TW201643107A - 臭氧製造方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種臭氧製造方法，包含：提供包含二氧化碳及氧氣之混合氣體；以及使用準分子紫外光燈照射該混合氣體，以產生臭氧，其中，該準分子紫外光燈填充有選自氦、氖、氬、氪、氙、氟及溴所組成群組之至少一種氣體。藉由包含二氧化碳及氧氣之混合氣體做為反應氣體，可有效提升紫外光光源製造臭氧之產率。本揭露復提供臭氧製造裝置。

Description

臭氧製造方法及裝置
本揭露係關於一種臭氧製造方法，尤係關於使用紫外光光源之臭氧製造方法。
臭氧具有強氧化力，可分解環境中對人體健康有害的物質，是公認的高效殺菌物質。以臭氧淨化空氣或水質已廣泛地運用在如飲食、醫藥、農業、洗衣等領域。目前，臭氧產生裝置製造臭氧的方式主要區分為高壓放電法(Corona Discharge,CD)及紫外光(Ultraviolet,UV)化學法。
高壓放電法的原理近似於自然界的放電現象，其係將空氣通入兩個電極板之間，再施加電場使電子在該兩電極板之間移動，受電場驅動的電子提供能量游離空氣的氧分子而產生臭氧。然而，高壓放電法的臭氧產生裝置除了生成臭氧之外，還可能產生具有毒性且經研究證實為致癌物質的氮氧化物(如NOx等)。
UV化學法係以紫外光照射空氣，波長小於242nm之紫外光可令空氣的氧分子游離，以形成臭氧。UV化學法的臭氧產生裝置主要係使用低壓汞燈或準分子紫外光燈 (Excimer UV,EUV，又稱為介質屏障放電燈(Dielectric barrier discharge,DBD))做為紫外光光源。
低壓汞燈的放射光譜中能有效產生臭氧之紫外光(如波長185nm)所佔比例通常僅約全部光譜能量的7至15%，因此，低壓汞燈之臭氧產生裝置製造臭氧的效率偏低。
EUV燈之燈管內填充有惰性氣體，當施加電場至EUV燈，燈管內之惰性氣體(例如氙Xe)輻射紫外光，空氣中的氧分子受到紫外光的激發而生成臭氧。一般而言，相較於低壓汞燈，EUV燈可產生較高的臭氧濃度。
然而，EUV燈作用時所產生的高溫會影響臭氧生成濃度及效率。為了避免高溫影響臭氧生成濃度的問題，現有解決問題的手段包括一方面改良EUV燈之臭氧產生裝置的冷卻結構，另一方面以高純度氧氣做為反應氣體來製造臭氧。此等手段雖可提高臭氧生成濃度，卻因為經改良的裝置結構過於複雜、高純度氧氣不易生產等因素導致製造成本大幅增加，從而此等手段不具實用性。
因此，如何解決現有臭氧製造技術之種種問題，提高UV化學法製造臭氧之產率，即為發展本揭露之目的。
本揭露提供一種臭氧製造方法，該方法包含：提供包含二氧化碳及氧氣之混合氣體；以及使用準分子紫外光燈照射該混合氣體，以產生臭氧，其中，該準分子紫外光燈填充有選自氦、氖、氬、氪、氙、氟及溴所組成群組之至少一種氣體。
本揭露進一步提供一種臭氧製造裝置，該裝置包含氣體供應單元、反應室以及準分子紫外光燈，該氣體供應單元提供包含氧氣及二氧化碳之混合氣體，該反應室連通該氣體供應單元，該準分子紫外光燈設置於該反應室中且填充有選自氦、氖、氬、氪、氙、氟及溴所組成群組之至少一種氣體。
由於使用包含二氧化碳及氧氣之混合氣體做為反應氣體，經紫外光照射之二氧化碳可促進臭氧生成反應，且二氧化碳可穩定已生成之臭氧，故應用本揭露之臭氧製造方法的裝置除了可以大幅減少反應氣體的生產成本，更可有效提升紫外光光源製造臭氧之產率。
1,1’‧‧‧臭氧製造裝置
10,10’‧‧‧氣體供應單元
11‧‧‧反應室
12‧‧‧準分子紫外光燈
100‧‧‧臭氧濃度偵測器
101‧‧‧氧氣源
102‧‧‧二氧化碳源
103‧‧‧管線
第1A圖為應用本揭露之臭氧製造方法之裝置示意圖；以及第1B圖為應用本揭露之臭氧製造方法之另一裝置示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，所屬技術領域具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容瞭解本揭露之其他優點與功效。本揭露也可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本揭露之精神下進行各種修飾與變更。
