揮發性有機物 (Volatile Organic Compounds, VOCs )

1. 揮發性有機物(Volatile Organic Compounds, VOCs ) • 有各種不同定義 • 在台灣，「揮發性有機物空氣污染管制及排放標準」中對VOC的定義為: 指在一大氣壓下，測量所得初始沸點在攝氏二百五十度以下有機化合物之空氣污染物總稱。但不包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、二硫化碳、碳酸、碳酸鹽、碳酸銨、氰化物或硫氰化物等化合物。 • USEPAdefines a volatile organic compound (VOC) as “any compound of carbon, excluding carbon monoxide, carbon dioxide, carbonic acid, metallic carbides or carbonates, and ammonium carbonate, which participates in atmospheric photochemical reactions.” • 通常指在常溫下其蒸氣壓大於0.01psi (0.0007atm, 70Pa)，且其沸點小於260℃的有機液體和固體。

2. 揮發性有機物 • 自然排放主要來自植物排放，少數則來自採煤區、油田天然氣及自然火災等 • 植物會排放VOC，因此稱為VOC的生物源(biogenic emission)。生物源所排放的VOC包含萜烯(terpene)、異戊二烯(isoprene)等，由植物與樹木所產生之萜烯分子可彼此結合而產生瀰漫在森林區之藍霧（blue haze）。生物排放源的特性除了與植物的種類有關外，另一方面它們的排放量與光合作用、日光強度及大氣溫度有密切關係。一般而言，生物排放源的影響在夏天午後的時段最為顯著。 • 人為排放的揮發性有機物其來源相當龐雜，若以行業別觀點加以分類，則可分成工業、商業、住宅、車輛等 • 若依其排放特性加以區分，則可歸納為不完全燃燒、製程排放、油品揮發、溶劑使用及生物作用等五大類

3. VOC對健康與環境的影響 • 有些VOC具有惡臭，會造成心理的不適。 • 大氣環境中由於 VOCs 具有滲透、脂溶及揮發等特性，故極易經由皮膚接觸及呼吸系統而對人體造成危害，其侵害人體的對象主要為皮膚、呼吸系統、腎、肝、中樞神經系統等，且部分揮發性有機化合物已被列為致癌物，例如苯等有機溶劑。 • VOCs 均具化學活性，是臭氧的前趨物，在陽光照射下，會與氮氧化物反應，產生光化學煙霧。 • 當VOCs濃度過高，容易在封閉性空間或作業環境中產生火災爆炸。

4. 碳氫化合物(Hydrocarbon, HC) • 只含碳和氫原子 • 甲烷在大氣中反應較慢，排除甲烷後其他大氣中的碳氫化合物稱為非甲烷碳氫化合物(non-methane hydrocarbon, NMHC)，NMHC代表參與大氣中光化學反應的碳氫化合物。 • 甲烷加上NMHC稱為總碳氫化合物(Total Hydrocarbon, THC)

5. NMHC • 種類很多，因來源而異。 • 自然界植物釋放的萜烯類化合物約佔全球NMHC總量的65% ，比人為排放量還要大，最主要的天然排放物是異戊二烯(isoprene)和單萜烯(monoterpene) 。 • 人為排放主要來自不完全燃燒、製程排放、油品揮發、溶劑使用及生物作用等。 • 可分為 : • 飽和 (單鍵, C-C) • 不飽和 (雙鍵/三鍵, C = C) • 不飽和碳氫化合物反應較快。 • 是都市光化學煙霧的前趨物。 • 揮發性的NMHC其碳原子數通常小於12 。

7. Methane (CH4) • 大氣中含量最多的碳氫化合物 • 與OH的反應性低，性質穩定。 • 對都市或區域性的光化學煙霧影響較小。 • 可影響全球大氣化學過程。 • 是重要的溫室氣體。 • 大氣平均濃度約1.75 ppmv 。 • 工業革命以來大氣中濃度逐漸增加。 Sources: 天然排放源:濕地、湖泊、下水道的厭氣分解，稻田，動物腸胃發酵等。 人為排放源: 煤、石油、天然氣開採，天然氣輸送，汽車排氣等。

8. 含氧碳氫化合物(Oxyhydrocarbons) • 包含: • Aldehydes (C=O) • Acids (-COOH) • Alcohols (-OH) • Ketones (CO) • Ethers (C-O-C) • Esters (R-CO-OR’) • 來源: • 工商業使用: 黏著劑溶劑等 • 燃燒的副產品 • 大氣光化學反應產物

9. Chlorofluoro HCs (CFCs) • Trichlorofluoromethane (CFCl3): CFC-11 • Dichlorodifluoromethane (CF2Cl2): CFC-12 • Trichlorotrifluoroethane (C2Cl3F3): CFC-13 • Characterized by • Low reactivity • Low mammalian toxicity • Strong thermal absorption properties • Good solvent properties

10. Halogenated HCs • Most halogenated HCs have tropospheric sinks • CFCs have no tropospheric sinks. • Atmospheric Lifetimes CH3Cl, CH3Br ~ 1 year CH3CCl3 ~ 6.3 years CCl4 ~ 40 years CFCl3 ~ 75 years CF2Cl2 ~ 111-170 years • Concentrations vary spatially, with highest in source regions over the northern hemisphere. • Concentrations in both the troposphere and stratosphere have been increasing until the early 1990s.

11. VOC 控制 • Control by prevention • Substitution • Process modification • Leakage control (tank, gas station, seal, …) • Control by concentration and recovery • Condensation • Adsorption • Absorption • Control by oxidation • Combustion (incineration) • Biological oxidation

12. Condensation • Cooling the air stream to a low enough temperature that most VOC are condensed as liquid and then separated from the gas stream. • 濃度較高(> 5000ppmc), 流量較小或間歇性(<50m3/min). • 常與其他方法併用 • 要達到很高效率較為困難

13. 1-2 pass shell-and-tube condenser

14. Example 10.9 We wish to treat an air stream containing 0.005 mol fraction (0.5%, 5000ppm) toluene(甲苯), moving at a flow rate of 1000scfm at 100℉ and 1atm, so as to remove 99% of toluene by cooling, condensation, and phase separation, as sketch in Fig. 10.8. To what temperature must we cool the air stream?

15. Simplified flowchart of a two-stage refrigeration system for organic vapor recovery

16. 注意: 課本10.3式有錯

18. What is the maximum ortho-xylene removal efficiency possible in a refrigeration-type indirect contact condenser operating at -45.6 ℃ and 760 mm Hg if the inlet concentration is 10,000ppm?