CN101322916A - 含硫化合物气体净化滤材装置与方法及其使用的催化剂吸附材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含硫化合物的气体净化滤材装置，其包含：至少一个催化剂吸脱附单元，其以并联及/或串联设置；及一臭氧产生单元，其可提供臭氧给该催化剂吸脱附单元，作为加强催化剂吸附功能或低温氧化分解反应之用。本发明亦提供一种空气中含硫化合物的气体净化方法及其所使用的催化剂吸附材料。本发明的含硫化合物的气体净化装置与方法及其所使用的催化剂吸附材料可处理较难处理的含硫化合物的气体，例如DMS或DMDS，可解决传统处理装置不能或不适于处理某些含硫化合物的气体的问题，并可增加催化剂效率，延长催化剂寿命，适于高风量低浓度排放的高科技晶圆制造、光电面板制造业、涂装印刷业及相关化工业。
Description
技术领域
本发明是关于一种含硫化合物的气体净化滤材装置与方法及其所使用的催化剂(触媒)吸附材料，特别是关于一种针对例如二甲基硫(DMS)、二甲基二硫(DMDS)、硫化氢(H2S)等空气中含硫化合物的气体净化滤材装置与方法及其所使用的催化剂吸附材料。
背景技术
近来，国际间对于环保议题及工业安全卫生及高科技厂洁净室分子污染物净化的日益重视，考虑工业废气对环境及劳工以至于一般大众身体产生的危害，对于工业废气排放标准日趋严格，国内外法规都制定出浓度及臭味的排放标准；另一方面，近来高科技厂的高阶制程对于含硫化合物等难处理的分子污染物，在外气引入洁净室前的净化程度要求愈为严格。
例如在半导体晶圆制造厂及TFT-LCD面板光电制造业面板制程中，去光阻程序(stripping process)所使用的去光阻剥离液(stripper)主要成分为高沸点且几乎全溶于水的有机化合物，包括单乙醇胺(MEA)、二甲基亚砜(DMSO)以及乙二醇单丁醚(BDG)等。在去光阻制程中，去光阻剂中的二甲基亚砜虽然是一种高沸点水溶性而且挥发性低的液体，但在处理过程中，极容易形成恶臭的二甲基硫(dimethyl sulfide，DMS)和二甲基二硫(dimethyl disulfide，DMDS)的气态污染物。然而，以传统冷凝法及吸收法并无法完全去除低沸点及低可溶性的二甲基硫与二甲基二硫，而且其在低浓度下即会产生恶臭，极易影响厂房周围生活环境而引发民众抗议，同时也影响到厂房周围其它高科技厂高阶制程的产品良率。
空气中含硫化合物气体的净化技术可运用物理方法、化学方法及。物理方法是将空气通过采用吸收、分离等物理步骤的净化设备以除去空气中含硫化合物，常用的物理方法有机械分离法、过滤法、吸附法、洗涤法和静电法。常用的化学方法有热氧化法和催化燃烧法等。国内目前最常采用的净化设备是以抽风与简易滤网或一般吸附或水洗洗涤处理，此传统设备及方法无法有效净化如二甲基硫与二甲基二硫等含硫化合物的气体，是造成空气污染臭味陈情的主因；同时，也是造成被污染的外气导引进入如半导体晶圆制造厂及TFT-LCD面板光电制造厂等高阶制程洁净室，影响产品良率的分子污染物主要来源之一。
此外，尚有运用催化剂催化法来净化处理空气中含硫化合物气体，催化剂催化法的优点为含硫化合物的脱除效率高、反应温度低、能源消耗低、避免生成二次污染物等，是一种环境友好的催化净化技术。然而，此项技术目前最需要突破的是开发低温氧化催化剂，由于含硫化合物的处理效率不佳，所以开发的催化剂必需具有以下特点：
1.具低温氧化活性的纳米(奈米)催化剂负载技术
利用纳米催化剂特有的催化特性，小晶粒催化剂载体粒径小、孔道短、晶内扩散阻力小、暴露在外的原子多(高30％)、含有众多的晶间隙(二次孔洞)、具有较强的吸附能力，对于大分子或液相反应有利。反应物与产物能于多孔性催化剂载体孔洞快速扩散，减少阻塞或积碳，而降低催化剂的失活速率，延长催化剂寿命。