除非文中另有說明，說明書及所附申請專利範圍中所 使用之單數形式「一」及「該」包括複數個體。
第1A圖為應用本揭露之臭氧製造方法之裝置示意圖。如第1A圖所示，臭氧濃度偵測器100連通臭氧製造裝置1，用以偵測臭氧製造裝置1所製造之臭氧濃度，以供後續之應用。
臭氧製造裝置1包含氣體供應單元10、反應室11、以及準分子紫外光燈12。氣體供應單元10提供包含氧氣以及二氧化碳之混合氣體，反應室11連通氣體供應單元10，準分子紫外光燈12設置於反應室11中且填充有選自氦、氖、氬、氪、氙、氟及溴所組成群組之至少一種氣體。
在本實施例中，氣體供應單元10可為填充有混合特定比例二氧化碳以及氧氣的氣體鋼瓶，氣體供應單元10可設置調節機構(例如流量閥)用以調控該混合氣體的流率(升/分鐘)。
在其他實施例中，如第1B圖所示，臭氧製造裝置1’的氣體供應單元10’可由氧氣源101、二氧化碳源102以及管線103所組成，管線103分別連通氧氣源101、二氧化碳源102以及反應室11。氧氣源101與二氧化碳源102可為氧氣鋼瓶與二氧化碳鋼瓶，氧氣源101與二氧化碳源102的純度並無特別限制，例如90%、93%、95%、99%。氧氣源101與二氧化碳源102分別設置有調節機構用以調控氧氣與二氧化碳的流率比例，而特定流率比例的氧氣與二氧化碳經由管線103形成該混合氣體，再輸送至反應室11。
於該混合氣體中，二氧化碳與氧氣之體積比可介於 1：9至3：1，例如1：9、1：3、1：1、3：2或3：1，但不以此為限。具體而言，以混合氣體中純氧氣與純二氧化碳之總體積計算，氧氣之體積百分比例如是90%、75%、50%、40%或25%，而二氧化碳之體積百分比例如是10%、25%、50%、60%或75%，但不以此為限。
反應室11具有氣體通道及相對之氣體入口及氣體出口，氣體入口與氣體出口分別連通氣體供應單元10與臭氧濃度偵測器100。
準分子紫外光燈12設置於反應室11之該氣體通道中。準分子紫外光燈12之構造或型式並無特別限制，其可全文參照第201419372號台灣專利或第101106058號中國專利所揭示之介電質屏障放電燈，並將其內容併入本文。
準分子紫外光燈12填充有選自氦、氖、氬、氪、氙、氟及溴所組成群組之至少一種氣體，此等氣體於電場中受激發而輻射之紫外光屬於真空紫外光(vacuum UV,VUV)之波長範圍(即200至100nm)。
本揭露之臭氧製造方法包含：以氣體供應單元10提供包含二氧化碳及氧氣之混合氣體；以及使用準分子紫外光燈12照射該混合氣體，以產生臭氧。
具體而言，將準分子紫外光燈12設置於反應室11後，接著，開啟氣體供應單元10以輸送該混合氣體通過反應室11，輸送該混合氣體通過反應室11之流率可依實際需求而調整，例如3L/min、6L/min、9L/min，換言之，可以3至9L/min之流率輸送該混合氣體通過反應室11，但不以 此為限。之後，施加電壓至準分子紫外光燈12，準分子紫外光燈12所填充之氣體受電場激發而輻射紫外光照射流通經過反應室11之該混合氣體。照射該混合氣體之紫外光波長不大於185奈米，以氙氣為例，氙氣所輻射之紫外光之主要波長為172nm、150nm及147nm。
根據研究，UV照射氧分子生成臭氧之反應係包含下列反應式：反應式1：O2+UV→2O，其中UV之波長介於185至240nm。
反應式2：O+O2+M→O3+M+反應熱(-106.6kJ/mole)，其中反應式2為放熱反應，M表示中性之第三氣體，通常不參與反應，其主要作用為吸收反應熱以穩定生成之臭氧。
進一步來說，各種分子鍵具有鍵能，若以施予對應該鍵能之特定波長的紫外光，該分子鍵即可被破壞而進行化學反應。與本揭露有關之各種分子鍵的鍵能及各鍵能所對應之波長列示於表1。
如表1所示，二氧化碳分子的C=O鍵能為724.2kJ/mole，該鍵能所對應的紫外光波長為164.7nm，亦即，波長短於164.7nm之紫外光(如氙氣所輻射波長為150nm 及147nm之紫外光)可提供足夠的能量破壞二氧化碳分子的C=O以生成CO+O或C+O2。而CO的化學活性極高，可與氧分子作用生成額外的氧原子，此額外的氧原子可進一步與氧分子結合生成臭氧，從而提升臭氧之產率。
