CN1261198C - 化学机制控制型高浓度臭氧/水产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制造高浓度臭氧/水(例如臭氧水)的方法与系统。不同于传统单独以控制物理性条件来提高臭氧溶解浓度，本发明透过添加适当的化学性自由基去除剂(radical scavenger)于臭氧/水混合系统，以选择性控制自由基的反应机制，使臭氧于水中的溶解能力能突破系统物理性条件限制，使趋近系统热力学的饱和浓度，于是提高臭氧在水中的溶解浓度与稳定度。本发明并提供一套结合化学性添加及回流循环机制的高浓度臭氧/水产生系统。

Description

化学机制控制型高浓度臭氧/水产生系统及方法

                         技术领域

本发明属于制备臭氧水技术领域，特别涉及化学机制控制型高浓度臭氧/水产生系统及方法。

                         发明背景

臭氧水的应用领域极广泛，包括使用于饮用水处理、废水处理、食品及医疗设备消毒等工程。臭氧是难溶于水的气体，单独操作物理性条件对其溶解度提升的效果有限，使得传统上臭氧水的应用都局限在低浓度的范围。近年来，由于臭氧水具备高洁净度低污染排放及高制程效率等特性，许多先进的研究都尝试将臭氧水应用在高阶电子组件(包括IC及LCD)制程，也都获得很好的制程效果，因此市场上迫切地需要新式高浓度与高稳定度臭氧水产生技术的开发，使相关工厂制程的技术能有效突破。

申请人调查1981-2001年中有关臭氧产生技术的专利前案计有EP430904A1，US5205994，EP711731A3，US5670094，US5971368，DE19752769A1，EP856491A3，中国台湾公告第326809号，US6080531，US6132629，EP1038993A1，EP1076632A2，EP1090880A1，分析以上相关技术，臭氧水产生系统的设计原则，除了采用电解法产生机能水(阳极产生臭氧水，阴极产生氢水)，均着重于强调系统的物理性条件控制及气液接触设备的改良，包括增大操作压力、降低操作温度及增进气液接触面积等方式。截至目前，尚无任何专利采取以化学性添加方式达到提高臭氧水度之目的。

                          发明内容

本发明提供一种化学机制控制型高浓度臭氧/水产生系统，其主要包含以下组成部分：一臭氧气体产生设备、一臭氧溶解设备、一化学品添加机构、及一循环回路机构，其中：

该臭氧气体产生设备包含一臭氧气体产生器，该臭氧气体产生器适于连接一空气或氧气供给气体源，而产生臭氧气体；

该臭氧溶解系统包含一气液溶解单元及一反应温度控制系统，其中该气液溶解单元设有一气液溶解槽及一气液分离装置，臭氧气体产生器所产生的臭氧气体通入水供给管线后，经由泵送入该气液溶解槽，以提供臭氧气体与该水进行溶解反应的空间，其中该气液溶解槽的未溶解臭氧由该气液分离装置去除水后，可循环回流至气液溶解槽中再次反应，或被送至该臭氧气体破坏器进行分解而排放至外界；该臭氧溶解系统的反应温度由该反应温度控制系统控制，该反应温度控制系统可包括冷却设备及加热设备；

该化学品添加机构包含一设置于该臭氧气体供给管线上的注入器及/或该水供给管线上的注入器，于是一自由基去除剂及一选择性的pH值控制物质可经由此处注入这些管线内并携带至该气液溶解槽；及

该循环回路机构包含一流量控制出水阀，一回路流量调整阀，一出流水管及一回流管路，其中该出流水管将该气液溶解槽内的臭氧/水导出；该流量控制出水阀位于该出流水管上；该回流管路的一端连接至该水供给管线，而另一端连接在该出流水管且位于该气液溶解槽与该流量控制出水阀之间的位置；该回路流量调整阀位于该回流管路上，于是借助该流量控制出水阀及该回路流量调整阀将经该气液溶解槽产生的臭氧/水部分回流至该气液溶解槽之内，使臭氧/水在其中进行多次循环反应，提高溶解浓度，同时该气液溶解槽产生的臭氧/水由该流量控制出水阀控制稳定流量输出至用水端。

较佳的，该pH值调整物质包括(但不限于)HCl，H₂SO₄，柠檬酸(citricacid)，及NH₄OH。该pH值调整物质的用量使得该气液溶解槽的pH操作范围为3.0～6.5。