2.具中孔洞特性的吸附/催化基材合成技术
利用中孔洞的高表面积与孔洞特性，提高含硫化合物的吸附去除效率，由于孔容积和孔隙率均提高，预估可增加三成的吸附量，且因晶间空隙增大可吸附较大分子，总体催化剂效率可提升30％以上。
3.提升氧化活性的助剂辅助技术
无论吸附剂或催化剂，均会随使用时间而呈现部分覆盖的现象，设计以低电压激发系统中的氧气或水气使产生具较高氧化活性的氧化助剂，如：O2 -、O·、HO·、O3等，加速催化剂表面的氧化还原循环进行，加速催化剂表面污染物的降解，以达到降低积碳的目的，预计可大幅提升催化剂的寿命。
发明内容
为了改善上述已知技术所面临的问题，本发明的目的在提供一种含硫化合物的气体净化滤材装置，其包含：
至少一个催化剂吸脱附单元，其以并联及/或串联设置；及
一臭氧产生单元，其可提供臭氧给该催化剂吸脱附单元，作为加强催化剂吸附功能或低温氧化分解反应之用。
本发明的含硫化合物的气体净化滤材装置中，该装置可进一步包含一水气或蒸气产生单元，其可提供水气或蒸气于该催化剂吸脱附单元，与臭氧产生单元所提供的臭氧一并作为催化剂吸附活化再生还原反应之用。
本发明的含硫化合物的气体净化滤材装置中，可于该装置的下游端进一步设置空气净化处理设备，以作为气流终处理之用。该空气净化处理设备并无特别限制，较佳为臭氧分解催化剂或湿式洗涤塔或吸附床。
本发明的含硫化合物的气体净化滤材装置中，可包含多个催化剂吸脱附单元，其中该装置催化剂吸脱附单元型号可为固定床式、转轮式、转塔式或、浮动床式、流体化床式；各催化剂吸脱附单元可同时进行吸附反应或催化剂氧化分解反应。或者是，该吸附催化剂单元可部分进行吸附反应，同时部分进行催化剂氧化分解反应。
此外，本发明另一目的在于提供一种含硫化合物的气体净化方法，其包含下列步骤：
(1)提供一种上述的空气中含硫化合物的气体净化滤材装置，其中该催化剂吸脱附单元中充填有催化剂吸附材料；
(2)经由风机将欲处理的含硫化合物的空气导入该装置，开启及/或关闭相关阀组，同时可导入臭氧产生单元所产生的臭氧，使充填催化剂吸附材料的催化剂吸脱附单元进一步进行化学性吸附反应或低温氧化分解反应，同时排出经吸附后的干净气流；
(3)开启及/或关闭相关阀组，将已吸附饱和的催化剂吸脱附单元导入臭氧产生单元所产生的臭氧及/或进一步导入一水气或蒸气产生单元产生的水气或蒸气，以进行催化剂吸附材料的再生还原反应。
本发明的含硫化合物的气体净化方法中，该空气中含硫化合物的气体净化装置可包含一水气或蒸气产生单元，其的型号并无特别限制，较佳可为喷雾加湿器、超音波加湿器、蒸气加湿器。
本发明的含硫化合物的气体净化方法中，可进一步包含一步骤(4)，为设置一空气净化处理设备于下游端，可简易地终处理步骤(3)所可能生成的新污染物。对于该空气净化处理设备的型号并无特别限制，较佳可为臭氧分解催化剂或湿式洗涤塔或吸附床。
本发明的含硫化合物的气体净化方法中，该装置可包含多个催化剂吸脱附单元，其可同时进行步骤(2)。或者是，该多个催化剂吸脱附单元可部分进行步骤(2)，同时部分进行步骤(3)。亦或是，该催化剂吸脱附单元可于在线进行步骤(1)或步骤(1)及(2)，线外进行步骤(2)及或步骤(3)。
本发明的含硫化合物的气体净化方法中，该催化剂吸附材料是由催化剂载体与催化剂组成，其中该催化剂载体是选自活性碳、沸石、氧化铝、其它多孔性物质或其的混合物；该催化剂的活性部分为过渡金属第一类(N-orbit)金属，其是选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Pb或Zn。而催化剂吸附材料成形的形状并无特别限制，较佳可为圆柱状或颗粒状或真球状或蜂巢状或多层次堆栈状(Multi Layers Media)或发泡状等形式。
