CN109253984A - 水样总有机碳含量的分析设备及其分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水样总有机碳含量分析设备及其分析方法，可以透过UV光的光照与催化剂的催化，让氧气与水样反应生成氢氧自由基，而透过氢氧自由基氧化水样中的有机物，藉以准确分析水样中总有机碳的含量。
Description
技术领域
本发明有关于一种分析设备及其分析方法，更详而言之，是一种可针对水样总有机碳含量进行分析的分析设备及其分析方法。
背景技术
随着人们对环境的重视，各国政府对污废水等水样的总有机碳(TotalOrganicCarbon，简称TOC)含量都进行规范，以减少污废水对环境的污染，也因此业界的总有机碳分析设备被广泛使用，以对水样中的总有机碳含量进行分析。总有机碳分析设备，通常会将水样中的有机物氧化，而利用非分布式红外线分析仪(Non-DispersionInfrared Analyzer，简称NDIR)，测得水样中的总有机碳浓度。
要将水样中的有机物氧化的方法至少包含有以下三种：高温燃烧法、UV过硫酸盐法与二阶段式高级氧化法。针对高温燃烧法，一般是让水样中的有机物于高温炉壁上氧化，然如此会导致高温炉壁上残留物质，而衍生清洗困难等被人所诟病的问题。针对UV过硫酸盐法，一般是藉由UV光活化过硫酸盐以产生氢氧自由基，而对水样中的有机物进行氧化，然，当水样中氯离子(Cl-)浓度超过0.5％时，氢氧自由基的产生就会受到抑制，且当水样的浊度较高时，UV光可能会受到阻挡，使得过硫酸盐的活化不足，如此导致水样中的有机物无法完全氧化，使得水样中总有机碳含量的分析失准。针对二阶段式高级氧化法，一般是透过碱药剂(NaOH)的加入而将水样中的有机物氧化成二氧化碳，然后藉由二氧化碳的量测数据，而分析水样中的总有机碳含量，然碱药剂中原本就会溶解二氧化碳，故碱药剂的使用会有非属于有机物氧化的二氧化碳，而干扰水样中总有机碳含量的分析。
有鉴于上述，如何解决上述的种种问题，使水样中的有机物能够顺利完成氧化，而提升分析水样中总有机碳含量的准确性，即为本案发明主要的技术思想。
发明内容
鉴于上述先前技术的种种问题，本发明提供一种水样总有机碳含量的分析设备，使用非分布式红外线分析仪分析水样的挥发性有机碳含量，包括：设备本体、水样导入模块、氧气提供模块与UV光提供模块。设备本体的内部具有溶液空间。水样导入模块连通溶液空间，以将水样导入溶液空间中。氧气提供模块连通溶液空间，以对水样提供氧气而释出水样中的挥发性有机物。UV光提供模块接收水样释出的挥发性有机物，以对挥发性有机物提供UV光，而透过UV光的光照让挥发性有机物反应生成二氧化碳，而供非分布式红外线分析仪分析该水样中的挥发性有机碳含量。
另外，本发明还提供一种水样总有机碳含量的分析设备，使用非分布式红外线分析仪分析水样的非挥发性有机碳含量，包括：设备本体、水样导入模块、药剂提供模块、氧气提供模块以及UV光提供模块。设备本体的内部具有一溶液空间。水样导入模块连通溶液空间，以将水样导入溶液空间中。药剂提供模块连通溶液空间，并对水样提供包含催化剂的药剂而形成第一溶液，其中，催化剂包含过渡金属离子。氧气提供模块对第一溶液提供氧气而形成第二溶液。UV光提供模块接收第二溶液，以对第二溶液提供UV光，而透过UV光的光照与催化剂的催化，让氧气与水样反应生成氢氧自由基，而透过氢氧自由基氧化第二溶液中水样的非挥发性有机物以生成二氧化碳，而供非分布式红外线分析仪分析水样中的非挥发性有机碳含量。
可选择性地，在本发明的分析设备中，UV光提供模块对第二溶液提供波长介于100至200nm之间与200至280nm之间的UV光，让氧气与水样反应生成氢氧自由基。
可选择性地，在本发明的分析设备中，氧气提供模块还对第二溶液提供氧气，迫使二氧化碳朝非分布式红外线分析仪流动，藉以分析水样中的非挥发性有机碳含量。
可选择性地，在本发明的分析设备中，药剂提供模块所提供的药剂还包含酸剂，以令水样的PH值小于1，使水样中的无机碳酸化而生成二氧化碳，并由氧气提供模块所提供的氧气排除二氧化碳，藉以排除水样中的无机碳。
可选择性地，在本发明的分析设备中，还包括纯水提供模块，纯水提供模块连通溶液空间，以对溶液空间提供纯水，而对溶液空间的水样进行稀释，以调整溶液空间水样的浓度至适当值。