於本揭露中，混合氣體的二氧化碳促進臭氧生成之反應機制據信包含下列反應式：反應式3：CO2+UV → CO+O
反應式4：CO2+UV → C+O2
反應式5：C+O → CO
反應式6：CO+O2 → CO2+O
反應式7：O+O2 → O3
藉由上述反應機制，經紫外光分解之二氧化碳可有效促進臭氧之生成。再者，未分解之二氧化碳可吸收反應式2之反應熱，具有穩定已生成之臭氧的功能，從而確保臭氧產率。
表2為混合不同比例之氧氣及二氧化碳的混合氣體(實施例1至5)與純氧氣(比較例)製造臭氧的實施結果。
如表2所示，對照使用純氧氣作為反應氣體之比較例可知，依據本揭露之方法，各種混合比例的混合氣體皆可有效提升臭氧的產率。而本揭露之方法應用於連續式反應中，換算每單位之EUV消耗功率，臭氧產率可達到32毫克/小時-瓦(mg/hr-W)以上，且不會產生任何有毒副產物。
綜上所述，於本揭露之臭氧製造方法，由於使用包含二氧化碳及氧氣之混合氣體做為反應氣體，經紫外光照射之二氧化碳可促進臭氧生成反應，且二氧化碳可穩定已生成之臭氧，故應用本揭露之臭氧製造方法的裝置除了可以 大幅減少反應氣體的生產成本，更可有效提升紫外光光源製造臭氧之產率。
上述實施例僅例示性說明，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如本案所附之申請專利範圍所載。
1‧‧‧臭氧製造裝置
10‧‧‧氣體供應單元
11‧‧‧反應室
12‧‧‧準分子紫外光燈
100‧‧‧臭氧濃度偵測器

Claims (10)

  1. 一種臭氧製造方法，包含：提供包含二氧化碳及氧氣之混合氣體；以及使用準分子紫外光燈照射該混合氣體，以產生臭氧，其中，該準分子紫外光燈填充有選自氦、氖、氬、氪、氙、氟及溴所組成群組之至少一種氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧製造方法，其中，於該混合氣體中，該二氧化碳與該氧氣之體積比係介於1：9至3：1。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧製造方法，其中，於該混合氣體中，該二氧化碳與該氧氣之體積比係介於1：3至3：2。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧製造方法，其中，使用該準分子紫外光燈照射該混合氣體之步驟包含：設置該準分子紫外光燈於反應室中；以及輸送該混合氣體通過該反應室。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之臭氧製造方法，其中，輸送該混合氣體通過該反應室之流率係介於3至9升/分鐘(L/min)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧製造方法，其中，該準分子紫外光燈照射該混合氣體之紫外光波長不大於185奈米。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之臭氧製造方法，其中，產生臭氧之產率大於32毫克/小時-瓦(mg/hr-W)。
  8. 一種臭氧製造裝置，包含：氣體供應單元，用以提供包含氧氣以及二氧化碳之混合氣體；反應室，係連通該氣體供應單元；以及準分子紫外光燈，係設置於該反應室中且填充有選自氦、氖、氬、氪、氙、氟及溴所組成群組之至少一種氣體。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧製造裝置，其中，於該氣體供應單元中，該二氧化碳及該氧氣之體積比係介於1：9至3：1。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之臭氧製造裝置，其中，該氣體供應單元包含氧氣源、二氧化碳源以及管線，其中，該管線分別連通該氧氣源、該二氧化碳源與該反應室。
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