本发明另一目的在提供一种用于上述含硫化合物的气体净化装置与方法的催化剂吸附材料，其是由催化剂载体与催化剂组成，其中该催化剂载体是选自活性碳、沸石、氧化铝、其它多孔性物质或其的混合物；该催化剂的活性部分为N-orbit金属，其是选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn。而催化剂吸附材料成形的形状并无特别限制，较佳可为圆柱状或颗粒状或真球状或蜂巢状或多层次堆栈状或发泡状等形式。
根据本发明的催化剂吸附材料，其可进行化学性吸附并可化学性再生还原。例如以DMS的有机废气为例，在单独进行化学性吸附时的机制：
Ma++DMS→Ma+--S(CH3)2
在线以臭氧加强还原吸附的机制(其可延长吸附剂的寿命)：
Ma++DMS→Ma+--S(CH3)2
Ma+--S(CH3)2+O3→Ma++SO2+CO2+H2O+CH4
以臭氧化学性再生还原机制：
Ma+--S(CH3)2+O3→Ma++SO2+CO2+H2O+CH4
或者是以臭氧、水气或蒸汽化学性再生还原机制：
Ma+--S(CH3)2+O3+H2O→Ma++SO2+CO2+H2O+CH4
因此本发明的催化剂吸附材料可搭配所设计的装置使用，吸附后的催化剂吸附材料可取出用其它装置化学性再生还原，或者是于在线直接化学性再生还原。
附图说明
图1为本发明的含硫化合物的气体净化装置较佳具体例的示意图。
图2为本发明的含硫化合物的气体净化装置较佳具体例的示意图。
其中主要组件附图标记为：
11、12、13 催化剂吸脱附单元
131 化学性吸附区
132 化学性再生还原脱附区
20、21 臭氧产生单元
30 风机
40 水气产生单元
51、52、53、54、55、56、57、58、59 阀
A 空气入口
B 空气出口
C 废气出口
具体实施方式
下列实验设计是为说明，不应限制本发明的范畴，合理的变化，诸如对于熟悉此项技艺者显而易见为合理者，可于不脱离本发明的范畴下进行。
实施例1
图1为本发明的含硫化合物的气体净化装置较佳具体例的示意图。该装置包含二个催化剂吸脱附单元11及12，其中充填有催化剂吸附材料，其是由催化剂载体与催化剂组成，其中该催化剂载体是选自活性碳、沸石、氧化铝、其它多孔性物质或其的混合物；该催化剂的活性部分为N-orbit金属，其是选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Pb或Zn。且其以并联设置；一风机30，设置于催化剂吸脱附单元11及12的上游端，其可抽送欲处理的空气至该催化剂吸脱附单元11及/或12；及二个臭氧产生单元20及21，其可提供臭氧于该催化剂吸脱附单元11及/或12，作为加强催化剂还原吸附功能或低温氧化分解反应之用；一水气产生单元40，可提供水气或蒸气至该催化剂吸脱附单元11及/或12。以下各阀组除另有说明外，皆为关闭状态。
首先，开启风机30、阀51、52、57及58，经由风机30可将空气入口A的欲处理的含硫化合物气体导入催化剂吸脱附单元11及12，其中所充填的催化剂吸附材料可将空气中含硫化合物的气体吸附，而吸附处理后的干净气流经由烟囱(图未示)排放。
而吸附完成的催化剂吸附材料可取出还原处理，另充填新品于催化剂吸脱附单元11及12。
实施例2
如实施例1的装置及方法，但在催化剂吸脱附单元11及12吸附饱和后，开启阀53、54、55及56，以臭氧产生单元20所提供的臭氧及水气产生单元40所提供的水气或蒸气，进行低温氧化分解反应，将催化剂吸脱附单元11及12内的催化剂吸附材料再生还原。而所产生的废气由废气出口C排出，经由后端所设置的终处理装置(图未示)处理。
