化學機制控制型高濃度臭氧/水產生系統及方法

2023-07-15 10:51:26

專利名稱:化學機制控制型高濃度臭氧/水產生系統及方法
技術領域：
本發明屬於製備臭氧水技術領域：
，特別涉及化學機制控制型高濃度臭氧/水產生系統及方法。
發明背景臭氧水的應用領域極廣泛，包括使用於飲用水處理、廢水處理、食品及醫療設備消毒等工程。臭氧是難溶於水的氣體，單獨操作物理性條件對其溶解度提升的效果有限，使得傳統上臭氧水的應用都局限在低濃度的範圍。近年來，由於臭氧水具備高潔淨度低汙染排放及高製程效率等特性，許多先進的研究都嘗試將臭氧水應用在高階電子組件(包括IC及LCD)製程，也都獲得很好的製程效果，因此市場上迫切地需要新式高濃度與高穩定度臭氧水產生技術的開發，使相關工廠製程的技術能有效突破。
申請人:調查1981-2001年中有關臭氧產生技術的專利前案計有EP430904A1，US5205994，EP711731A3，US5670094，US5971368，DE19752769A1，EP856491A3，中國臺灣公告第326809號，US6080531，US6132629，EP1038993A1，EP1076632A2，EP1090880A1，分析以上相關技術，臭氧水產生系統的設計原則，除了採用電解法產生機能水(陽極產生臭氧水，陰極產生氫水)，均著重於強調系統的物理性條件控制及氣液接觸設備的改良，包括增大操作壓力、降低操作溫度及增進氣液接觸面積等方式。截至目前，尚無任何專利採取以化學性添加方式達到提高臭氧水度之目的。

