TW201350624A - 臭氧模組、其臭氧產生器及其產生臭氧的方法 - Google Patents

Abstract

一種臭氧模組，其包括有一陽極、一陰極及一質子交換層，其中，該陽極連接於該質子交換層的一表面，且該陽極包含有一基材及至少一成型於該基材上的類鑽碳層，該陰極連接於該質子交換層上相對於該陽極的另一表面。本發明另提供一種臭氧產生器及其產生臭氧的方法。

Description

臭氧模組、其臭氧產生器及其產生臭氧的方法

本發明係有關於一種臭氧模組，且特別是有關於一種使用類鑚碳材料作為陽極的臭氧模組、其臭氧產生器及其產生臭氧的方法。

現今社會由於大量使用抗生素，導致細菌與病毒逐漸演化出具有抗藥性之病原體，如超級病毒即是感冒病毒所演變而成，其他病菌如出血性大腸桿菌、禽流感等皆對於人體有嚴重影響，對抗病原體與細菌之重要性迫在眉睫。

然而，人類對於環境或水源之保護仍尚無危機意識，擅自將工廠用之廢棄物及廢水排入河川而導致水源汙染，間接危害到生存於地球上之各種生物，更甚者，乃造成細菌之病變而產生無可挽回之傷害，況且人類與細菌為共存之結構，因此，如何有效避免有害之細菌對人體產生影響是所有科學與醫學界等領域爭相研究之目標。

最常見的除菌方法係利用高溫煮沸，即直接破壞細菌之結構達到除菌之效果；另外，食物之洗滌常需加入含除菌之氧化劑，如含氯之藥劑，由於自來水中之細菌含量連年上升，導致加入含氯藥物之含量亦上升，高含量之氯除了會產生難聞之氣味，同時還有影響健康之疑慮；此外，於洗滌水內加入清潔劑去除細菌亦為常利用之方法，然與加入含氯藥劑一樣同時有二次汙染之危機。

自然界中具高氧化力之物質除氯化物外，氟化物與臭氧亦具有高氧化能力，然前者具高毒性之疑慮，故無法有 效利用於民生飲用水或洗滌水中。相對地，臭氧之氧化能力較氯化物高3000倍，藉由臭氧的強氧化力更可有效地殺害水中之細菌，或降低水中所含重金屬及有機物雜質等有害成分，進而達到有效淨化水質及除色脫臭的效果，且殘留的臭氧會自動分解為氧氣，不會產生二次污染。

惟，製造臭氧的成本較高，長期以來並無法有效普及。常見之臭氧製造方法可分為紫外光法、高壓放電法與水電解法，其中，高壓放電法是使用一定頻率的高壓電流製造高壓電暈電場，使電場內或周圍的氧分子發生電化學反應，從而製造臭氧，但此作法需要經過多道預處理，設備繁多且產生的臭氧常伴隨著大量的氮、氧、氮氧化合物及其他雜質，不易分離，且氮氧化合物是具有致癌毒性的物質，此外，由於操作時使用高壓電流，會伴隨著嚴重的電磁波干擾，故電極本身的使用壽命也較短，具有諸多無法克服的弊病。

紫外光法是以波長185奈米的紫外光照射氧分子，使氧分子獲得能量後產生活性氧原子，並與其他氧分子結合產生臭氧，但紫外光燈管體積龐大，燈管壽命短，且臭氧的產生量又低於高壓放電法以及水電解法，故使用上受到許多限制。且高壓放電法及紫外光的設備均會產生高溫，容易使臭氧分解為氧氣，故縮短了臭氧的實際產出量。

再者，傳統的水電解法是將純淨水加入適當電解質並進行電解而產生臭氧，但其金屬電極由於臭氧之產生而導致電極表面之腐蝕，故降低電極的使用壽命，雖利用高硬度、高抗腐蝕性及具化學惰性之導電鑽石取代金屬電極作為陽極材料可延長電極之使用壽命，然而，利用導電鑽石 作為陽極仍有高成本、高製備條件等限制，因而無法有效商業化。

有鑑於上述之問題，發展一種高效率、低成本且具備鑽石之優越物理性質之類鑽碳電極之臭氧模組及其臭氧產生器實有其必要性。

本發明提供一種臭氧模組，其包括有一質子交換層、一陽極以及一相對於該陽極的陰極，其中，該陽極連接於該質子交換層的一表面，且該陽極包含有一基材及至少一成型於該基材上的類鑽碳層(Diamond Like Carbon,DLC)，該陰極電極連接於該質子交換層的另一表面。