实施例3
如实施例1及2的装置及方法，但在经由风机30将空气入口A的欲处理的有机废气导入催化剂吸脱附单元11及12时，同时以臭氧产生单元21提供臭氧于该催化剂吸脱附单元11及/或12，以加强催化剂还原吸附功能。
实施例4
使用如实施例1所述的装置，开启风机30、阀51、57、56及54，经由风机30可将空气入口A的欲处理的含硫化合物的气体导入催化剂吸脱附单元11，进行化学性吸附反应，吸附后的干净气流经由烟囱排放。同时导入臭氧产生单元20所产生的臭氧及水气产生单元40所产生的水气或蒸气，使先前已吸附饱和的催化剂吸脱附单元12进行低温氧化分解反应，以再生还原内部所充填的催化剂吸附材料，而所产生的废气由废气出口C排出，经由后端所设置的终处理装置(图未示)处理。
在催化剂吸脱附单元11吸附饱和后，开启阀52、58、55及53，将已再生还原的催化剂吸脱附单元12进行化学性吸附反应，而将已吸附饱和的催化剂吸脱附单元11导入臭氧产生单元所产生的臭氧，以进行催化剂吸附材料的再生还原反应。依次循环，可连续进行在线含硫化合物气体的净化。
实施例5
图2为本发明的含硫化合物的气体净化装置较佳具体例的示意图。该装置包含一转轮式催化剂吸脱附单元13，其包含有催化剂吸附材料；一风机30，设置于转轮式催化剂吸脱附单元13的上游端，其可抽送欲处理的空气至该转轮式催化剂吸脱附单元13；及二个臭氧产生单元20及21，其可分别提供臭氧于该转轮式催化剂吸脱附单元13的化学性再生还原脱附区132及化学性吸附区131，作为加强催化剂还原吸附功能或低温氧化分解反应之用。以下各阀组除另有说明外，皆为关闭状态。
首先，开启风机30及转轮的驱动装置(图未示)，经由风机30可将空气入口A的欲处理的含硫化合物气体导入转轮式催化剂吸脱附单元13的化学性吸附区131，其中所含的催化剂吸附材料可将空气中含硫化合物的气体吸附，而吸附处理后的干净气流在经由烟囱(图未示)排放。
经由驱动装置驱动转轮式催化剂吸脱附单元13转动，将吸附完成的催化剂吸脱附单元转移至化学性再生还原脱附区132。导入臭氧产生单元20所产生的臭氧或及水气产生单元40所产生的水气或蒸气，使化学性再生还原脱附区132的催化剂吸脱附单元进行低温氧化分解反应，以再生还原内部所含的催化剂吸附材料，而所产生的废气由废气出口C排出，经由后端所设置的终处理装置(图未示)处理。
实施例6-8
实施例6-8为分别以DMS、DMDS及H2S作为含硫化合物的气体，测试本发明装置所充填的催化剂吸附材料的处理效能，实施例6、7所使用的催化剂吸附材料组成为含有铜的活性碳及Y型沸石，实施例8所使用的催化剂吸附材料组成为含有Mn的碱性活性碳，各实施例结果如下。
实施例6
| 催化剂线速度(m/s) | DMS入口浓度(ppb) | DMS出口浓度(ppb) | 去除效率(％) | 催化剂寿命(hrs)(效率＞95％) | 臭氧加入浓度 |
| 0.5 | 900 | 15 | 98.3％ | ＞1440 | 6.8ppm |
| 0.5 | 3600 | 20 | 99.4％ | ＞720 | 6.8ppm |
| 1 | 1800 | 18 | 99.0％ | ＞720 | 3.4ppm |
实施例7
| 催化剂线速度(m/s) | DMDS入口浓度(ppb) | DMDS出口浓度(ppb) | 去除效率(％) | 催化剂寿命(hrs)(效率＞95％) | 臭氧加入浓度 |
| 0.5 | 900 | 8 | 99.1％ | ＞2160 | 6.8ppm |
