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研究生： 柯思妤
Ke, Sih-Yu
論文名稱： 循環經濟引導廢棄聚氨酯泡棉水解與回收
Hydrolysis and recycling of waste polyurethane foam guided by circular economy
指導教授： 凌永健
Ling, Yong-Chien
口試委員: 余靖
Yu, Chin
趙奕姼
Chao, Ito
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2019
畢業學年度： 107
語文別： 中文
論文頁數： 91
中文關鍵詞： 聚氨酯泡棉 、水解 、回收 、碳量子點 、循環經濟
外文關鍵詞： Polyurethane foam, Hydrolysis, Recycling, Carbon quantum dots, Circular economy
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    • 聚氨酯軟性泡棉自二十世紀發明以來，已成為人類生活中不可或缺的重要材料，被廣泛的應用在家具和汽車工業中，年生產消費量約五百萬噸，累積大量的廢棄泡棉，急需經濟且有效的回收處理方法，以降低對環境生態的不良影響。
    本研究分為三部分，以循環經濟為導向，水解並回收廢棄聚氨酯軟性泡棉(簡稱聚氨酯泡棉)，再生為有價之單體和碳量子點。第一部分研發路易斯酸水解法分解聚氨酯泡棉，搭配田口實驗設計法，優化泡棉水解時的反應溫度、反應時間、催化劑濃度和醋酸濃度，選擇氯化鋁作為催化劑，降解率可達到99.9%。第二部分開發簡易的液液萃取方法，回收聚氨酯泡棉分解產物中的甲苯二胺和聚醚多元醇，回收率分別為60%和25%。
    第三部分，開發在分解聚氨酯軟性泡棉同時，製備氮摻雜碳量子點方法，量子產率可達19.9%，且對次氯酸根具有良好的選擇性淬滅效應，不受金屬離子的干擾，成功的應用在自來水或是游泳池水中自由有效餘氯的檢測上，檢量線R2值達到0.993以上，添加回收率分別為92.1%和88.3%，RSD皆小於3%。

    Polyurethane flexible foam (PUF) was developed in 20th century, and become one of the most important materials in our daily life. Due to its popularity in automotive industry and furniture market, the annual output of PUF is about 5 million tons, leads to a large number of PUF wastes. Which need an economic and efficient recycling method to reduce the adverse impact on the environment.
    This study is divided into three parts. Hydrolysis and recycling of PUF as valuable compounds and carbon quantum dots (CQDs) is guided by circular economy. First, PUF wastes are decomposed via Lewis acid hydrolysis system. Taguchi method is used to optimize experimental conditions, including temperature, time, concentration of the catalyst and concentration of acetic acid. The degradation ratio can reach to 99.9% by selecting AlCl3 as a catalyst. Second, toluene diamine and polyether polyol can be recycled from the decomposed wastes by developing simple liquid-liquid extraction, the recovery are 60.0% and 25.0%, respectively.
    Third, a preparation method of N-doped CQDs is developed in the hydrolysis process. The quantum yield of N-doped CQDs was 19.9%, showing great selective quenching effect for hypochlorite ion (ClO－) with no interference from metal ions. The N-doped CQDs can successfully determine the free available residual chlorine in tap water and swimming pool water. The calibration curve of ClO－ detection shows good linear relationship (R2＞0.993). Recovery of tap water and swimming pool water are 92.1% and 88.3%, respectively and RSD is less than 3 % in both cases.

    第1章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機與目的 2 1.3聚氨酯泡棉 3 1.4聚醚多元醇 6 1.5異氰酸酯 7 1.6次氯酸鈉 9 1.7循環經濟 10 第2章 文獻回顧 11 2.1聚氨酯泡棉機械性回收方法 11 2.1.1再研磨 11 2.1.2黏合成型及黏合壓縮 12 2.1.3壓縮成型 13 2.2聚氨酯泡棉化學性回收方法 14 2.2.1糖解法 15 2.2.2胺解法 16 2.2.3熱裂解法 17 2.2.4水解法 18 2.2.5路易斯酸水解法 18 2.3田口實驗設計法 21 2.3.1 概論 21 2.3.2 直交表 22 2.3.3 訊雜比 23 2.3.4 反應圖 24 2.4碳量子點 25 2.4.1 簡介 25 2.4.2 合成 26 2.4.3 應用 32 第3章 實驗方法及器材 36 3.1實驗架構 36 3.2實驗設備及藥品 38 3.2.1實驗設備 38 3.2.2實驗藥品 39 3.3實驗設備原理 41 3.3.1紫外光/可見光光譜儀 41 3.3.2螢光光譜儀 41 3.3.3飛行時間式二次離子質譜儀 42 3.4實驗方法 44 3.4.1廢棄聚氨酯軟性泡棉前處理 44 3.4.2廢棄聚氨酯軟性泡棉水解催化劑比較 45 3.4.3廢棄聚氨酯軟性泡棉水解條件優化 45 3.4.4甲苯二胺萃取鑑定 47 3.4.5聚醚多元醇萃取 48 3.4.6碳量子點純化 49 3.4.7碳量子點螢光強度優化 50 3.4.8碳量子點在金屬離子存在下之螢光穩定性 50 3.4.9以碳量子點對常見氧化還原劑之螢光選擇性 50 3.4.10以碳量子點檢測真實水樣中次氯酸根濃度 51 第4章 結果與討論 53 4.1路易斯酸水解法分解廢棄聚氨酯軟性泡棉 53 4.1.1路易斯酸水解法催化劑比較 53 4.1.2田口法優化水解條件 54 4.1.3廢棄聚氨酯泡棉水解產物分析 59 4.2萃取水解產物中甲苯二胺和聚醚多元醇 63 4.2.1甲苯二胺液液萃取 63 4.2.2聚醚多元醇液液萃取 63 4.2.3聚醚多元醇性質鑑定 64 4.3廢棄聚氨酯軟性泡棉合成之氮摻雜碳量子點 67 4.3.1氮摻雜碳量子點螢光性質鑑定 67 4.3.2氮摻雜碳量子點表面結構鑑定 70 4.3.3氮摻雜碳量子點形貌與粒徑大小 75 4.3.4氮摻雜碳量子點隨pH值之螢光強度變化 76 4.3.5氮摻雜碳量子點在金屬離子存在下之螢光穩定度 77 4.3.6氮摻雜碳量子點螢光探針應用 79 第5章 結論與展望 84 第6章 參考文獻 86

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