特別的是，本發明之類鑽碳層為摻雜氮(Nitrogen)之類鑽碳層(DLC/N)。

本發明另提供一種臭氧產生器，其包括有一槽體、一設置於該槽體之臭氧模組及至少二導電板，其中，該槽體具有多數個進水孔及多數個出水孔，該臭氧模組包含有一質子交換層、一陽極及一相對於該陽極的陰極，其中，該陽極連接於該質子交換層的一表面，且該陽極包含有一基材及至少一成型於該基材上的類鑽碳層，該陰極連接於該質子交換層的另一表面，該至少二導電板固接於該臭氧模組的二側。

本發明又提供一種產生臭氧的方法。

綜上所述，本發明之臭氧模組包含有一類鑚碳陽極，其提供較低廉之成本、較高之導電性，需求較低之電壓及較低之功率等優點，可大幅度地節省所消耗之能源。另外 ，本發明之臭氧產生器適合用於長時間產生臭氧，且其具較簡易之組成及優異的除菌率。

請參閱圖1，其顯示本創作之臭氧模組10，其包括有一陽極11、一陰極12以及一質子交換層13，其中，該陽極11連接於該質子交換層13的一表面，且該陽極11包含有一基材111及至少一成型於該基材111上的類鑽碳層112，該陰極12連接於該質子交換層13上相對於該陽極11的另一表面。

具體而言，該陽極11係由碳布、碳紙或其他碳材之組合等材料的基材111，利用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)法將該至少一類鑽碳層112均勻沉積於該基材111上所製成。在本實施例中，所述基材111為一碳布，如圖2a所示，其為利用碳纖維以交錯之建構方式所組成，另外，如圖2b所示，當該基材111的表面利用化學氣相沉積法將之完全覆蓋後，該基材111表面之纖維完全被類鑽碳層112所覆蓋，其中，所述類鑽碳層112的厚度較佳為2-1000微米。此外，為進一步改變該類鑽碳層112的特性，可於該類鑽碳層112中加入一摻雜物，當所述摻雜物為硼或氮時，可提升該陽極11的導電率，若所述摻雜物為氫或氟時，則可增加其斥水性，較佳地，所述摻雜物的重量百分比約介於10%至30%之間。

該陰極12係由可導電之材料，如白金、銅、二氧化矽、二氧化鉛、碳布、碳紙、碳材或其組合等材料所製備之電極，在本實施例中，所述陰極12同樣為一碳布，且 該陽極11與該陰極12的尺寸為3×3 cm²。該質子交換層13為一Nafion層，所述Nafion層係以聚全氟磺酸為材料所形成，且該質子交換層13的厚度較佳為2-1000微米，更具體而言，所述臭氧模組10係將該陽極11及該陰極12以熱壓方式(熱壓溫度：130℃)黏附於該質子交換層13二側之表面上。

藉由上述之臭氧模組10，本發明另提供一種臭氧產生器1，其包括有一如上所述之臭氧模組10、一槽體20及至少二導電板30，其中，該槽體20具有多數個進水孔23及多數個出水孔24，且該至少二導電板30固接於該臭氧模組10的二側。

請參閱圖3，具體而言，該槽體20為抗氧化材料所製成，例如壓克力，且該槽體20包含有一第一水槽21及一第二水槽22，其中，該第一水槽21及該第二水槽22上開設有多數個相對應的鎖合孔(圖未示)，該些進水孔23開設於該第一水槽21及該第二水槽22之一側的下半部，該些出水孔24則開設於該第一水槽21及該第二水槽22上相對於進水孔23之另一側的上半部。

所述導電板30為金屬材料所製成，例如不鏽鋼或鋁，且該導電板30包含有一框部31及一由該框部31延伸形成之連接部32，在本實施例中，該框部31為一矩狀之不鏽鋼板或鋁板，該連接部32同樣為一長條狀之不鏽鋼板或鋁板，且該連接部32連接於該框部31的一端。另外，有關於臭氧模組10的詳細說明可參考前述，故在此不予贅述。

