CN115594152A - 臭氧产生装置以及臭氧产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种臭氧产生装置以及臭氧产生方法，其中臭氧产生装置包括一介电衬底、一第一电极以及一第二电极。第一电极设置在介电衬底的第一表面。第二电极设置在介电衬底且对应第一电极。第一电极包括多个第一指部以及一体成型地突设在第一指部的多个微结构。

Description

臭氧产生装置以及臭氧产生方法

技术领域

本发明涉及一种臭氧产生技术，特别是一种臭氧产生装置以及臭氧产生方法。

背景技术

已知臭氧(O₃)可广泛应用在处理废水及空污等环境议题、医疗及食品业的消毒、高科技工艺及农渔水产等各种不同的领域。并且，臭氧的氧化能力不仅高于过氧化氢(H₂O₂)、二氧化氯(ClO₂)及次氯酸(HOCl)，且其半衰期短(常压常温条件下约30分钟)，与污染物(或微生物)接触后会迅速还原为氧气(O₂)，因此较无二次污染的危险。

传统上是采用管式臭氧产生机来产生臭氧，其利用管状的高压电极与其内的地极之间所形成的空间通入含氧气体，同时施加高压电以打破气体绝缘性产生等离子体，进而生成臭氧。但，此种臭氧产生技术的瓶颈在于能耗高，因此产生臭氧的能量效率(g/kWh)低，这导致臭氧相关技术无法普遍应用在中小企业，特别是难以落实在处理空污与废水等需要高效益的情境。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种臭氧产生装置以及臭氧产生方法，以实现低能耗高能效的臭氧产生技术。

根据本发明的一实施例所公开的一种臭氧产生装置，其包括一介电衬底、一第一电极以及一第二电极。第一电极设置在介电衬底的一第一表面。第二电极设置在介电衬底且对应第一电极。第一电极包括多个第一指部以及多个微结构，微结构一体成型地突设在第一指部。

根据本发明的一实施例所公开的一种臭氧产生方法，其包括以下步骤：提供一臭氧产生装置，其中臭氧产生装置的一第一电极设置在一介电衬底的一第一表面且包括多个第一指部以及一体成型地突设在些第一指部的多个微结构；提供含氧气体在容置臭氧产生装置的一反应腔体；以及提供电压给第一电极并令设置在介电衬底且对应第一电极的一第二电极接地，以利用表面放电产生臭氧。

根据本发明前述实施例所公开的臭氧产生装置以及臭氧产生方法，通过在介电衬底上配置具有微结构的高压电极，除了可具备表面放电的优势，微结构可具有尖端放电效应，并可增强与催化剂的协同反应，使电极周围具有较高的等离子体强度，因而可在较低的操作电压下产生臭氧，从而可有助于在有效降低能耗的同时提升臭氧产生的能量效率(g/kWh)。

另一方面，在高压电极反应升温时，微结构还有助于增加散热面积，从而有助于降低高温对臭氧产生的影响。

以上的关于本发明公开内容的说明及以下的实施方式的说明，用于示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求保护范围更进一步的解释。