可选择性地，在本发明的分析设备中，设备本体还包括底部排液模块、过量排液模块、定量排液模块与溶液定量储存模块。底部排液模块连通溶液空间的底部，以自溶液空间的底部，排出溶液空间中的溶液。过量排液模块连通溶液空间，以排出溶液空间中过量的溶液。定量排液模块连通溶液空间，以排出溶液空间中部分的溶液。溶液定量储存模块连通溶液空间，以将溶液空间中定量的溶液储存。
再者，本发明还提供一种水样总有机碳含量的分析方法，包括以下步骤：(i)提供一水样；(ii)提供一药剂，以制备包含该水样及该药剂的第一溶液，其中，该药剂包含催化剂，而该催化剂包含过渡金属离子；(iii)在步骤(ii)期间或之后的任何时间，在该第一溶液中加入氧气以形成第二溶液；以及(iv)在步骤(iii)期间或之后的任何时间，对该第二溶液提供UV光，而使该第二溶液反应生成氢氧自由基，而透过该氢氧自由基氧化该第二溶液中水样的非挥发性有机物而生成二氧化碳，藉以分析该水样中的总有机碳含量。
可选择性地，在本发明的分析方法中，在步骤(i)期间或步骤(ii)期间之前的任何时间，在该水样中加入酸剂，以令该水样的PH值小于1，使该水样中的无机碳酸化而生成二氧化碳，藉以排除该水样中的无机碳。
可选择性地，在本发明的分析方法中，在步骤(iv)期间或之后的任何时间，在该第二溶液中加入氧气，迫使由该水样的非挥发性有机物氧化所生成二氧化碳离开该第二溶液，藉以分析该水样中的非挥发性有机碳含量。
另外，本发明还提供一种水样总有机碳含量的分析方法，包括以下步骤：(i)提供一水样；以及(ii)在该水样中加入氧气以释出该水样中的挥发性有机物，而后对该挥发性有机物提供UV光，而让该挥发性有机物反应生成二氧化碳，藉以分析该水样中的挥发性有机碳含量。
相较于先前技术，本发明的水样总有机碳含量分析设备及其分析方法，透过UV光的光照与催化剂的催化，让氧气与水样反应生成臭氧进而生成氢氧自由基，而后藉由氢氧自由基氧化水样中的有机物，使得水样中的有机物能够顺利完成氧化，藉以分析水样中总有机碳的含量，可解决先前技术中，采用高温燃烧法氧化有机物的高温炉壁清洗困难等问题，采用UV过硫酸盐法氧化有机物的受到氯离子抑制等问题，采用二阶段式高级氧化法氧化有机物的碱药剂干扰等问题。
附图说明
图1为本发明实施例所述的水样总有机碳含量的分析设备的执行分析水样中的挥发性有机碳含量的示意图。
图2为本发明实施例所述的水样总有机碳含量的分析设备的执行排除水样中的无机碳的示意图。
图3为本发明实施例所述的水样总有机碳含量的分析设备的执行分析水样中的非挥发性有机碳含量的第一状态示意图。
图4为本发明实施例所述的水样总有机碳含量的分析设备的执行分析水样中的非挥发性有机碳含量的第二状态示意图。
图5为本发明实施例所述的水样总有机碳含量的分析设备的执行分析水样中的非挥发性有机碳含量的第三状态示意图。
图6为本发明实施例所述的水样总有机碳含量的分析方法的第一流程示意图。
图7为本发明实施例所述的水样总有机碳含量的分析方法的第二流程示意图。
元件标号说明
1 水样总有机碳含量的分析设备
11 设备本体
111 溶液空间
112 底部排液模块
113 过量排液模块
114 定量排液模块
115 溶液定量储存模块
116 标准液导入模块
12 水样导入模块
13 药剂提供模块
14 反应管路模块
15 待氧化溶液提供模块
16 UV光提供模块
17 氧气提供模块
18 挥发性有机物提供模块
19 纯水提供模块
2 非分布式红外线分析仪
3 气液分离模块
4 冷却模块
S11～S14 步骤
S21～S23 步骤
具体实施方式
以下内容将搭配图式，藉由特定的具体实施例说明本发明的技术内容，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可藉由其他不同的具体实施例加以施行或应用。本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下，进行各种修饰与变更。尤其是，于图式中各个组件的比例关系及相对位置仅具示范性用途，并非代表本发明实施的实际状况。