本发明同时提供一种化学机制控制型高浓度臭氧/水产生方法，包含以下步骤：

a)将臭氧气体与一水导入于一气液溶解槽内及一选自以下族群的自由基去除剂的存在下进行溶解反应，该族群是由CO₂，H₂CO₃，NH₄HCO₃，(NH₄)₂CO₃，二碳酸盐(salts of bicarbonate ion)，碳酸盐(salts of carbonate ion)，H₃PO₄，磷酸二氢盐(salts of H₂PO₄ ^-)，磷酸氢盐(salts of HPO₄ ^2-)，磷酸盐(salts of PO₄ ^3-)，醋酸(acetic acid)，醋酸铵(ammonium acetate)，草酸(oxalic acid)，草酸盐(salts of oxalate ion)，丙酮(acetone)，t-丁醇(t-butanol)，烷烃(alkanes)，及其它们组合所组成；及

b)将从该气液溶解槽流出的臭氧/水的一部份作为产品排出及另一部份回流至该气液溶解槽循环进行溶解反应，其中该回流部份与排出部份的流量比例介于0.2～3.5。

较佳的，该水为去离子水或一般水。

较佳的，该自由基去除剂以每1000克水添加10^-2～10^-5摩尔的量被添加于该气液溶解槽。

发明的详细说明

臭氧在水系统中的浓度累积效果是一连串自由基循环反应的结果，反应过程中多种自由基的存在皆会诱发分子态臭氧的分解，对臭氧水系统中液态分子臭氧浓度的累积极为不利。根据本案发明人金光祖博士于1992年在美国SEMATECH Center of Excellence for Micro-contamination/DefectAssessment and Control所进行的UV-induced和臭氧-induced的自由基数值仿真研究结果发现，自由基的寿命远超过过去文献资料记载的10^-3秒，可存在长达3～5秒钟。而根据本案相关研究发现，在去离子水中透过控制pH值及适当添加自由基去除剂(radical scavenger)，可选择性地控制臭氧/水混合系统中的反应机制，阻断自由基反应模式并促进分子态反应模式，再配合回流循环设计，可使得臭氧/水混合系统中分子态臭氧浓度能有效地累积并维持长时间的稳定输出，于是设计出一高浓度臭氧水产生系统。

适合作为本发明的pH值调整物质包括(但不限于)HCl，H₂SO₄，citricacid，NH₄OH；自由基去除剂(radical scavenger)包括(但不限于)CO₂，H₂CO₃，NH₄HCO₃，(NH₄)₂CO₃，二碳酸盐(salts of bicarbonate ion)，碳酸盐(saltsof carbonate ion)，H₃PO₄，磷酸二氢盐(salts of H₂PO₄ ^-)，磷酸氢盐(saltsof HPO₄ ^2-)，磷酸盐(salts of PO₄ ^3-)，醋酸(acetic acid)，醋酸铵(ammoniumacetate)，草酸(oxalic acid)，草酸盐(salts of oxalate ion)，丙酮(acetone)，t-丁醇(t-butanol)，及烷烃(alkanes)，其可以单一或以它们组合物方式被使用。

依据本发明的一较佳具体实施例所完成的一种化学机制控制型高浓度臭氧水产生系统被示于图1，其主要包含以下组成部分：一臭氧气体产生设备101、一臭氧溶解设备102、一化学品添加机构103、及一循环回路机构104。

该臭氧气体产生设备101包含一臭氧气体产生器1、一供给气体源2(通常为氧气或空气)，其中臭氧气体产生器1的臭氧气体的产生量是由一供给气体流量调整阀3控制该供给气体源2的供给气体量而加予调整。

该臭氧溶解设备102为臭氧气体与水(通常为去离子水(DI)或一般水)进行溶解反应的地方，包含一气液溶解单元4，该气液溶解单元4内设有一气液溶解槽41及一气液分离装置42，其操作压力由一流量控制出水阀11进行控制。一供给源5提供水给该气液溶解单元4，其流量由一流量调整装置6控制。该气液溶解单元4的反应温度由该温度控制系统7(一般为冷却设备或加热器)控制。该气液溶解单元4的气液溶解槽41的未溶解臭氧先由该气液分离装置42后，可回流至41再行溶解，或是送至一臭氧气体破坏器8分解后排放。

该化学品添加机构103包含设置于臭氧气体供给管线上的注入器9及/或DI供给管线上注入器10，自由基去除剂及一选择性的pH值控制物质可经由此处注入这些管线内并携带至该气液溶解槽41。

该循环回路机构104由该流量控制出水阀11及一回路流量调整阀12控制，将经该臭氧溶解设备102产生的臭氧水部分回流至一循环泵13进水端再送入该臭氧溶解设备102之内，使臭氧水在该臭氧溶解系统102中进行多次循环反应，提高溶解浓度。产生的臭氧水由该出水阀11控制稳定流量输出至用水端15，并可经由浓度检测点14进行线上浓度检测。