當所述臭氧產生器1於組裝時，以第一水槽21、導電板30、臭氧模組10、導電板30、第二水槽22之排列方 式將所有構件組裝後，將螺絲(圖未示)穿過該第一水槽21及第二水槽22上相對的鎖合孔，並以扭力板手將之平均旋緊。具體而言，該臭氧模組10及該些導電板30之框部31容置於該槽體20內，其中，該些導電板之框部31分別壓制於該臭氧模組10之二側，即壓制於該臭氧模組10一側之陽極11之類鑽碳層112上，以及該臭氧模組10另一側之陰極上，該些導電板30之連接部32凸伸出於該槽體20，供所述臭氧產生器1之電性連通。

藉由上述之組裝完成之臭氧產生器1，本發明又提供一種產生臭氧的方法，其至少包括有以下步驟： 由該第一水槽21及該第二水槽22上之進水孔23分別以流速1L/min將自來水導入該槽體20中，接著，由該些導電板30之連接部32施以外加之電壓於該臭氧模組10的陽極11與陰極12，所述外加之電壓較佳介於3-15伏特。

請參閱圖4，其顯示白金與氮化之類鑽碳之電流對電位之曲線圖，必須提及的是，所述氮化之類鑽碳層112(DLC/N)具有較金屬電極(如白金，Pt)更高的過電壓，其中該白金電極之氧化電壓約為1.7伏特，能夠有效將水分解成氧氣，而該氮化之類鑽碳層112之氧化電壓為2.7伏特，因此所述氮化之類鑽碳陽極11具有較佳的過電壓能力，更能夠有效將水分解成臭氧(水電解後產生氧氣之氧化電位為1.23伏特，水電解為臭氧之氧化電壓為1.51伏特，水與氧氣氧化成臭氧之氧化電位為2.07伏特)。

請參閱圖5，於施加電極時，該陽極11會與水反應產生臭氧及氫離子，且產生之臭氧會溶於水中並提供臭氧水以作為洗滌之用途，另外，產生之氫離子則會穿越質子交 換層13至該陰極12之表面以產生氫氣，完成一完整的氧化還原反應，其中，臭氧的濃度可藉由量測其於水中之氧化還原電位而獲得。

請參閱圖6，若將該陽極11產生的臭氧水與含有大腸桿菌之水溶液反應10分鐘，則可發現容液中大腸桿菌之含量減少約15%，因此可說明水中產生之臭氧能夠有效除去水中之細菌，此外，使用該陽極11產生的臭氧水沖洗含有農藥的蔬菜，可發現蔬菜葉面之農藥含量大幅降低至與未含農藥的蔬菜相同。

〔第二實施例〕

請參閱圖7，其顯示氧化還原電位(Oxidation-Reduction Potentional,ORP)對時間之曲線圖，本實施例的不同之處在於，所述陽極11之基材111上沉積有多數層氮化之類鑚碳層112，即該基材111上之類鑚碳層112為多層結構，圖示中，方形符號代表該基材111之表面沉積有一氮化之類鑚碳層112，圓形符號代表該基材111之表面沉積有二氮化之類鑚碳層112、三角形符號代表該基材111之表面沉積有六氮化之類鑚碳層112。

結果顯示，當該陽極11之氮化之類鑚碳層112為多層結構時具有更高之氧化還原電位，且所述多層結構較佳為二至六層，藉此，所述臭氧產生器1能夠產生出高濃度臭氧的同時，亦提高其中之陽極11的使用壽命。

〔第三實施例〕

請參閱圖8，其顯示另一氧化還原電位對時間之曲線圖，於本實施例中，所述陽極11同樣具有六氮化之類鑚碳層112，然而不同之處在於，所述臭氧模組10的反應面積為 8×8 cm²，即該陽極11與該陰極12的尺寸皆為8×8 cm²，圖示中，圓形符號代表該臭氧模組10的反應面積為8×8cm²，方形符號代表該臭氧模組10的反應面積為3×3cm²，結果顯示，當該臭氧模組10的反應面積增加時具有較高的氧化還原電位，因此所述臭氧產生器1能夠產生出較高濃度之臭氧。

綜上所述，本發明相較於習知的臭氧模組及臭氧產生器具有以下之優點：

1、相較於利用金屬或含硼導電鑽石作為陽極之臭氧模組而言，本發明之臭氧模組具有較低廉之成本及較高之導電性，且其中氮化之類鑚碳陽極具備鑽石之優越物理性質，不易受酸性或鹼性溶液的腐蝕，具有較常的使用壽命。

