CN109107377B - 碳化材料、臭氧去除装置、以及去除臭氧的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种碳化材料、包含碳化材料的臭氧去除装置、以及去除臭氧的方法。该碳化材料具有含羰基基团(carbonyl‑containing group)、烷醇基(alkylol)、以及具有sp2杂化轨道的碳(carbon having sp2 hybrid orbital)，其中该含羰基基团的碳原子含量在10atom％至30atom％之间，以该含羰基基团、烷醇基、以及具有sp2杂化轨道碳的碳原子总数为基准。

Description

碳化材料、臭氧去除装置、以及去除臭氧的方法
技术领域
本公开涉及一种碳化材料、臭氧去除装置、以及去除臭氧的方法。
背景技术
臭氧的强氧化性广泛被利用于上下水道的处理、食品工厂设施及设备的杀菌处理、以及一般家庭的杀菌。另外也用于半导体产业晶圆表面清洁。但是，臭氧的强氧化性会引发头痛、呕吐、肺水肿等健康伤害，所以利用后未反应完的臭氧必须分解为无害物质。然而，现有的臭氧处理设备皆须额外供应能源或者因不耐水气而需要进行除湿，导致使用上的不便。
基于上述情况，业界需要一种具有耐湿性的常温臭氧分解材料，可在节能的条件下，减少臭氧对人体之危害。
发明内容
根据本公开实施例，本公开提供一种碳化材料，其中该碳化材料可具有含羰基基团(carbonyl-containing group)、烷醇基(alkylol)、以及具有sp2杂化轨道的碳(carbonhaving an sp2hybrid orbital)。该含羰基基团的碳原子含量可在10atom％至30atom％之间，以该含羰基基团、烷醇基、以及具有sp2杂化轨道的碳的碳原子总数为基准。
根据本公开另一实施例，本公开提供一种臭氧去除装置。该装置包含一空腔，以及本公开所述碳化材料。
根据本公开又一实施例，本公开提供一种去除臭氧的方法，包含以下步骤。首先，提供一气体，其中该气体具有一臭氧浓度大于或等于0.1ppm。接着，将该气体通过本公开所述碳化材料，以使该气体的臭氧与碳化材料反应。
附图说明
图1是根据本公开实施例所述的臭氧去除装置的示意图。
附图的符号说明
10 碳化材料；
12 空腔；
14 进口；
16 出口；
18 加湿器；
20 待处理的气体；
22 经处理后的气体；
100 臭氧去除装置。
具体实施方式
本公开实施例提供一种碳化材料、臭氧去除装置、以及去除臭氧的方法。本公开所述之碳化材料具有特定种类的含氧官能团(例如羰基、羰基氧基及氧羰基之至少一者)。由于该含氧官能团在特定比例范围内，本公开所述碳化材料可在常温下(即无需在其他能源供应条件下)应用于分解或处理臭氧，使有毒害性的臭氧，转化为无毒害的氧气和二氧化碳。此外，传统用来处理臭氧的触媒化合物在高湿度的环境下很容易失去活性。本公开所述碳化材料，即使在无任何能源供应的条件下，仍能在低湿度或高湿度环境下(RH＝10％～95％)仍能持续有效将臭氧分解为氧气与二氧化碳。再者，本公开所述之碳化材料可由特定的天然材料(例如稻壳及废菇包)经碳化所形成，且臭氧移除率可达99.9％。
根据本公开实施例，本公开所述碳化材料具有含羰基基团，可进一步具有烷醇基、以及具有sp2杂化轨道的碳，且其中该含羰基基团的碳原子含量系介于10atom％至30atom％之间，以该含羰基基团、烷醇基、以及具有sp2杂化轨道的碳的碳原子总数为基准。
根据本公开实施例，当该碳化材料中含羰基基团的碳原子含量介于10atom％至30atom％之间(例如约介于10atom％至25atom％)，本公开所述碳化材料可在常温下(即无需在其他能源供应条件下)以及宽广的湿度环境下(例如RH＝10％～95％)，分解或处理臭氧，使臭氧转化为氧气和二氧化碳(臭氧移除率可达99.9％)。举例来说，平均每1.0克的本公开所述碳化材料可在室温及相对湿度95％下可分解0.8克至2.0克的臭氧。此外，若该碳化材料之含羰基基团的碳原子含量过低时(即小于 10atom％时)，其臭氧处理能力将大幅下降。
