改變聚苯胺表面型態及 (2) 添加活化生質碳材於聚苯胺中，來研究此兩種方式對此材料於應用氣體感測元件效能之提升成效。論文的第一部份研究之核心精神以結合「仿生」的概念為主，透過聚二甲基矽氧烷 (PDMS) 之軟模板轉印技術，複製了天然的千年芋葉片的表面微結構，製備出具備葉面微奈米複合「乳凸」結構之聚苯胺薄膜，預期可提升原本聚苯胺塗層之表面積，之後並將其塗覆於「指叉式電極」的表面，來研究「仿生結構的導入」是否能有效改善聚苯胺之氣體感測元件效能。 第二部分研究之核心精神以導入「活化生質碳材」為主，透過使用廢棄之椰子殼材

料進行高溫碳化及活化處理後，製備出高比表面積之活化碳材並適量添加於聚苯胺中，來研究「活化生質碳材的導入」是否能有效改善聚苯胺之氣體感測元件效能。 在材料合成方面，本研究論文以過硫酸銨為氧化劑，對苯胺單體進行「原位氧化聚合法」來合成聚苯胺，並以1H-NMR光譜, FT-IR光譜及GPC進行聚苯胺之結構鑑定，並以循環伏安儀(CV)及紫外可見(UV-VIS)光譜儀進行材料性質之鑑定，確認所合成聚苯胺具有「可逆氧化還原」及「可逆摻雜」的物理性質。 另一方面，選擇利用「轉印千年芋葉片」及「添加活化生質碳材」兩種方式來提升聚苯胺在氣體感測元件上的應用。「千年芋之仿生結構的導入」(第一部分): 透過P

DMS軟模板轉印技術，將「天然」千年芋葉片的表面結構進行轉印，藉此得到「人造」具仿生結構之聚苯胺薄膜，並利用掃描式電子式顯微鏡 (SEM) 及水滴接觸角 (WCA) 進行「表面微結構型態」及「表面親疏水性質」的觀察。 在性質鑑定方面，利用CV及UV-VIS光譜檢測具仿生結構之聚苯胺薄膜，確保「千年芋之仿生結構的導入」可有效提升聚苯胺之「可逆氧化還原」及「可逆摻雜」性質。「活化生質碳材的導入」(第二部分): 首先將廢棄之椰子殼進行高溫碳化得到椰子殼碳粉(CC)，然後透過化學活化法，利用ZnCl2對CC進行活化，得到活化的碳材(AC)。 所製備之CC 及AC利用BET檢測碳材之孔洞大小及表面積，

利用Raman光譜進行碳材之結構鑑定，利用SEM進行碳材之表面型態觀察。 後續將適量的CC及AC添加入聚苯胺，之後利用CV及UV-VIS光譜進行聚苯胺複合塗料之「可逆氧化還原」及「可逆摻雜」性質的檢測。 確保「活化生質碳材的導入」可有效提升聚苯胺之「可逆氧化還原」及「可逆摻雜」性質。第一部分所合成之材料以等面積的方式黏附於鍍有ITO指叉式電極（inter-digitated electrode, IDE）的表面上，膜厚度約為 28 µm, 做為後續氣體感測元件樣品。 第二部分之樣品將其溶於NMP溶劑中，經過旋轉塗佈機將其塗佈於ITO-IDE表面上，膜厚度約為 100 nm, 接著在所建構的

硫化氫氣體感測系統中進行氣體感測元件的量測。 本研究論文中氣體感測的基本測試項目有如下四項：（a）靈敏度（Sensitivity）; （b）氣體選擇性（Selectivity）; （c）穩定性（Stability）及（d）重複性（Repeatability）。 在室溫下，藉由在不同環境相對濕度下(60 %RH 與80 %RH) 之氣體進行量測比較。 由研究的結果明白地顯示: 千年芋仿生結構的導入，可增強聚苯胺之氣體感測靈敏度~ 200%。 此外，3wt-%的AC導入聚苯胺中，可增強聚苯胺之氣體感測靈敏度~ 300%。 綜而言之，本研究所研究的兩種方式: (1) 「千年芋仿生結構的導入」

及 (2)「活化生質碳材的導入」皆能有效大幅改善聚苯胺之氣體感測元件的執行效能。

以超重力程序去除多種空氣污染物之模式與評估之研究

為了解決petroleum coke中文的問題，作者陳則綸 這樣論述：

目前發展同步去除多種空氣污染物之新穎技術實為研究發展的新趨勢，且必須同時考量其能源效率、經濟可行性以及可能的環境衝擊；超重力技術是由傳統填充塔改良為旋轉式填充床，進一步減少能源消耗、提升氣液質傳效率，可作為同步去除多種空氣污染物以及二氧化碳礦化與再利用之創新技術。本研究主要探討以超重力技術進行多種空氣污染物去除，以及都市焚化爐飛灰進行二氧化碳礦化之效能、質傳與動力學模式，以及環境衝擊與經濟成本評估等研究；本研究目前各研究目標之工作項目與重點成果，簡述如下：(1) 評估超重力技術同步淨化多種空氣污染物之績效：本研究於國內重點產業建立整合式超重力技術空污防制技術示範，探討煙道尾氣之多種空氣污染物

（包含：硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳與懸浮微粒）去除績效評估，使用含高濃度鈣離子與高pH之飛灰水洗液作為吸收劑，臭氧作為氧化劑，評估不同操作參數之影響（包含：超重力因子，液固比與氣液比），實驗結果發現，SO2、NOx與PM之最高去除率分別為96.3±2.1%、99.4 ± 0.3%、95.9 ± 2.1%與83.4 ± 2.6%。此外，反應後吸收劑可回收高純度碳酸鈣，其平均孔隙直徑、BET比表面積以及孔隙體積分別為7.76 µm、2.796 ± 0.096 m2 g-1與0.8377 cm3 g-1，品質可與一般工業用碳酸鈣產品相比。另外藉由圖像法整合不同實驗數據平衡系統能耗與空污減量之關聯性