| 0.5 | 3600 | 12 | 99.7％ | ＞1080 | 6.8ppm |
| 1 | 1800 | 15 | 99.2％ | ＞1080 | 3.4ppm |
实施例8
| 催化剂 | H2S入口 | H2S出口 | 去除效率(％) | 催化剂寿命(hrs) | 臭氧加入浓度 |
| 线速度(m/s) | 浓度(ppb) | 浓度(ppb) | (效率＞95％) | ||
| 0.5 | 900 | 10 | 98.9％ | ＞2880 | 6.8ppm |
| 0.5 | 3600 | 15 | 99.6％ | ＞1440 | 6.8ppm |
| 1 | 1800 | 13 | 99.3％ | ＞1440 | 3.4ppm |
产业可利用性
本发明的含硫化合物的气体净化装置与方法及其所使用的催化剂吸附材料可处理较难处理的含硫化合物的气体，例如DMS或DMDS，可解决传统处理装置不能或不适处理某些含硫化合物的气体的问题，并可增加催化剂效率，延长催化剂寿命，为相当符合环保及能源需求的优良技术，值得应用于高风量低浓度排放的高科技晶圆制造、光电面板制造业、涂装印刷业及相关化工业。
Claims (10)
1.一种含硫化合物的气体净化滤材装置，其包含：
至少一个催化剂吸脱附单元，其以并联及/或串联设置，其中该催化剂吸附单元中充填有催化剂吸附材料；及
一臭氧产生单元，其可提供臭氧于该催化剂吸脱附单元，作为加强催化剂吸附功能或低温氧化分解反应之用。
2.如权利要求1所述的含硫化合物的气体净化滤材装置，其特征在于，该催化剂吸附材料是由催化剂载体与催化剂组成。
3.如权利要求1所述的含硫化合物的气体净化滤材装置，其特征在于，该装置催化剂吸脱附单元型号可为固定床式、转轮式、转塔式或、浮动床式、流体化床式。
4.如权利要求1所述的含硫化合物的气体净化滤材装置，其特征在于，该装置进一步包含一水气或蒸气产生单元，其可提供水气或蒸气于该催化剂吸脱附单元，与臭氧产生单元所提供的臭氧一并作为催化剂吸附活化再生还原反应之用。
5.如权利要求1所述的含硫化合物的气体净化滤材装置，其特征在于，于该装置的下游端可进一步设置空气净化处理设备。
6.一种含硫化合物的气体净化方法，其包含下列步骤：
(1)提供一种如权利要求1至5项中任一项所述的含硫化合物的气体净化滤材装置，其中该催化剂吸脱附单元中充填有催化剂吸附材料；
(2)经由风机将欲处理的含有含硫化合物的空气导入该装置，开启及/或关闭相关阀组，同时导入臭氧产生单元所产生的臭氧，使充填催化剂吸附材料的催化剂吸脱附单元进一步进行化学性吸附反应或低温氧化分解反应，同时排出经吸附后的干净气流；
(3)开启及/或关闭相关阀组，将已吸附饱和的催化剂吸脱附单元导入臭氧产生单元所产生的臭氧及/或进一步导入一水气或蒸气产生单元产生的水气或蒸气，以进行催化剂吸附材料的再生还原反应。
7.如权利要求6所述的含硫化合物的气体净化方法，其特征在于，该装置包含一水气或蒸气产生单元，可为喷雾加湿器、超音波加湿器、蒸气加湿器。
8.如权利要求6所述的含硫化合物的气体净化方法，其进一步包含步骤(4)，设置一空气净化处理设备以终处理步骤(3)所生成的新污染物。
9.如权利要求6所述的含硫化合物的气体净化方法，其中该至少二个催化剂吸脱附单元可同时进行步骤(2)或步骤(3)。
10.如权利要求6所述的含硫化合物的气体净化方法，其中该催化剂吸脱附单元可部分进行步骤(2)，同时部分进行步骤(3)；亦或是，该催化剂吸脱附单元可于在线进行步骤(1)或步骤(1)及(2)，可于线外进行步骤(2)及或步骤(3)。
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