根据本公开实施例，该含羰基基团包括羰基(carbonyl group(结构为
Figure BDA0001389069170000031
))、羰基氧基(carbonyloxy group(结构为
Figure BDA0001389069170000032
)) 以及氧羰基(oxycarbonyl group(结构为
Figure BDA0001389069170000033
))中至少一种。
根据本公开实施例，本公开所述碳化材料的制备方式可为利用富氧燃烧法将特定的天然材料(例如稻壳及废菇包)碳化后所得。
本公开亦提供一种臭氧去除装置。根据本公开实施例，本公开所述该臭氧去除装置100可包含本公开所述碳化材料10以及一空腔12，其中该碳化材料10系配置于该空腔12中，请参照图1。该空腔12系用来承载该碳化材料10，其中该空腔12并未被该碳化材料10填满。此外，根据本公开某些实施例，该空腔12亦可被该碳化材料10填满。在本公开其他实施例中，该臭氧去除装置100可进一步包含一进口(inlet)14以及一出口(outlet)16。一待处理的气体(例如含臭氧的气体)可由该进口 (inlet)14进入该空腔12中与该碳化材料10反应，以将待处理的气体20 中所含的臭氧转换成二氧化碳及氧气。而经处理后的气体22则可由该出口16排出该臭氧去除装置100之外。该待处理的气体20可具有浓度大于或等于0.1ppm的臭氧，例如介于0.1ppm至5000ppm之间、或介于 0.1ppm至1％之间。该经处理后的气体22的臭氧浓度与该待处理气体20 的臭氧浓度之比值可小于或等于0.01，例如介于0.01至0.0001之间。
根据本公开实施例，本公开所述该臭氧去除装置100可进一步包含一加湿器(humidifier)18与该空腔12相连(请参照图1)，以使该空腔12达到特定的相对湿度，并使臭氧与该碳化材料10在该相对湿度(例如相对湿度95％)条件下进行反应。
根据本公开实施例，本公开所述该臭氧去除装置100不包含加热装置或光源装置。换言之，该碳化材料10在与臭氧反应形成二氧化碳及氧气时可在常温下进行，不需要对该反应进行加热或照光。
本公开亦提供一种去除臭氧的方法。该方法包含提供一待处理气体，其中该待处理气体具有含量大于或等于0.1ppm(体积比 (v/v))的臭氧。接着，将该气体通过本公开所述碳化材料，以使该待处理气体中的臭氧与碳化材料反应。根据本公开实施例，该臭氧经该碳化材料反应后，转化为二氧化碳及水。
根据本公开实施例，该臭氧与碳化材料可在相对湿度为10％至99％下反应。
为了让本公开之上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例，作详细说明如下：
碳化材料的制备
实施例1：
将5公斤烘干后的稻壳经过进料口置入碳化炉中。待进料完毕后，通入氧气及空气(氧气比例超过20％)(通入的气体流量为60L/min)。接着，在800℃温度下燃烧50分钟后，通入纯水至碳化炉中(通入的水量为3 L/min)约5分钟。接着，将所得产物在50℃下干燥24小时，得到碳化材料 A。
通过X射线光电子光谱分析(X-ray photoelectron spectroscopy、XPS) 所得碳化材料A其含氧官能团及具有sp2杂化轨道的碳(carbon having an sp2hybrid orbital)的碳原子比例，结果如表1所示。
实施例2：
将10公斤烘干后的废菇包(waste mushroom bed)经过进料口置入碳化炉中。待进料完毕后，通入氧气及空气(氧气比例超过20％)(通入的气体流量为60L/min)。接着，在1000℃温度下燃烧50分钟后，通入纯水至碳化炉中(通入的水量为3L/min)约5分钟。接着，将所得产物在50℃下干燥24小时，得到碳化材料B。
通过X射线光电子光谱分析所得碳化材料B其含氧官能团及具有sp2杂化轨道的碳的碳原子比例，结果如表1所示。