發明內容
本發明提供一種化學機制控制型高濃度臭氧/水產生系統，其主要包含以下組成部分一臭氧氣體產生設備、一臭氧溶解設備、一化學品添加機構、及一循環迴路機構，其中該臭氧氣體產生設備包含一臭氧氣體產生器，該臭氧氣體產生器適於連接一空氣或氧氣供給氣體源，而產生臭氧氣體；
該臭氧溶解系統包含一氣液溶解單元及一反應溫度控制系統，其中該氣液溶解單元設有一氣液溶解槽及一氣液分離裝置，臭氧氣體產生器所產生的臭氧氣體通入水供給管線後，經由泵送入該氣液溶解槽，以提供臭氧氣體與該水進行溶解反應的空間，其中該氣液溶解槽的未溶解臭氧由該氣液分離裝置去除水後，可循環回流至氣液溶解槽中再次反應，或被送至該臭氧氣體破壞器進行分解而排放至外界；該臭氧溶解系統的反應溫度由該反應溫度控制系統控制，該反應溫度控制系統可包括冷卻設備及加熱設備；該化學品添加機構包含一設置於該臭氧氣體供給管線上的注入器及/或該水供給管線上的注入器，於是一自由基去除劑及一選擇性的pH值控制物質可經由此處注入這些管線內並攜帶至該氣液溶解槽；及該循環迴路機構包含一流量控制出水閥，一迴路流量調整閥，一出流水管及一回流管路，其中該出流水管將該氣液溶解槽內的臭氧/水導出；該流量控制出水閥位於該出流水管上；該回流管路的一端連接至該水供給管線，而另一端連接在該出流水管且位於該氣液溶解槽與該流量控制出水閥之間的位置；該迴路流量調整閥位於該回流管路上，於是藉助該流量控制出水閥及該迴路流量調整閥將經該氣液溶解槽產生的臭氧/水部分回流至該氣液溶解槽之內，使臭氧/水在其中進行多次循環反應，提高溶解濃度，同時該氣液溶解槽產生的臭氧/水由該流量控制出水閥控制穩定流量輸出至用水端。
較佳的，該pH值調整物質包括(但不限於)HCl，H2SO4，檸檬酸(citricacid)，及NH4OH。該pH值調整物質的用量使得該氣液溶解槽的pH操作範圍為3.0～6.5。
本發明同時提供一種化學機制控制型高濃度臭氧/水產生方法，包含以下步驟a)將臭氧氣體與一水導入於一氣液溶解槽內及一選自以下族群的自由基去除劑的存在下進行溶解反應，該族群是由CO2，H2CO3，NH4HCO3，(NH4)2CO3，二碳酸鹽(salts of bicarbonate ion)，碳酸鹽(salts of carbonate ion)，H3PO4，磷酸二氫鹽(salts of H2PO4-)，磷酸氫鹽(salts of HPO42-)，磷酸鹽(salts of PO43-)，醋酸(acetic acid)，醋酸銨(ammonium acetate)，草酸(oxalic acid)，草酸鹽(salts of oxalate ion)，丙酮(acetone)，t-丁醇(t-butanol)，烷烴(alkanes)，及其它們組合所組成；及b)將從該氣液溶解槽流出的臭氧/水的一部份作為產品排出及另一部份回流至該氣液溶解槽循環進行溶解反應，其中該回流部份與排出部份的流量比例介於0.2～3.5。
較佳的，該水為去離子水或一般水。
較佳的，該自由基去除劑以每1000克水添加10-2～10-5摩爾的量被添加於該氣液溶解槽。
發明的詳細說明臭氧在水系統中的濃度累積效果是一連串自由基循環反應的結果，反應過程中多種自由基的存在皆會誘發分子態臭氧的分解，對臭氧水系統中液態分子臭氧濃度的累積極為不利。根據本案發明人金光祖博士於1992年在美國SEMATECH Center of Excellence for Micro-contamination/DefectAssessment and Control所進行的UV-induced和臭氧-induced的自由基數值仿真研究結果發現，自由基的壽命遠超過過去文獻資料記載的10-3秒，可存在長達3～5秒鐘。而根據本案相關研究發現，在去離子水中透過控制pH值及適當添加自由基去除劑(radical scavenger)，可選擇性地控制臭氧/水混合系統中的反應機制，阻斷自由基反應模式並促進分子態反應模式，再配合回流循環設計，可使得臭氧/水混合系統中分子態臭氧濃度能有效地累積並維持長時間的穩定輸出，於是設計出一高濃度臭氧水產生系統。
適合作為本發明的pH值調整物質包括(但不限於)HCl，H2SO4，citricacid，NH4OH；自由基去除劑(radical scavenger)包括(但不限於)CO2，H2CO3，NH4HCO3，(NH4)2CO3，二碳酸鹽(salts of bicarbonate ion)，碳酸鹽(saltsof carbonate ion)，H3PO4，磷酸二氫鹽(salts of H2PO4-)，磷酸氫鹽(saltsof HPO42-)，磷酸鹽(salts of PO43-)，醋酸(acetic acid)，醋酸銨(ammoniumacetate)，草酸(oxalic acid)，草酸鹽(salts of oxalate ion)，丙酮(acetone)，t-丁醇(t-butanol)，及烷烴(alkanes)，其可以單一或以它們組合物方式被使用。
依據本發明的一較佳具體實施例所完成的一種化學機制控制型高濃度臭氧水產生系統被示於圖1，其主要包含以下組成部分一臭氧氣體產生設備101、一臭氧溶解設備102、一化學品添加機構103、及一循環迴路機構104。
該臭氧氣體產生設備101包含一臭氧氣體產生器1、一供給氣體源2(通常為氧氣或空氣)，其中臭氧氣體產生器1的臭氧氣體的產生量是由一供給氣體流量調整閥3控制該供給氣體源2的供給氣體量而加予調整。
該臭氧溶解設備102為臭氧氣體與水(通常為去離子水(DI)或一般水)進行溶解反應的地方，包含一氣液溶解單元4，該氣液溶解單元4內設有一氣液溶解槽41及一氣液分離裝置42，其操作壓力由一流量控制出水閥11進行控制。一供給源5提供水給該氣液溶解單元4，其流量由一流量調整裝置6控制。該氣液溶解單元4的反應溫度由該溫度控制系統7(一般為冷卻設備或加熱器)控制。該氣液溶解單元4的氣液溶解槽41的未溶解臭氧先由該氣液分離裝置42後，可回流至41再行溶解，或是送至一臭氧氣體破壞器8分解後排放。
該化學品添加機構103包含設置於臭氧氣體供給管線上的注入器9及/或DI供給管線上注入器10，自由基去除劑及一選擇性的pH值控制物質可經由此處注入這些管線內並攜帶至該氣液溶解槽41。
該循環迴路機構104由該流量控制出水閥11及一迴路流量調整閥12控制，將經該臭氧溶解設備102產生的臭氧水部分回流至一循環泵13進水端再送入該臭氧溶解設備102之內，使臭氧水在該臭氧溶解系統102中進行多次循環反應，提高溶解濃度。產生的臭氧水由該出水閥11控制穩定流量輸出至用水端15，並可經由濃度檢測點14進行線上濃度檢測。



