研究新知
◎ 用於空氣淨化的耐久型可水洗陶瓷催化劑過濾器
懸浮微粒 (PM) 和揮發性有機化合物 (VOC) 是室外和室內空氣中的有害空氣汙染物。目前，利用靜電力的高效微粒空氣 (HEPA) 聚合物和纖維過濾被認為是去除懸浮微粒的最佳解決方案，然而，過濾器的更換和丟棄造成了嚴重的問題，導致額外的廢物和焚燒使用過的過濾器產生的碳排放。為了克服這一缺點，汽車應用中使用的陶瓷過濾器 (CF) 被認為容易再生的下世代過濾器之一。
本文介紹一種新型過濾器陶瓷催化劑過濾器 (CCF)，可以同時去除主要空氣污染物的 PM 和 VOC，並且可以透過簡單的水洗再生與長期使用，其中使用陶瓷過濾器收集 PM，透過在一般環境下運作的光催化劑塗層分解 VOC 氣體。
陶瓷催化劑過濾器的設計理念，應用兩種主要機制同時去除 PM 和 VOC：(1) 利用具有深層過濾和濾餅過濾兩種過濾機制的多孔陶瓷過濾器對 PM 進行壁流式過濾；(2) 利用 Cu2O/TiO2 催化劑進行光催化完全氧化反應以去除VOC。
此研究採用具有 100、200 和 300 CPSI 的商用陶瓷過濾器，其中 CPSI 表示過濾器每平方英寸的單元數，將光觸媒催化劑(TiO2與Cu2O-TiO2)塗覆在出口通道表面以防止空氣流動與防止失活。橫截面 SEM 圖像和 Ti 的元素表示內部孔隙(黑色)、催化劑塗層(灰色)和膜(白色)。由沿著催化劑塗層長度的壓降、濾效和去除效率之間的關係得知壓降沿塗層長度呈指數增加，且濾效逐漸降低，若控制在 50 mm以下的塗層區域，其具有低的壓降與最佳去除效率。
a單面漿料塗層的圖像。b在不同表面塗覆膜和催化劑的 SEM 圖像。c 陶瓷催化劑過濾器的初始壓降。d長度為 0 至 115 mm 的催化劑塗層區域的 CCF 的過濾和 VOC 去除效率。e陶瓷過濾器在 0.12 至 1.2 m/s 的各種入口速度下通過壁的壁法向速度。
陶瓷催化劑過濾器在使用後，可以利用簡單的水洗法進行逆洗，去除灰塵和再生過濾器的初始壓降。它的最大容塵量在達到最終壓降 (~250 Pa) 時大約為 20-30 g/L，而普通的一次性 HEPA 或中型過濾器 (MF) 使用 6 個月的最大容塵量為 5 g/L，經過水洗進行 10 次再生後，累積容塵量超過 216 g/L，過濾效率損失僅為 9%。而商用 HEPA 過濾器經再生後的容塵量迅速下降 (10 次再生為 48.4 g/L)，並且無法再使用。由陶瓷催化劑過濾器使用 2 年沒有再生的容塵量超過普通 HEPA 過濾器最大容塵量的四倍，這意味著陶瓷催化劑過濾器利用 10 次簡單的水洗再生能夠有長達 20 年的使用壽命，同時能夠去除懸浮微粒和甲醛，在流量 10 L/min (線速度為 0.12 m/s)下，PM10 濾效為 95%、甲醛去除效率為82%、初始壓降為 20 Pa，即使經過十次簡單的水洗再生後，仍能保持這些高性能。
a安裝在建築物的 HVAC 設施中的陶瓷催化劑過濾器面板系統。b在建築物中測量 30 個月的 PM2.5 過濾效率。c獨立式原型陶瓷催化劑過濾器系統。d陶瓷催化劑過濾器系統原型經過大約 12 個月的PM10和PM2.5的過濾效率。
本篇研究設計了一種新型的易再生陶瓷催化劑過濾器，使用多孔陶瓷過濾器中的膜多孔壁流式過濾和紫外線激發光催化劑進行空氣淨化，在環境條件下同時去除 PM 和 VOC，呈現出約 95% 的 PM 濾效和約 82% 的 VOC 去除效率，藉由簡單的水洗十次再生循環，使用壽命可長達 20 年，可望成為室內外空氣淨化的可持續技術。
資料來源：
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