2、本發明之臭氧產生器適用於長效型產生臭氧，其較市售之臭氧產生器具有更低廉的價格及較簡易的組成，且其中所組裝之臭氧模組及內部結構皆使用高環保特性與無汙染性之材料，使得本發明之臭氧產生器又具有優異的生態環保特性。

3、本發明之產生臭氧的方法可產生高濃度及高重量比的臭氧，並可避免於產生臭氧的過程中化合出具有危險毒性的氮氧化合物，此外，其需求較低之電壓及功率，避免電力危險的隱憂及電磁波的噪音，可大幅節省能源的消耗。

惟以上所述僅為本創作之較佳實施例，非意欲侷限本創作之專利保護範圍，故舉凡運用本創作說明書及圖式內容所為之等效變化，均同理皆包含於本創作之權利保護範圍內，合予陳明。

1‧‧‧臭氧產生器

10‧‧‧臭氧模組

11‧‧‧陽極

111‧‧‧基材

112‧‧‧類鑚碳層

12‧‧‧陰極

13‧‧‧質子交換層

20‧‧‧槽體

21‧‧‧第一水槽

22‧‧‧第二水槽

23‧‧‧進水孔

24‧‧‧出水孔

30‧‧‧導電板

31‧‧‧框部

32‧‧‧連接部

圖1為本發明臭氧模組之示意圖；圖2為本發明氮化之類鑚碳層與基材之掃描式電子顯微鏡圖；圖3為本發明臭氧產生器之示意圖；圖4為本發明氮化之類鑽碳層與白金之電流對電位之曲線圖；圖5為本發明第一實施例之臭氧濃度對時間之曲線圖；圖6為本發明第一實施例之細胞存活率對時間之曲線圖；圖7為本發明第二實施例之氧化還原電位對時間之曲線圖；圖8為本發明第三實施例之氧化還原電位對時間之曲線圖。

10‧‧‧臭氧模組

11‧‧‧陽極

111‧‧‧基材

112‧‧‧類鑚碳層

12‧‧‧陰極

13‧‧‧質子交換層

Claims (18)

1. 一種臭氧模組，包括：一質子交換層；一陽極，該陽極連接於該質子交換層的一表面，該陽極包含有一基材及至少一成型於該基材上的類鑽碳層；以及一相對於該陽極的陰極，該陰極連接於該質子交換層的另一表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧模組，其中該質子交換層係以聚全氟磺酸為材料所形成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧模組，其中該基材的材料為碳布或碳紙，該陰極的材料為白金、銅、二氧化矽、二氧化鉛、碳布、碳紙或其組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧模組，其中該類鑽碳層更包括有一摻雜物。
5. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧模組，其中該摻雜物為氮，且該摻雜物的重量百分比介於10至30之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧模組，其中該類鑽碳層為多層結構。
7. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧模組，其中該類鑽碳層的層數為2至6。
8. 一種臭氧產生器，包括：一槽體，該槽體具有多數個進水孔及多數個出水孔；一臭氧模組，其容置於該槽體，該臭氧模組包含 有一質子交換層、一陽極及一相對於該陽極的陰極，其中，該陽極連接於該質子交換層的一表面，該陽極包含有一基材及至少一成型於該基材上的類鑽碳層，該陰極連接於該質子交換層的另一表面；以及至少二導電板，該至少二導電板固設於該臭氧模組的二側。
9. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧模組，其中該類鑽碳層更包括有一摻雜物。
10. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧模組，其中該摻雜物的重量百分比介於10至30之間。
11. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧模組，其中該類鑽碳層為多層結構。
12. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧模組，其中該類鑽碳層的層數為2至6。
13. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧產生器，其中該槽體係由抗氧化材質所製成，該槽體包含有一第一水槽及一第二水槽，且該第一水槽及該第二水槽上開設有多數個相對應的鎖合孔。
14. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧產生器，其中該些進水孔開設於該第一水槽及該第二水槽之一側的下半部，該些出水孔開設於該第一水槽及該第二水槽上相對於進水孔之另一側的上半部。
15. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧產生器，其中該質子交換層係以聚全氟磺酸為材料所形成。
16. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧產生器，其中該基材的材料係選自碳布、碳紙，該陰極的材料係選自白金、銅、二氧化矽、二氧化鉛、碳布、碳紙或其組合 。
17. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧產生器，其中該些導電板包含有一框部及一由框部延伸形成的接觸部。
18. 一種使用如申請專利範圍第8至17項的其中之一所述之臭氧產生器之產生臭氧的方法。