附图说明

图1为依据本发明的一实施例的臭氧产生装置的立体示意图；

图2为传统钛系催化剂(如TiO₂、Ti₂O₃与Ti₃O₅)与黑二氧化钛(Black TiO₂)对不同波长的光吸收度的比较分析图；

图3为传统钛系催化剂(如TiO₂、Ti₂O₃与Ti₃O₅)与黑二氧化钛(Black TiO₂)的光致发光强度的比较分析图；

图4为图1的臭氧产生装置的局部放大示意图；

图5为图1的臭氧产生装置的局部放大剖切示意图；

图6为采用图1的臭氧产生装置的臭氧产生方法的步骤流程图；

图7为图1的臭氧产生装置在具微结构与无微结构的两种配置下进行的臭氧产率(yield)与臭氧产生效率(generation efficiency)的比较图；

图8为图1的臭氧产生装置采用传统钛系催化剂与黑二氧化钛为催化剂层以及没有采用催化剂层等不同配置下进行的臭氧产率与臭氧产生效率的比较图；

图9为依据本发明的另一实施例的臭氧产生装置的立体示意图；

图10为依据本发明的另一实施例的臭氧产生装置的立体示意图；

图11为图1与图10的臭氧产生装置在相同条件下的臭氧产率与臭氧产生效率的比较图。

附图标记说明

1，1’，1”：臭氧产生装置

9：反应腔体

10：介电衬底

11：第一表面

12：第二表面

20，20’：第一电极

21，21’：第一指部

30，30’：第二电极

31：第二指部

91：进气口

92：出气口

210，210’：微结构

211：平面

300：鳍片结构

CL：催化剂层

F：气流

P：气流通道

S01～S05：步骤

具体实施方式

以下将以实施方式详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，但非以任何观点限制本发明的范畴。并且，以下实施例将搭配附图进行说明，但为达到图面整洁的目的，一些已知惯用的结构与元件在附图可能会以简单示意的方式绘示。附图中部份的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。此外，为便于观看，部分附图中的某些结构线可能以虚线表示。

下文中可能会使用“端”、“部”、“部分”、“区域”、“处”等术语来描述特定元件与结构或是其上或其之间的特定技术特征，但这些元件与结构并不受这些术语所限制。以下文中也可能使用诸如“实质上”、“约”及“大致上”等术语，用于描述所修饰的情况或事件可能存在的合理或可接受的偏差量，但仍可达到所预期的结果。另外，下文中可能使用“至少一”来描述所指元件的数量，但除非另有明确说明，其不应仅限于数量为“仅有一”的情况。下文中也可能使用“及/或”的术语，其应被理解为包括所列出项目中的任一个及一或多个的所有组合。

如图1所示，本发明的一实施例给出了一种可以表面放电方式产生臭氧(O₃)的臭氧产生装置1，其可让等离子体(plasma)在绝缘的衬底平面上产生臭氧。如图所示，臭氧产生装置1设置在一反应腔体9中，且可包括一介电衬底10、一第一电极20、一第二电极30以及一催化剂层CL。

所述反应腔体9可为由亚克力或铁氟龙等任何合适材质所构成的中空结构，其可外接一氧气源(未绘示)，以将氧气(O₂)注入在其内部空间。举例来说，反应腔体9的相异两侧(例如，相对两侧)可分别具有一进气口91以及一出气口92，进气口91可用在外接任何合适的氧气源以使氧气得以进入反应腔体9进行反应，而出气口92可用于将反应的气体排出在外。

所述介电衬底10可例如以石英、氮化硼或陶瓷等其他合适的绝缘材质所构成。在此定义介电衬底10可具有一第一表面11，第一表面11可用于承载前述的催化剂层CL与第一电极20。

所述催化剂层CL可以任何合适的方式涂布或设置在介电衬底10的第一表面11。举例来说，催化剂层CL可完整覆盖介电衬底10的第一表面11，但本发明并非以此为限；例如在其他实施例中，介电衬底10的第一表面11也可仅局部地被催化剂层CL所覆盖。

催化剂层CL具有催化效应以帮助臭氧生成。具体来说，催化剂层CL的材质可为由钛与氧所组成的化合物，例如TiO₂、Ti₂O₃或Ti₃O₅(以下可统称为“传统钛系催化剂”)或BlackTiO₂(以下可称“黑二氧化钛”)。这里所述的催化效应可包括异相催化(heterogeneouscatalysis)及/或光催化(photo catalysis)，其中异相催化例如有L-H reaction(Langmuir-Hinshelwood)、E-R reaction(Eley-Rideal reaction)，其可例如涉及“利用等离子体产生单原子氧(O)”及“单原子氧吸附在催化剂层CL表面与氧气反应而生成臭氧”或“单原子氧与催化剂层CL表面反应而生成臭氧”等反应，而光催化可例如涉及“等离子体所发出的光使催化剂层CL表面形成O-、O₃-、O₂-等活性物种”以及“通过催化剂层CL表面反应生成臭氧”等反应。

