喷雾热解实验

1、噴霧熱解實驗一、實驗目的1 瞭解噴霧熱解程序在陶瓷粉體製備上之運用。2體驗製備陶瓷粉體的過程以及學習如何檢測所得粉體性質。3觀察噴霧熱程序中氣膠變化情形，並依據起始化學原料來思考和討 論液態氣膠在程序中轉換成固態氧化物粉體所經歷的物理和化學 變化。4瞭解光觸媒材料與檢測光觸媒的光催化能力。二、實驗原理隨著時代的進步，電子產品逐漸的朝著輕量化、小體積的方向 發展，爲了得到性質更好且用途更廣之光學性、電性或磁性陶瓷材 料，具高純度、組成均勻、粒徑分佈狹窄、與分散性佳的陶瓷細微粉 體扮演著關鍵角色。爲了克服傳統固態製程的缺點及製備高品質的陶 瓷粉末，一些非傳統的陶瓷粉粒體製程陸續地被硏究發展出來 &

2、#39; 例如 檸檬酸鹽先驅物法(citrate precursor methods) '噴霧熱解法(spray pyrolysis processes)、水熱法(hydrothermal techniques)、溶膠一凝膠法 (sol-gel methods)、以及共沈澱法(co-precipitation methods)等等。這些 非傳統的製程採用液相(liquid phase)、氣相(gas phase)、或氣膠(aerosol phase)的方式來製備所需的陶瓷粉末。但這些方法大多數仍爲批式製 程(batch processes) 在工業上之應用仍有其限制、如產品品質之穩定

3、度、生產程序繁瑣等，皆造成此些化學濕式製程無法於商用製程中被 廣泛採用。因此，開發一連續式且產品均勻度高之陶瓷粉體製程，有 其必要性。本實驗將讓同學實際操作噴霧熱解程序來製備細微之氧 化鋅(zno)陶瓷粉體。氧化鋅(zno)爲一多功能且被廣泛使用之氧化物陶瓷粉體，不溶 於水但溶於酸和強鹼。它爲白色，故又稱鋅白。傳統上，它能透過燃 燒鋅或焙燒閃鋅礦(硫化鋅)取得。自然界中，氧化鋅存在於礦物紅 鋅礦。因其特有之電性與光學性質，氧化鋅之用途非常廣泛'例如可 做爲橡膠之塡充劑、白色顏料、防曬成分、電子發射體(electrons emitter)、氣體感應器(gas sensor)、變阻器(va

4、ristor)、透明導電氧化物 (transparent conducting oxide)、抗菌與防臭劑等等。另外，氧化鋅是 一種寬頻隙半導體材料(能隙約爲3.2 ev )，有望取代gan成爲紫外 光ld和led的材料或做爲光觸媒材料(photocatalyst)。噴霧熱解程序爲一連續式之陶瓷粉體合成製程。基本上，噴霧 熱解程序在製備陶瓷粉末的流程上包括了下列幾個主要步驟：(1) 將所需的反應物以溶液(solution)或懸浮液(suspension)的方式配 製；經由霧化器(atomizer)產生無數的小液珠(或稱氣膠； aerosols) ； (3)在反應器中以懸浮狀態來完成所需的物理與

5、化學變 化；及最後(4)由粒子收集器收集粒子。因在製造過程中，霧體並 沒有與反應設備直接碰觸，可避免雜質污染，所以能更有效的控 制粉未的純度；另外，其生產過程所需的變化均在個別單一的球 形微粒中完成，如此所生產之粉末不僅較易呈球狀，且可將變化 過程中可能產生的化學分離(chemical segregation)減至最低甚至 能避免其發生。光催化反應的原理是藉由紫外光或太陽光的照射'使觸媒表面的電子吸收足夠能量而脫離，而在電子脫離的位置使形成 帶正電的電洞，電洞會將附近水分子游離出的氫氧基(0h-)氧化 (即奪取其電子)，使其成爲活性極大的氫氧自由基(oh )；氫氧 自由基一旦遇上有機物

6、質，便會將電子奪回，有機物分子因鍵結 的潰散而分崩離析。一般的污染物或病源體多半是碳水化合物， 分解後大部份會變成無害的水及二氧化碳，因此可以達到除污及 滅菌的目標。一般常見的光觸媒材料有tio2、zno、sno2、zro2 等氧化物及cds、zns等硫化物。要使光觸媒分子結構中的電子由價帶(valence band)躍遷至 導帶(conduction band)，外來的光源必須供提電子足夠的能量以 跨越能隙(band gap)。光源的能量e與其波長x呈反比關係：其中h是浦朗克常數(planck constant)，c是光速。以氧化鋅 爲例，其能隙的寬度爲3.2 ev，對應的波長爲380 nm

7、 正是紫外 光波段。換言之，波長超過380 mn(即能量低於3.2 ev)的光源是 無法使氧化鋅發揮光觸媒的功能。紫外光一可見光光譜儀(uv-vis spectrometer)多用於分析水中之非金屬分子或離子化合物，早期僅利用到可見光光譜，主要 用於補足肉眼比色之精度不足問題，後來才發展到利用紫外光譜 區。近年分析理論愈加完備，更延伸到生化領域。紫外光-可見 光光譜儀主要關用來分析辨別化合物中某些特殊吸光之官能基。uv/vis之原理，乃是利用可見光及紫外光之燈管(lamp)做 爲光源，通過濾光鏡調整色調後，經聚焦後通過單色光分光稜 鏡，再經過狹縫選擇波長，使成單一且特定波長之光線，而後射入樣品

8、管屮，透過光電管將射入光線之光能轉換爲電器訊號，藉 由樣本及空白樣本間所吸收之光能量差，與標準液之能量吸收値 相比較，便可律定樣本中之待測物濃度。三實驗藥品與設備樂品：1. 硝酸鋅 zn(no3)2 6h2o設備：1.燒杯若干2.滴管若干3.藥杓若14.磁石攪拌器1個5.噴霧熱解設備1套(a)石英管1根(b)乾燥瓶1個(c)旋風分離器1個(d)樣品收集瓶2個(e)連接環2個接頭套管2個(g)小扣環2個(h)大扣環1個蠕動幫浦1台(j) 1200 °c高溫爐1台(k)噴霧熱解控制器1組鐵氟龍墊片4個6.棉手套若干7.排煙鋁管1條&光催化反應器1套rnrnrn四、實驗步驟(_)粉

9、體製備1 組裝噴霧熱解設備。(1) 先將石英管小心的安裝在高溫爐中。(2) 將安全支撐架鬆開，一人將乾燥瓶移置適當之位置，同時另一人 將安全支撐架拉高至托住乾燥瓶後立即鎖緊，接著立刻將大扣環 扣住乾燥瓶上端鎖緊。(3) 在連接環與樣品收集瓶中間插入一片鐵氟龍墊片並鎖緊在乾燥 瓶下端。(4) 將石英管之兩端都安裝上接頭套管。(5) 將石英管之一端與乾燥瓶出口相連，小心校正高度及接觸面至完 全相貼，中間插入一片鐵氟龍墊片再用小扣環鎖住。(6) 將旋風分離器安裝在輕鋼架上，接著在連接環與樣品收集瓶中間 插入一片鐵氟龍墊片然後鎖緊在旋風分離器下端，同時旋風分離 器上端出口以排煙鋁管套住導向抽氣櫃內側。

10、(7) 將石英管另一端與旋風分離器相連，小心校正高度及接觸面至完 全相貼，中間插入一片鐵氟龍墊片再用小扣環鎖住。(8) 將冷卻水管插入靠近旋風分離器端之套管冷凝器上，並導入冷卻 水。2設定儀器參數。熱風溫度_200_°c壓縮空氣壓力_60_(5)高溫爐前端溫度1000 °c(7)蠕動幫浦進料強度2熱風流量300 l/min(4)壓縮空流量6570 l/min(6)高溫爐後端溫度1000 °c3 調配氧化鋅先趨物。(1) 取硝酸鋅18.269 g，加水300ml溶解。(2) 加水至整杯溶液體積爲500ml。4將蠕動幫浦進料管插入配好之硝酸鋅水溶液中，進行噴霧熱解程

11、序。5待物料全部噴完之後，關閉高溫爐加熱鈕，靜置冷卻。6.將樣品收集瓶內之粉體收集至樣品瓶中。(二) 清洗步驟1. 將加熱元件全部關閉，持續送風，待整套系統冷卻。2. 取量10002000ml之蒸餾水作爲進料，將蠕動幫浦進料強度加 大，進行乾燥瓶及管線噴嘴之清洗。3 水洗完畢之後，拆解噴霧熱解設備，並將各個元件清洗乾淨。(三) 物料分析1 取0.04 g的氧化鋅粉體加入200ml之lom亞甲基藍水溶液中。2以4根波長爲365nm之燈管爲光源，進行光催化反應。3. 每10分鐘取樣一次，進行uv/vis光譜儀之測試。4.60分鐘後每30分鐘取樣一次，直至光催化反應達2小時。5.數據分析討論。五、注

12、意事項1 實驗全程請穿戴棉手套以防燙傷。2組裝拆解儀器請務必特別小心。3 組裝噴霧熱解時，連結石英管和乾燥瓶以及石英管和旋風分離器，請小心調整至管線兩端之間沒有高低差。4使用扣環連結石英管或乾燥瓶時，先用手將扣環壓緊再鎖。5拆解噴霧熱解儀器時，請最先拆除連接石英管兩端之扣環。6壓縮空氣和熱風再冷卻高溫爐時不可關閉。7在實驗最後進行管線噴嘴清洗時，請準備個水桶在乾燥瓶下接收 溢出之液體。&套管冷凝器會漏水，請事先準備一個水桶接收漏水。六、問題與討論1 說明氣膠(aerosols)之定義與其種類。2霧化器(atomizers)之種類有哪些?各類型之霧化器所產生之小液滴 之尺寸範圍爲何?3根據實驗觀察與你(妳)的想像力，以簡圖附加說明之方式呈現氣 膠在整個製程中所經歷之物理與化學變化。若要驗證你(妳)所推 測