                      附图说明

图1显示依据本发明的一较佳具体实施例所完成的一种化学机制控制型高浓度臭氧水产生系统的方块示意图。

附图标记

101..气体产生设备            102..臭氧溶解设备

103..化学品添加机构          104..循环回路机构

1..臭氧气体产生器    2..供给气体源    4..气液溶解单元

41..气液溶解槽       42..气液分离装置

5..水供给源          7.冷却系统       8..臭氧气体破坏器

9，10..注入器        13..泵          14..臭氧浓度检测点

3，6，11，12..阀

                       具体实施方式

实施例

以类似于图1所示的高浓度臭氧水产生系统进行实验，其中气液溶解槽41的操作压力为2.0巴(表压)，及操作流量：11L/min。在去离子水导入该气液溶解槽41的第21分钟开始该注入器10加入醋酸铵(ammoniumacetate)，使去离子水的醋酸铵浓度为0.1mM。该浓度检测点14所测得的线上臭氧水浓度被示于下表。

时间(min)	臭氧水浓度(ppm)
		1	7.8
10	8.2
		20	8.1
21	31.8
		30	32.0
35	31.5
		40	31.8
50	32.2

从上述表中的数据可以看出，在加入醋酸铵后从该气液溶解槽41出来的臭氧水其臭氧浓度由约8ppm提升至32ppm。

Claims (4)

1.一种化学机制控制型高浓度臭氧/水产生系统，其主要包含以下组成部分：一臭氧气体产生设备、一臭氧溶解设备、一化学品添加机构、及一循环回路机构，其中：

该臭氧气体产生设备包含一臭氧气体产生器，该臭氧气体产生器适于连接一空气或氧气供给气体源，而产生臭氧气体；

该臭氧溶解系统包含一气液溶解单元及一反应温度控制系统，其中该气液溶解单元设有一气液溶解槽及一气液分离装置，臭氧气体产生器所产生的臭氧气体通入水供给管线后，经由泵送入该气液溶解槽，以提供臭氧气体与该水进行溶解反应的空间，其中该气液溶解槽的未溶解臭氧由该气液分离装置去除水后，循环回流至气液溶解槽中再次反应，或被送至该臭氧气体破坏器进行分解而排放至外界；该臭氧溶解系统的反应温度由该反应温度控制系统控制，该反应温度控制系统包括冷却设备及加热设备；

该化学品添加机构包含一设置于该臭氧气体供给管线上的注入器及/或该水供给管线上的注入器，于是一自由基去除剂及一选择性的pH值控制物质可经由此处注入这些管线内并携带至该气液溶解槽；及

该循环回路机构包含一流量控制出水阀，一回路流量调整阀，一出流水管及一回流管路，其中该出流水管将该气液溶解槽内的臭氧/水导出；该流量控制出水阀位于该出流水管上；该回流管路的一端连接至该水供给管线，而另一端连接在该出流水管且位于该气液溶解槽与该流量控制出水阀之间的位置；该回路流量调整阀位于该回流管路上，于是借助该流量控制出水阀及该回路流量调整阀将经该气液溶解槽产生的臭氧/水部分回流至该气液溶解槽之内，使臭氧/水在其中进行多次循环反应，提高溶解浓度，同时该气液溶解槽产生的臭氧/水由该流量控制出水阀控制稳定流量输出至用水端。

2.如权利要求1所述的系统，其中该水为去离子水或一般水。

3.一种化学机制控制型高浓度臭氧/水产生方法，包含以下步骤：

a)将臭氧气体与一水导入于一气液溶解槽内及一选自以下族群的自由基去除剂的存在下进行溶解反应，该族群是由CO₂，H₂CO₃，NH₄HCO₃，(NH₄)₂CO₃，二碳酸盐，碳酸盐，H₃PO₄，磷酸二氢盐，磷酸氢盐，磷酸盐，醋酸，醋酸铵，草酸，草酸盐，丙酮，t-丁醇，烷烃，及其它们组合所组成，其中该自由基去除剂以每1000克水添加10^-2～10^-6摩尔的量被添加于该气液溶解槽；该气液溶解槽的pH操作范围为3.0～6.5；及

b)将从该气液溶解槽流出的臭氧/水的一部份作为产品排出及另一部份回流至该气液溶解槽循环进行溶解反应，其中该回流部份与排出部份的流量比例介于0.2～3.5。

4.如权利要求3所述的方法，其中该水为去离子水或一般水。