关于黑二氧化钛的制备可至少涉及以下步骤：(1)将传统钛系催化剂以高纯度氮气(N₂)在高温(例如300～500℃)锻烧0.5～2小时，使其改质后具有颜色较深的外观颜色，可称为黑二氧化钛；(2)若黑二氧化钛为粒状则需捣至粉状以形成粉状黑二氧化钛；(3)粉状的黑二氧化钛以适量比例混入异丙醇钛(Titanium isopropoxide)，再利用喷涂方式均匀涂布在介电衬底10的第一表面11；(4)将含有涂布异丙醇钛及黑二氧化钛的介电衬底10以高纯度氮气在约300℃下锻烧，退火后可获得有黑二氧化钛作为催化剂层CL的介电衬底10。

此外，如图2所示，其为传统钛系催化剂与黑二氧化钛对不同波长的光吸收度(absorbance unit，a.u.)的比较分析图，如图所示，黑二氧化钛对光吸收度范围约为200nm～1000nm而涵盖了紫外光与可见光波段，而传统钛系催化剂对光吸收度仅落在200nm至接近600nm的范围而未涵盖可见光波段；也就是说，黑二氧化钛可吸收紫外光及可见光范围而对较宽的波长范围(即200nm～1000nm)具有光吸收峰，但传统钛系催化剂相较之下只对较窄的波长范围(即200nm～600nm)具有光吸收峰。

在此补充说明的是，相关文献(Nature Journal，Scientific Reports，9(1)，2019)指出，臭氧合成所需的氧气等离子体所发射光波长主要位于777nm及844nm，属可见光范围，因此，在可见光范围内，采用黑二氧化钛为催化剂层CL，氧气等离子体有助于诱发催化剂层CL产生良好的光催化机制，因而有助于提升臭氧产率。

另外，如图3所示，其为传统钛系催化剂与黑二氧化钛的光致发光(Photoluminescence，PL)强度的比较分析图。计算能隙的经验公式为：1240/波长，其中波长可为图3中催化剂高峰(peak)的中心点；举例来说，黑二氧化钛的波长约为850nm，故其能隙可约为1240/850＝1.45eV，而其它传统钛系催化剂的波长约为400nm，故其能隙可约为1240/400nm＝3.0eV。由此可知，黑二氧化钛的能隙(band gap)较传统钛系催化剂的能隙低。一般而言，能隙越低越有利于光催化效应，因此，黑二氧化钛具有较传统钛系催化剂更好的光催化效应。

接着，如图1所示，所述第一电极20可例如以不锈钢或其他合适材质所构成。第一电极20可以任何合适的方式设置在第一表面11而接触催化剂层CL。在一些实施例中，第一电极20可具有多个第一指部21，这些第一指部21彼此相间隔配置而使第一电极20整体呈梳状。在此需说明的是，第一电极20的第一指部21的数量、宽度、长度、高度与间隔距离等均可依据实际需求进行调整，附图仅为示例便于说明的目的，而非用于限制本发明。进一步地，可选地，这些第一指部21的每一个可为截面为多边形或半圆柱形的结构，但本发明并非以此为限。

此外，定义介电衬底10相对于所述第一表面11的另一表面为一第二表面12，所述第二表面12可涂布或披覆任何具导电特性的合适材质或导电层，而可以但不限于作为地极之用。举例来说，在本实施例中，所述第二电极30可为以任何合适的方式设置在介电衬底10的第二表面12以作为地极的导电层。具体来说，介电衬底10可例如利用任何合适的方式设置在第二电极30上，使得第二电极30可用在支撑或承载介电衬底10及其上的第一电极20与催化剂层CL，反应腔体9可利用任何合适的方式(未绘示，例如螺丝、螺栓或黏着剂)固定在第二电极30而罩覆介电衬底10及其上的第一电极20与催化剂层CL，从而与第二电极30共同围绕密封介电衬底10及其上的第一电极20与催化剂层CL。

更进一步来看，在本实施例的第二电极30可包括一或多个鳍片结构300。如图所示，所述鳍片结构300例如可为自第二电极30相对远离第一电极20的表面向外延伸突出且彼此相间隔开的多个片状体。在一些实施例中，第二电极30可例如为长、宽约为165毫米且鳍片结构300的高度约为45毫米的铝制散热鳍片板。因此，第二电极30除了可作为接地电极，其鳍片结构300的配置由于与空气接触面积大，还可有助于提高对臭氧产生装置1的散热效果，从而有助于降低高温对臭氧产生的影响。并且，第一电极20与第二电极30分别配置在介电衬底10的相对两表面的配置，有助于分散等离子体体中电子的冲击作用力，以延长介电衬底10的使用寿命。

如图1所示及进一步如图4～5所示，以见臭氧产生装置1在第一指部21处的局部放大示意图以及臭氧产生装置1的局部放大剖切示意图。如图所示，前述的催化剂层CL可存在于第一电极20的第一指部21与介电衬底10之间。此外，第一电极20还包括有微结构210，微结构210至少分布在第一电极20的第一指部21的表面而接触催化剂层CL。在本实施例或其他实施例中，微结构210可一体成型在第一指部21的表面。具体来说，微结构210可一体成型地突设在第一指部21的表面。举例来说，微结构210可呈螺纹或螺旋状(spiral)，以至少使第一电极20的第一指部21的外观具有螺纹或螺旋状的轮廓。在一些实施例中，微结构210的螺纹可具有约1.2mm～3.7mm的牙距，但本发明并非以此为限。并且，在微结构210为螺纹或螺旋状的实施例中，微结构210上可形成或定义出多个气流通道P(如图5)，以供气流(如图所示的F)可横向地流过第一指部21。并且，微结构210可使第一电极20与气流接触面积增加，有助于提升第一电极20的散热效果。

在此配置下，如图6所示，其为采用臭氧产生装置1的臭氧产生方法的步骤流程图，首先可如步骤S01提供如前所述的臭氧产生装置1，其中，臭氧产生装置1可依据需求采用为传统钛系催化剂或黑二氧化钛的催化剂层CL。接着，如步骤S02以提供含氧气体在用于容置臭氧产生装置1的反应腔体9。接着，如步骤S03，将阳极连接第一电极20、将地极连接第二电极30、并对第一电极20通电，从而利用表面放电的方式产生臭氧；具体来说，可令第一电极20经由穿出在外的线路(未绘示)连接功率例如约60W的交流电的外部电源(未绘示)，当电流通入第一电极20时，放电(或等离子体)可产生在第一电极20周围，且第一电极20可通过其第一指部21上的微结构210诱发尖端放电效应以增强等离子体强度，并且，微结构210的尖端结构与催化剂层CL的接触，催化剂层CL具有催化效应而得以提升等离子体强度与电子密度，从而有助于提升臭氧的产率(g/h)及能量效率(g/kWh)。因此，本领域工作人员可通过采用本实施例的臭氧产生装置1而达到高臭氧产生效率而降低能耗的效果。

在此，列举在采用前述实施例的臭氧产生装置1的模拟实验，其介电衬底10可为一个由石英或氮化硼所构成的厚度约0.8～1毫米且长宽均为15公分的板体，而涂布在介电衬底10的催化剂层CL可为由黑二氧化钛所构成的厚度约100奈米的涂层，在此配置下，当纯度约99％的氧气例如以4～6公升/分钟(L/min)的流率注入反应腔体9，气体在反应腔体9的停留时间约为1～1.5秒，在输入第一电极20的功率约为60W(操作电压范围例如在3～5kV、操作频率范围例如在10～25kHz)时，具有微结构210的第一电极20搭配催化剂层CL的配置可使臭氧产生效率达到约128～140g/kWh的水平。

接着，如图7所示，其为前述臭氧产生装置在第一电极20具有微结构210以及在第一电极20没有微结构等两种配置下所进行的臭氧产率与臭氧产生效率的比较图，可见，例如在相同前述环境与条件(例如约60W的功率)下，具有微结构210的前述第一电极20的配置的臭氧产率与臭氧产生效率均显著高于第一电极20没有微结构时的臭氧产率与臭氧产生效率。由此可知，通过前述微结构的配置，可使臭氧产率与臭氧产生效率提高约20％，有助于实现较低能耗且较高能量效率的臭氧产生技术。

此外，如图8所示，其为臭氧产生装置采用传统钛系催化剂与黑二氧化钛为催化剂层以及没有采用催化剂层等不同配置下进行的臭氧产率与臭氧产生效率的比较图，其可在电压约为4kV、频率约为14.5kHz、采用前述的第一电极20、氧气气体流率约为6L/min及气体停留时间约1秒的相同条件下所进行。可见，相较于以传统钛系催化剂为催化剂层与未采用催化剂层等其他方案，以黑二氧化钛为催化剂层可具有明显较高的臭氧产率与臭氧产生效率。

此外，补充说明的是，本发明所提出的臭氧产生装置的配置适于在例如3～5kV等相对较低操作电压以及例如10～25kHz等相对较高操作频率的操作条件下进行，若频率过低(例如至0.05～0.06kHz)则可能产生电弧放电而不利于臭氧的产生。另外，相较于以氮化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AIN)、氮化硅(Si₃N4)等其他材质作为衬底的情况来说，在介电衬底以石英或氮化硼所制成实施例中在产生臭氧的过程中较不容易产生电弧，故较为稳定。

另补充说明的是，可选地，第一电极20的第一指部21可沿着与反应腔体9的进气口91与出气口92的连线实质上垂直的方向排列(如图1所示)；换句话说，进气口91与出气口92的连线(未绘示)可贯穿第一电极20的所有第一指部21；又或者说，第一电极20的第一指部21可介于进气口91与出气口92之间。这样的配置有助于使气流充分流过所有的第一指部21，从而有助于提高臭氧生产效能。

当然，在同样能达到前述优点的前提下，本发明的臭氧产生装置不仅限于前述实施例所描述的方案。举例来说，如图9所示，本发明的另一实施例提出了一种臭氧产生装置1’，需说明的是，臭氧产生装置1’与前述实施例的臭氧产生装置的差异主要在于第二电极的配置位置与设计，故为达简洁说明的目的，以下仅针对实施例的差异进行详细描述，相似与相同的处可参考前述对应段落获得理解而不再赘述，且相同标号可指相同的构件与结构。

在本实施例中，臭氧产生装置1’的第二电极30’可设置在介电衬底10的第一表面11而对应第一电极20。具体来说，第二电极30’可具有多个第二指部31，这些第二指部31彼此相间隔配置而使第二电极30’整体呈梳状。第二电极30’的第二指部31可与第一电极20的第一指部21为交错配置，且相邻的第二指部31与第一指部21彼此之间可保持适当的间距，从而在介电衬底10的同一表面(即，第一表面11)形成对称式的表面放电(等离子体)反应器。并且，可选地，介电衬底10相对于第一表面11的第二表面12上也可设置有一导电层以作为地极(图未示)。

另外，如图10所示，本发明的另一实施例提出了一种臭氧产生装置1”，需说明的是，为达简洁说明的目的，以下仅针对臭氧产生装置1”与前述实施例的差异进行详细描述，相似与相同之处可参考前述对应段落获得理解而不再赘述，且相同标号可指相同的构件与结构。

在本实施例中，臭氧产生装置1”的第一电极20’相对远离介电衬底10的表面可为一个平整或平坦的表面(如附图的平面211)。在此配置下，第一电极20’的第一指部21’的微结构210’可沿第一电极20’直接与催化剂层CL的侧缘配置而略呈锯齿状。

在此，如图11所示，其为图1的臭氧产生装置1与图10的臭氧产生装置1”在相同条件下的臭氧产率与臭氧产生效率的比较图。可见，由于第一电极20’的微结构210’同样可具有尖端放电效应并可增强与催化剂层CL的协同反应，因而可产生与图1的臭氧产生装置1相当的臭氧产率与臭氧产生效率。

基于前述可知，只要本发明的臭氧产生装置的第一电极的微结构具有朝远离第一指部而向外渐缩的轮廓与形状而有利于诱发尖端放电效应，第一电极上的微结构并不限于各种类型的螺纹、锯齿或其他形式的形状。

综上所述，本发明实施例所公开的臭氧产生装置以及臭氧产生方法中，通过在介电衬底上配置具有微结构的高压电极，除了可具备表面放电的优势，微结构能诱发尖端放电效应及增强增加催化剂反应，使电极周围具有较高的等离子体强度，因而可在较低的施压电压下产生臭氧，从而可有助于在有效降低能耗的同时提升臭氧产生的能量效率(g/kWh)。