。此外，本研究引用半理論模式與水滴-液膜之懸浮微粒蒐集模式分析懸浮微粒於超重力旋轉填充床內的去除機制，了解水滴、液膜以及填充材對於懸浮微粒去除效率之影響。(2) 建立超重力系統中對於多種空氣污染物去除之質傳模式本研究基於雙模理論分析超重力旋轉填充床中NOx-SO2-CO2 氣液質傳行為，基於理論模型與實驗數據，計算各項污染物的氣項質傳係數(KGa)、液項質傳係數(kL) 、以及單位質傳高度(HTU)，並推估由化學反應貢獻於去除績效的增進因子(E)，同時評估不同操作條件下各別污染物的單位能耗，最後整合模式分析、實驗數據與能耗分析結果，推測三種污染物在同一系統中的各別增進因子；研究結果表明，SO2

之KGa 遠高於CO2與NOx之KGa，在高鹼度與高鈣離子濃度的吸收劑作用下，且超重力因子較低的情況下，CO2與NOx的吸收貢獻主要來自於化學反應（即增進因子E），隨著超重力因子提升，質傳係數會被提升並抵銷化學反應的貢獻度且HTU也會下降，；此外，本研究分析單位污染物去除能耗，其中各別污染物最佳能耗為0.103 kWh/t-NOx、0.047 kWh/t-SO2以及134.62 kWh/CO2，可對應出NOx、SO2與CO2的KGa分別為1.25 1/s、1.08 1/s與1.7 1/s，其操作條件為超重力因子233.8、氣液比69.5以及，最後以圖解法得到NOx、SO2與CO2的增進因子為1

.8、5.9與1.6，可進一步說明本研究SO2去除是來自於化學吸收而非受高質傳作用。(3) 評估超重力技術結合二氧化碳礦化對於都市焚化飛灰穩定化效果利用實驗室規模超重力旋轉填充床進行都市焚化飛灰穩定化，結合碳酸化以及水洗程序，探討不同液固比與超重力因子對於飛灰礦化與可溶性氯鹽脫除之效果，結果發現氯鹽萃取率隨著液固比減少而有些微提升，最高氯鹽萃取率為36.35 %，CO2礦化則隨著超重力因子提升而上升，最大單位補碳量為258.5 g-CO2/kg-FA；XRD與SEM結果表明，反應前MSWI-FA主要成分為 KCl、CaClOH、CaSO4與NaCl，經過水洗與碳酸化處理可將反應後飛灰轉化為Ca

CO3沉澱，且飛灰經碳酸化與水洗後可去除84%的總氯鹽含量；此外，透過能耗與水耗分析發現，當液固比為30時，可獲得最佳的單位補碳與脫氯之能耗0.11 kWh/kg-CO2與1.08 kWh/g-Cl，以及脫氯耗水量1.13 L/g-Cl。(4) 建立二氧化碳礦化與飛灰中鈣離子溶出行為之反應動力式本研究分析以超重力旋轉填充床進行MSWI-FA 泥漿的碳酸化與鈣離子濃度於常溫常壓下之反應動力式，使用表面覆蓋模式預測碳酸鈣轉換率"δ" _"Ca" 與反應常數ks，使用史崔特-費普士方程式 (Streeter-Phelps formula) 描述碳酸化期間鈣離子溶出與沉澱行為的反應動力，探討不同液固比

與超重力因子對於反應常數之影響，並比較文獻中不同與鹼性廢棄物（如精煉渣、轉爐石、副產石灰、粉煤灰以及焚化飛灰）之動力學反應變化；研究結果發現，"δ" _"Ca" 與ks會隨著超重力因子提升而增加，表示飛灰顆粒可被反應物覆蓋之表面會逐漸減少，當液固比降低時，kp會有些微的上升，且MSWI-FA之kp高於其他廢棄物，說明MSWI-FA有著較多的表面覆蓋率；此外，本研究使用史崔特-費普士方程式描述碳酸化期間，鈣離子溶出與沉澱為競爭行為，當反應剛開始時，因超重力場可提升加速碳酸化反應，使鈣離子濃度會急速消耗，此時沉澱反應常數kd會大於溶出反應常數ka，當pH值降至中性時，此時水中碳酸離子為優勢種，進而

降低碳酸鈣沉澱反應，並導致鈣離子濃度再度上升。(5) 從工程面、環境面與經濟面建立系統最佳化與最適化操作情境本研究依據超重力對於多種空氣污染物去除以及焚化飛灰穩定化成果，結合技術經濟評估(TEA)與環境衝擊評估(LCA)，同時運用決策分析工具的TOPSIS方法分析其工程面、環境面與經濟面之綜合效益，本研究以國內某焚化廠安裝超重力技術為例，設計兩種操作情境與現有的濕式洗滌塔系統（即BAU情境）進行比較，超重力系統主要可貢獻的效益包含直接與間接的碳權收益（透過鹼性廢棄物補碳）、飛灰穩定化與再利用、及純碳酸鈣產品等；結果顯示，超重力系統可提升空氣污染物的去除效益，同時可兼具飛灰再利用，可同步降低環境

衝擊與提升經濟效益，從TOPSIS的結果可提出超重力系統優先操作方案，提供未來超重力技術規模放大之參考。