比较实施例1：
将500克烘干后的碎木材经过进料口置入碳化炉中。待进料完毕后，不通入氧气及空气。接着，以15℃/hr升温至800℃，在800℃温度下燃烧 60分钟后，通入纯水至碳化炉中(通入的水量为3L/min)约5分钟。接着，将所得产物在50℃下干燥24小时，得到碳化材料C。
通过X射线光电子光谱分析所得碳化材料C其含氧官能团及具有sp2杂化轨道的碳的碳原子比例，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0001389069170000051
由表1可得知，碳化材料A所具有的含羰基基团(即包含羰基氧基、氧羰基、及羰基)之碳原子含量约24.8atom％、碳化材料B所具有的含羰基基团之碳原子含量约10.6atom％、而碳化材料B所具有的含羰基基团之碳原子含量约4.6atom％。
碳化材料的臭氧去除能力测试
实施例3：
将10.7g实施例1所得的碳化材料A置于一反应腔中。接着，使用质流量控制器(mass flow controller、MFC)将臭氧浓度为292.9ppm的气体通入该反应腔中(其中气体流量为5L/min，气体流速为0.09m/s)，并使用一加湿器调整反应腔的相对湿度至高于95％。在反应腔的出口端以臭氧侦测器(侦测下限为0.01ppm)量测处理后的气体。持续通入臭氧浓度为292.9ppm的过程中，臭氧侦测器显示经碳化材料A处理后的气体完全不含臭氧，由此可知碳化材料A的臭氧处理效率可达99.9％。直到持续通入臭氧浓度为292.9ppm的气体99.3小时后，臭氧侦测器始侦测到处理后的气体其臭氧浓度大于1ppm。将碳化材料A的重量、气体臭氧浓度、及处理时间进行计算，可得知每克碳化材料A的臭氧处理量，结果如表2所示。
实施例4：
将18.6g实施例2所得之碳化材料B置于一反应腔中。接着，使用质流量控制器(mass flow controller、MFC)将臭氧浓度为313.9ppm的气体通入该反应腔中(其中气体流量为5L/min，气体流速为0.09m/s)，并使用一加湿器调整反应腔的相对湿度至高于95％。在反应腔的出口端以臭氧侦测器(侦测下限为0.01ppm)量测处理后的气体。持续通入臭氧浓度为313.9ppm的过程中，臭氧侦测器显示经碳化材料B处理后的气体完全不含臭氧，由此可知碳化材料B的臭氧处理效率可达99.9％。直到持续通入臭氧浓度为313.9ppm的气体98.3小时后，臭氧侦测器始侦测到处理后的气体其臭氧浓度大于1ppm。将碳化材料B的重量、气体臭氧浓度、及处理时间进行计算，可得知每克碳化材料B的臭氧处理量，结果如表2所示。
比较实施例2：
将28.6g比实施例1所得的碳化材料C置于一反应腔中。接着，使用质流量控制器(mass flow controller、MFC)将臭氧浓度为364ppm的气体通入该反应腔中(其中气体流量为5L/min，气体流速为0.09m/s)，并使用一加湿器调整反应腔的相对湿度至高于95％。在反应腔的出口端以臭氧侦测器(侦测下限为0.01ppm)量测处理后的气体。
臭氧侦测器显示持续通入臭氧浓度为364ppm的气体25分钟后即侦测到处理后的气体其臭氧浓度大幅提升(大于1ppm)。将碳化材料C 的重量、气体臭氧浓度、及处理时间进行计算，可得知每克碳化材料C 的臭氧处理量，结果如表2所示。
表2
Figure BDA0001389069170000071
由表2可得知，由于本公开所述之碳化材料具有特定种类的含氧官能团(即含羰基基团、例如羰基(carbonyl group)、羰基氧基(carbonyloxy group)及氧羰基(oxycarbonylgroup)之至少一者)，且该含羰基基团在特定比例范围(10atom％至30atom％之间)内，因此本公开所述碳化材料可在常温及高湿度下分解或处理臭氧，不但具有高的臭氧处理效率，且本公开所述碳化材料具有高的臭氧处理能力(例如每克本公开所述之碳化材料在相对湿度95％下可分解0.8克至2.0克的臭氧)。
实施例5：
将27.7g实施例1所得之碳化材料A置于一反应腔中。接着，使用质流量控制器(mass flow controller、MFC)将臭氧浓度为154.9ppm的气体通入该反应腔中(其中气体流量为5L/min，气体流速为0.09m/s)，并使用一加湿器调整反应腔的相对湿度至约42％。在反应腔的出口端以臭氧侦测器(侦测下限为0.01ppm)量测处理后的气体。持续通入臭氧浓度为154.9ppm的过程中，臭氧侦测器显示经碳化材料A处理后的气体完全不含臭氧，由此可知碳化材料A的臭氧处理效率可达99.9％。直到持续通入臭氧浓度为154.9ppm的气体176.5小时后，臭氧侦测器始侦测到处理后的气体其臭氧浓度大于1ppm。将碳化材料A的重量、气体臭氧浓度、及处理时间进行计算，可得知每克碳化材料A的臭氧处理量，结果如表3所示。
实施例6：
将28.4g实施例1所得之碳化材料A置于一反应腔中。接着，使用质流量控制器(mass flow controller、MFC)将臭氧浓度为365.9ppm的气体通入该反应腔中(其中气体流量为5L/min，气体流速为0.09m/s)，并使用一加湿器调整反应腔的相对湿度至约12％。在反应腔的出口端以臭氧侦测器(侦测下限为0.01ppm)量测处理后的气体。持续通入臭氧浓度为365.9ppm的过程中，臭氧侦测器显示经碳化材料A处理后的气体完全不含臭氧，由此可知碳化材料A的臭氧处理效率可达99.9％。直到持续通入臭氧浓度为365.9ppm的气体10.8小时后，臭氧侦测器始侦测到处理后的气体其臭氧浓度大于1ppm。将碳化材料A的重量、气体臭氧浓度、及处理时间进行计算，可得知每克碳化材料A的臭氧处理量，结果如表3所示。
表3
相对湿度 臭氧处理量(g/g)
实施例3 ≥95％ 1.60
实施例5 42％ 0.58
实施例6 12％ 0.08
由表3可得知，本公开所述之碳化材料在越高相对湿度的状况下其臭氧处理能力愈强，不会像传统用来处理臭氧的触媒化合物在高湿度的环境下容易失去活性，因此非常适合应用于在高湿度环境下进行臭氧的处理。此外，本公开所述之碳化材料即使在低湿度下仍具有臭氧处理能力。
虽然本公开已以数个实施例公开如上，然其并非用以限定本公开，任何本技术领域中具有通常知识者，在不脱离本公开之精神和范围内，当可作任意之更动与润饰，因此本公开之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种碳化材料，所述碳化材料具有含羰基基团、烷醇基、以及具有sp2杂化轨道的碳，其中所述含羰基基团的碳原子含量为24.8atom％，以所述含羰基基团、烷醇基、以及具有sp2杂化轨道的碳的碳原子总数为基准。
2.根据权利要求1所述的碳化材料，其中，所述含羰基基团包括羰基、羰基氧基以及氧羰基中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的碳化材料，其中，1.0克的该碳化材料在相对湿度95％下可分解0.8克至2.0克的臭氧。
4.一种臭氧去除装置，包含：
一空腔；以及
如权利要求1所述的碳化材料，置于该空腔中。
5.根据权利要求4所述的臭氧去除装置，还包括：
一进口，用以将气体导入所述空腔；以及
一出口，用以将通过所述碳化材料的氧体排出所述空腔。
6.根据权利要求5所述的臭氧去除装置，还包括：
一加湿器，与所述空腔相连，以使所述空腔达到特定的相对湿度。
7.一种去除臭氧的方法，包含：
提供气体，其中所述气体含有浓度大于或等于0.1ppm的臭氧；以及
将所述气体通过如权利要求1所述的碳化材料，以使所述气体中的臭氧与所述碳化材料反应。
8.根据权利要求7所述的去除臭氧的方法，其中，所述臭氧经所述碳化材料转化为二氧化碳及水。
9.根据权利要求7所述的去除臭氧的方法，其中所述臭氧与所述碳化材料是在相对湿度为10％至99％下反应。
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