此外，前述配置搭配黑二氧化钛为催化剂层所触发的催化效应，可再大幅度提升臭氧的产率(g/h)及能量效率。并且，由于黑二氧化钛可吸收空气及氧气等离子体所发射的可见光波长，故通用于空气等离子体及氧气等离子体，这在应用于臭氧产生时有利于提升臭氧产率及使能效获得显著提升。

由此可知，本发明实施例所公开的臭氧产生装置以及臭氧产生方法整合了表面放电、尖端放电效应以及催化剂催化等技术的优点，实现了一种低能耗且高效率的臭氧产生技术，从而可有效改善传统空间式放电臭氧产生器因能效低而不利于普遍应用及落实在特定领域的问题。

另一方面，在高压电极反应升温时，微结构可增加散热面积而降低高温对臭氧产生的影响，进而有助于确保或进一步提升臭氧的产率及能量效率。

Claims (20)

1.一种臭氧产生装置，包括：

一介电衬底；

一第一电极，设置在该介电衬底的一第一表面；

一第二电极，设置在该介电衬底且对应该第一电极；以及

其中该第一电极包括多个第一指部以及多个微结构，多个微结构一体成型地突设在该第一指部。

2.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其中该第二电极设置在该介电衬底的该第一表面。

3.如权利要求2所述的臭氧产生装置，其中该第二电极包括多个第二指部，该第一电极的多个第一指部与多个第二指部交错配置。

4.如权利要求1所述的臭氧产生装置，还包括一导电层，设置在相对于该第一表面的一第二表面上以作为地极。

5.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其中该介电衬底具有相对于该第一表面的一第二表面，该第二电极设置在该介电衬底的该第二表面。

6.如权利要求5所述的臭氧产生装置，还包括一反应腔体，该反应腔体固定在该第二电极以与该第二电极共同围绕密封该介电衬底与该第一电极。

7.如权利要求6所述的臭氧产生装置，其中该第一电极的多个第一指部介于该反应腔体的一进气口与一出气口之间。

8.如权利要求5所述的臭氧产生装置，其中该第二电极包括多个鳍片结构，自该第二电极相对远离该第一电极的表面向外延伸突出。

9.如权利要求1所述的臭氧产生装置，其中各该微结构为螺纹。

10.如权利要求9所述的臭氧产生装置，其中各该微结构的螺纹具有1.2mm～3.7mm的牙距。

11.如权利要求9所述的臭氧产生装置，其中各该微结构的螺纹之间形成多个气流通道。

12.如权利要求1所述的臭氧产生装置，还包括一催化剂层，设置在该介电衬底的该第一表面而接触该第一电极的多个微结构。

13.如权利要求12所述的臭氧产生装置，其中该催化剂层介于该第一电极的多个微结构与该介电衬底的该第一表面之间。

14.如权利要求12所述的臭氧产生装置，其中该催化剂层包括黑二氧化钛。

15.如权利要求14所述的臭氧产生装置，其中该黑二氧化钛在200nm～1000nm的波长范围有光吸收峰。

16.如权利要求12所述的臭氧产生装置，其中该第一电极相对远离该介电衬底的表面为一平坦表面，且各该微结构接触该催化剂层的边缘呈锯齿状。

17.一种臭氧产生方法，包括：

提供一臭氧产生装置，其中该臭氧产生装置的一第一电极设置在一介电衬底的一第一表面且包括多个第一指部以及一体成型地突设在多个第一指部的多个微结构；

提供含氧气体在容置该臭氧产生装置的一反应腔体；以及

提供电压给该第一电极并令设置在该介电衬底且对应该第一电极的一第二电极接地，以利用表面放电产生臭氧。

18.如权利要求17所述的臭氧产生方法，其中该臭氧产生装置包括设置在该介电衬底的该第一表面并接触该第一电极的多个微结构的一催化剂层。

19.如权利要求18所述的臭氧产生方法，其中该催化剂层包括黑二氧化钛，且该黑二氧化钛在200nm～1000nm的波长范围有光吸收峰。

20.如权利要求17所述的臭氧产生方法，其中在通电该第一电极的步骤包括：以3～5kV的操作电压及10～25kHz的操作频率的电源输入该第一电极。

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