本发明提供一种水样总有机碳含量分析设备及其分析方法，可以透过UV光的光照让水样中的挥发性有机物氧化，藉以分析水样中的挥发性有机碳含量，还可以透过UV光的光照与催化剂的催化，让氧气与水样反应生成氢氧自由基(OH.)，而透过氢氧自由基氧化水样中的非挥发性有机物，藉以准确分析水样中总有机碳(Total Organic Carbon，简称TOC)的含量。针对本发明的技术思想，以下参照本发明图式中图1至图6揭示的内容进行例示说明：
本发明的水样总有机碳含量的分析设备1，使用非分布式红外线分析仪2来分析水样中的总有机碳含量。本发明的水样总有机碳含量的分析设备1具有设备本体11、水样导入模块12、药剂提供模块13、反应管路模块14、待氧化液提供模块15、UV光提供模块16、氧气提供模块17、挥发性有机物提供模块18以及纯水提供模块19。
设备本体11的内部具有用于容纳液体的溶液空间111。水样导入模块12具有管路而连通溶液空间111，以将水样导入溶液空间111中以进行总有机碳含量的分析。另外，本发明的设备本体11还可设置底部排液模块112、过量排液模块113、定量排液模块114与溶液定量储存模块115。底部排液模块112具有管路连通溶液空间111的底部，以自溶液空间111的底部，排出溶液空间111中的溶液，进而调整溶液空间111中溶液的容量。过量排液模块113具有管路连通溶液空间111，以在水样总有机碳含量的分析过程中，排出溶液空间111中过量的溶液，以避免溶液空间111中的溶液过量，而影响分析设备1的正常运行。定量排液模块114具有管路连通溶液空间111，以排出溶液空间111中多余的溶液，使溶液空间111中的溶液具有预定的容量，而使分析设备1的分析条件符合预期。溶液定量储存模块115具有管路连通溶液空间111，以将溶液空间111中预定容量的水样储存，以定量本发明分析的水样，而确保本发明水样总有机碳含量的分析结果准确。
再者，本发明的设备本体11可设置标准液导入模块116，标准液导入模块116具有管路连通溶液空间111，以将包含定量有机物的标准液导入溶液空间111中，以供分析标准液的总有机碳含量，并将分析结果作为本发明分析水样总有机碳含量的参考。
药剂提供模块13具有管路而连通溶液空间111。于本发明中，药剂提供模块13可对水样提供包含例如氢离子(H+)的酸剂，以令水样的PH值小于1，使水样的无机碳酸化而生成二氧化碳，并由氧气提供模块17提供的氧气排除二氧化碳，藉以排除水样中的无机碳，于本发明的一实施例中，水样的无机碳酸化而生成二氧化碳的化学反应式，如下：CO3 2-(aq)+H+→CO2(g)。
再者，药剂提供模块13还可对水样提供包含过渡金属离子的催化剂而形成第一溶液。氧气提供模块17具有管路连通溶液空间111，以对溶液空间111提供氧气(O2)，以使溶液空间111中的水样释出挥发性有机物，还可对第一溶液提供氧氧而形成第二溶液。
纯水提供模块19具有管路连通溶液空间111，可对溶液空间111提供纯水，而对溶液空间111的水样进行稀释，以调整溶液空间111水样的浓度至适当值，而提升本发明水样总有机碳含量分析的准确性。
反应管路模块14具有管路而连通溶液空间111，可接收水样所释出的挥发性有机物，还可藉由待氧化溶液提供模块15接收溶液空间中的第二溶液。UV光提供模块16设置于反应管路模块14中，以可提供波长介于100至200nm之间与200至280nm之间的UV光，而可氧化水样所释出的挥发性有机物，还可让第二溶液中的催化剂、氧气与水样反应生成臭氧(O3)进而生成氢氧自由基(OH.)，以透过氢氧自由基氧化第二溶液中水样的非挥发性有机物而生成二氧化碳，于本发明的一实施例中，臭氧与水样反应生成氢氧自由基(OH.)的化学反应式，如后：O3+H2O→2OH.+O2；第二溶液中水样的有机物氧化的化学反应式，如后：CxHy(aq)+(O3+OH.)→CO3 2-(aq)。
应说明的是，本发明催化剂所添加的过渡金属离子可以促进氢氧自由基的生成，进而提升氢氧自由基在第二溶液中的浓度，而确保水样中的非挥发性有机物可以氧化生成二氧化碳。因此，本发明不需要加入额外的碱药剂，故可大幅降低药剂的制备难度，也不会有额外的二氧化碳干扰，如此，可以缩短水样中总有机碳含量的分析时间。再者，本发明也不需要经由过硫酸盐产生氢氧自由基氧化有机物，故可解决氯离子干扰的问题，且有机物浓度超过侦测范围时，侦测值也不会降低。
应说明的是，本发明的氧气提供模块17所提供的氧气，还可迫使溶液空间111中水样非挥发性有机物氧化后的二氧化碳流向非分布式红外线分析仪2，以提供非分布式红外线分析仪2分析水样中的总有机碳含量。较佳地，如图1所示，本发明的分析设备1还针对流向非分布式红外线分析仪2的流体，提供有气液分离模块3与冷却模块4，以藉由气液分离模块3阻隔液体流向非分布式红外线分析仪2，还藉由冷却模块4冷却流向非分布式红外线分析仪2的气体的温度，以令非分布式红外线分析仪2能有效对流体的成分进行分析。
关于冷却模块4，应说明的是，冷却模块4可吸收外界冷却气流而提供冷却功能，甚至还可以对UV光提供模块16提供冷却气流，而避免UV光提供模块16高温而毁坏，以增加UV光提供模块16的使用寿命。
针对本发明水样总有机碳含量的分析方法，如图6所示，于步骤S11的执行过程中，提供水样。于步骤S12的执行过程中，制备包含水样及药剂的第一溶液，如图3所示，溶液定量储存模块115具有管路连通溶液空间111，以将溶液空间111中预定容量的第一溶液储存，以定量本发明分析的第一溶液。较佳地，第一溶液所包含的药剂包含催化剂，而催化剂包含过渡金属离子。
另外，由于所提供的水样可能包含无机碳，于步骤S11的执行期间或步骤S12期间之前的任何时间，如图2所示，药剂还可具有包含例如氢离子(H+)的酸剂，以令水样的PH值小于1，使水样中的无机碳酸化而生成二氧化碳，藉以排除水样中的无机碳，而避免水样中的无机碳影响水样总有机碳含量的分析。惟，水样中无机碳的排除方式不以上述内容为限。
接着，于步骤S12的执行期间或之后的任何时间执行步骤S13，在第一溶液中加入氧气以形成第二溶液。而后，于步骤S13期间或之后的任何时间执行步骤S14，如图4所示，令待氧化溶液提供模块15，将第二溶液提供给UV光提供模块16，让UV光提供模块16对第二溶液提供UV光，而使第二溶液反应生成氢氧自由基(OH.)，而透过氢氧自由基氧化第二溶液中水样的非挥发性有机物以生成二氧化碳，藉以分析水样中的非挥发性有机碳含量，一般而言，水样中的挥发性有机碳含量会远小于非挥发性有机碳含量，因而水样中的非挥发性有机碳含量的分析结果，可用来判断水样总有机碳含量。
于本发明中，在步骤S14的期间或之后的任何时间，如图5所示，可令氧气提供模块17对第二溶液提供氧气，而迫使第二溶液中氧化而生成的二氧化碳流出溶液空间111，依据经由气液分离模块3与冷却模块4而进入非分离式红外线分析仪2，以对水样中的非挥发性有机碳含量进行分析。
另外，本发明水样总有机碳含量的分析方法，由于所分析的水样可能包含挥发性有机碳，在进行非挥发性有机碳含量分析之前，还包含有分析水样中挥发性有机碳含量的步骤。如图7所示，于步骤S21的执行过程中，提供水样，由于所提供的水样可能包含挥发性有机碳，于步骤S22的执行过程中，如图1所示，在水样中加入氧气以释出水样中的挥发性有机物，而后，于步骤S23的执行过程中，透过挥发性有机物提供模块18，将水样中所释出的挥发性有机物提供给UV光提供模块16，使UV光提供模块16对挥发性有机物提供UV光，而让挥发性有机物氧化而生成二氧化碳，藉以分析水样中的挥发性有机碳含量。
综上所述，本发明的水样总有机碳含量分析设备及其分析方法，透过氢氧自由基氧化水样中的非挥发性有机物，故可解决高温燃烧法中的高温炉壁清洗困难问题，也可解决UV过硫酸盐法中，氯离子抑制氢氧自由基产生的问题，亦可解决二阶段式高级氧化法中，碱药剂中溶解二氧化碳而干扰水样中非挥发性有机碳含量分析的问题，此外还可以透过UV光氧化水样中的挥发性有机物，是以，本发明可针对水样中的总有机碳含量进行分析。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟习此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如本发明申请专利范围所列。
Claims (10)
1.一种水样总有机碳含量的分析设备，其特征在于，使用一非分布式红外线分析仪分析一水样的挥发性有机碳含量，包括：
一设备本体，该设备本体的内部具有一溶液空间；
一水样导入模块，该水样导入模块连通该溶液空间，以将该水样导入该溶液空间中；
一氧气提供模块，该氧气提供模块连通该溶液空间，以对该水样提供氧气而释出该水样中的挥发性有机物；以及
一UV光提供模块，该UV光提供模块接收该水样释出的挥发性有机物，以对该挥发性有机物提供UV光，而透过该UV光的光照让该挥发性有机物反应生成二氧化碳，而供该非分布式红外线分析仪分析该水样中的挥发性有机碳含量。
2.一种水样总有机碳含量的分析设备，其特征在于，使用一非分布式红外线分析仪分析一水样的非挥发性有机碳含量，包括：
一设备本体，该设备本体的内部具有一溶液空间；
一水样导入模块，该水样导入模块连通该溶液空间，以将该水样导入该溶液空间中；
一药剂提供模块，该药剂提供模块连通该溶液空间，并对该水样提供包含催化剂的药剂而形成第一溶液，其中，该催化剂包含过渡金属离子；
一氧气提供模块，该氧气提供模块对该第一溶液提供氧气而形成第二溶液；以及
一UV光提供模块，该UV光提供模块接收该第二溶液，以对该第二溶液提供UV光，而透过该UV光的光照与该催化剂的催化，让该氧气与该水样反应生成氢氧自由基，而透过该氢氧自由基氧化该第二溶液中水样的非挥发性有机物以生成二氧化碳，而供该非分布式红外线分析仪分析该水样中的非挥发性有机碳含量。
3.如权利要求2所述的分析设备，其特征在于，该UV光提供模块对该第二溶液提供波长介于100至200nm之间与200至280nm之间的UV光，让该氧气与该水样反应生成氢氧自由基；该药剂提供模块所提供的药剂还包含酸剂，以令该水样的PH值小于1，使该水样中的无机碳酸化而生成二氧化碳，并由该氧气提供模块所提供的氧气排除该二氧化碳，藉以排除该水样中的无机碳。
4.如权利要求2所述的分析设备，其特征在于，该氧气提供模块还对该第二溶液提供氧气，迫使该二氧化碳朝该非分布式红外线分析仪流动，藉以分析该水样中的非挥发性有机碳含量。
5.如权利要求2所述的分析设备，其特征在于，还包括一纯水提供模块，该纯水提供模块连通该溶液空间，以对该溶液空间提供纯水，而对该溶液空间的水样进行稀释，以调整该溶液空间水样的浓度至适当值。
6.如权利要求2所述的分析设备，其特征在于，该设备本体还包括一底部排液模块、一过量排液模块、一定量排液模块与一溶液定量储存模块；该底部排液模块连通该溶液空间的底部，以自该溶液空间的底部，排出该溶液空间中的溶液；该过量排液模块连通该溶液空间，以排出该溶液空间中过量的溶液；该定量排液模块连通该溶液空间，以排出该溶液空间中部分的溶液；该溶液定量储存模块连通该溶液空间，以将该溶液空间中定量的溶液储存。
7.一种水样总有机碳含量的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(i)提供一水样；
(ii)提供一药剂，以制备包含该水样及该药剂的第一溶液，其中，该药剂包含催化剂，而该催化剂包含过渡金属离子；
(iii)在步骤(ii)期间或之后的任何时间，在该第一溶液中加入氧气以形成第二溶液；以及
(iv)在步骤(iii)期间或之后的任何时间，对该第二溶液提供UV光，而使该第二溶液反应生成氢氧自由基，而透过该氢氧自由基氧化该第二溶液中水样的非挥发性有机物而生成二氧化碳，藉以分析该水样中的总有机碳含量。
8.如权利要求7所述的分析方法，其特征在于，在步骤(i)期间或步骤(ii)期间之前的任何时间，在该水样中加入酸剂，以令该水样的PH值小于1，使该水样中的无机碳酸化而生成二氧化碳，藉以排除该水样中的无机碳。
9.如权利要求7所述的分析方法，其特征在于，在步骤(iv)期间或之后的任何时间，在该第二溶液中加入氧气，迫使由该水样的非挥发性有机物氧化所生成二氧化碳离开该第二溶液，藉以分析该水样中的非挥发性有机碳含量。
10.一种水样总有机碳含量的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(i)提供一水样；以及
(ii)在该水样中加入氧气以释出该水样中的挥发性有机物，而后对该挥发性有机物提供UV光，而让该挥发性有机物反应生成二氧化碳，藉以分析该水样中的挥发性有机碳含量。
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