圖1顯示依據本發明的一較佳具體實施例所完成的一種化學機制控制型高濃度臭氧水產生系統的方塊示意圖。
附圖標記101..氣體產生設備 102..臭氧溶解設備103..化學品添加機構 104..循環迴路機構1..臭氧氣體產生器 2..供給氣體源 4..氣液溶解單元41..氣液溶解槽 42..氣液分離裝置5..水供給源 7.冷卻系統 8..臭氧氣體破壞器9，10..注入器 13..泵 14..臭氧濃度檢測點3，6，11，12..閥具體實施方式
實施例以類似於圖1所示的高濃度臭氧水產生系統進行實驗，其中氣液溶解槽41的操作壓力為2.0巴(表壓)，及操作流量11L/min。在去離子水導入該氣液溶解槽41的第21分鐘開始該注入器10加入醋酸銨(ammoniumacetate)，使去離子水的醋酸銨濃度為0.1mM。該濃度檢測點14所測得的線上臭氧水濃度被示於下表。


從上述表中的數據可以看出，在加入醋酸銨後從該氣液溶解槽41出來的臭氧水其臭氧濃度由約8ppm提升至32ppm。
權利要求
1.一種化學機制控制型高濃度臭氧/水產生系統，其主要包含以下組成部分一臭氧氣體產生設備、一臭氧溶解設備、一化學品添加機構、及一循環迴路機構，其中該臭氧氣體產生設備包含一臭氧氣體產生器，該臭氧氣體產生器適於連接一空氣或氧氣供給氣體源，而產生臭氧氣體；該臭氧溶解系統包含一氣液溶解單元及一反應溫度控制系統，其中該氣液溶解單元設有一氣液溶解槽及一氣液分離裝置，臭氧氣體產生器所產生的臭氧氣體通入水供給管線後，經由泵送入該氣液溶解槽，以提供臭氧氣體與該水進行溶解反應的空間，其中該氣液溶解槽的未溶解臭氧由該氣液分離裝置去除水後，循環回流至氣液溶解槽中再次反應，或被送至該臭氧氣體破壞器進行分解而排放至外界；該臭氧溶解系統的反應溫度由該反應溫度控制系統控制，該反應溫度控制系統包括冷卻設備及加熱設備；該化學品添加機構包含一設置於該臭氧氣體供給管線上的注入器及/或該水供給管線上的注入器，於是一自由基去除劑及一選擇性的pH值控制物質可經由此處注入這些管線內並攜帶至該氣液溶解槽；及該循環迴路機構包含一流量控制出水閥，一迴路流量調整閥，一出流水管及一回流管路，其中該出流水管將該氣液溶解槽內的臭氧/水導出；該流量控制出水閥位於該出流水管上；該回流管路的一端連接至該水供給管線，而另一端連接在該出流水管且位於該氣液溶解槽與該流量控制出水閥之間的位置；該迴路流量調整閥位於該回流管路上，於是藉助該流量控制出水閥及該迴路流量調整閥將經該氣液溶解槽產生的臭氧/水部分回流至該氣液溶解槽之內，使臭氧/水在其中進行多次循環反應，提高溶解濃度，同時該氣液溶解槽產生的臭氧/水由該流量控制出水閥控制穩定流量輸出至用水端。
2.如權利要求
1所述的系統，其中該水為去離子水或一般水。
3.一種化學機制控制型高濃度臭氧/水產生方法，包含以下步驟a)將臭氧氣體與一水導入於一氣液溶解槽內及一選自以下族群的自由基去除劑的存在下進行溶解反應，該族群是由CO2，H2CO3，NH4HCO3，(NH4)2CO3，二碳酸鹽，碳酸鹽，H3PO4，磷酸二氫鹽，磷酸氫鹽，磷酸鹽，醋酸，醋酸銨，草酸，草酸鹽，丙酮，t-丁醇，烷烴，及其它們組合所組成，其中該自由基去除劑以每1000克水添加10-2～10-6摩爾的量被添加於該氣液溶解槽；該氣液溶解槽的pH操作範圍為3.0～6.5；及b)將從該氣液溶解槽流出的臭氧/水的一部份作為產品排出及另一部份回流至該氣液溶解槽循環進行溶解反應，其中該回流部份與排出部份的流量比例介於0.2～3.5。
4.如權利要求
3所述的方法，其中該水為去離子水或一般水。
專利摘要
本發明提供一種製造高濃度臭氧/水(例如臭氧水)的方法與系統。不同於傳統單獨以控制物理性條件來提高臭氧溶解濃度，本發明透過添加適當的化學性自由基去除劑(radical scavenger)於臭氧/水混合系統，以選擇性控制自由基的反應機制，使臭氧於水中的溶解能力能突破系統物理性條件限制，使趨近系統熱力學的飽和濃度，於是提高臭氧在水中的溶解濃度與穩定度。本發明並提供一套結合化學性添加及回流循環機制的高濃度臭氧/水產生系統。
文檔編號C02F1/68GKCN1261198SQ03150372
公開日2006年6月28日 申請日期2003年7月25日
發明者金光祖, 陳秋美 申請人:財團法人工業技術研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan