TW202027846A - 一種電化學空污處理方法與其設備 - Google Patents

Abstract

本發明係為一種電化學空污處理方法與其設備，其係先利用一噴淋洗滌裝置將污染物導入水體，再將富含污染物的水體依序分別通過一電化學裝置的陽極與陰極， 使污染物分別在陽極與陰極進行降解與礦化， 最後再將水體導回原噴淋洗滌裝置，循環使用。 達到真正無耗材、不添加化學品、又不產生二次汙染的空污處理技術。

Description

一種電化學空污處理方法與其設備

本發明係一種空污處理方法與其設備，特別是一種利用電化學裝置去除污染物的方法與其設備，尤指利用一種陰陽級獨立、可依序進行反應的電化學裝置。

空氣污染主要包含粒狀與氣態污染物，細懸浮微粒PM2.5為漂浮在空氣中類似灰塵的粒狀污染物，可能會導致各種心血管、肺部疾病、降低能見度。 氣態污染物則以揮發性有機物(VOC)為主，再加上氣體氧化物等，當居室中揮發性有機物濃度超過一定濃度時，在短時間內會感到頭痛、噁心、嘔吐、四肢乏力；嚴重時會抽搐、昏迷、記憶力減退。 揮發性有機物傷害人的肝臟、腎臟、大腦和神經系統，其中還包含了很多致癌物質。 室內空氣污染已引起各國重視。

習知的空污處理技術主要以高效率空氣微粒(HEPA)濾網以及靜電集塵兩種方式攔截PM2.5，濾網方式需定期更換濾網，操作費用高且產生可觀的固態廢棄物； 靜電集塵則利用高電壓電離及電場集塵，攔截能力不及HEPA濾網，高電壓(五仟伏以上)有產生臭氧的疑慮，集塵板需經常清洗維護又產生大量水體二次汙染。 兩種方式皆對揮發性有機物無效用，需另外搭配活性碳吸附或光觸媒氧化，但效率皆不高，只適用於低污染濃度的一般室內。

針對工業產生較高濃度揮發性有機物以及氣體汙染，較有效的方式是採用水幕，亦即利用噴淋洗滌裝置，攔截汙染物，但往往需添加適當化學品進行反應性溶解，也會產生大量水體二次汙染。 最新較有效降低二次汙染的技術是利用電化學方法，例如電漿或一般電解、電氧化等，來降解反應物。 電解可有效降解多數汙染物，但容易生成穩定而更具毒性的副產物，同時電極會逐漸損耗，會有新的污染物產生；電氧化技術則除了降解外，更具有礦化污染物為二氧化碳與水的功效。 目前公認最有效的電極材料採用摻硼鑽石，雖性質穩定，但其價格昂貴且易碎，無法大規模使用。 另外，電解或電氧化技術都採用陰陽極同一槽式，反應主要在電極表面發生，會有極大的質傳(mass transport)損失，耗電量大，效率較差， 更重要的是，二者都必須添加電解液才能運作。

如上所述，習知並廣泛被使用之空污處理技術，主要的缺點有: 耗材需定期更換、頻繁清潔維護、與產生二次污染。 本發明係利用一噴淋洗滌裝置所形成的水幕，將空氣之污染物導入水體，是”水即濾網”的概念，無須耗材更換或清潔維護。 同時，該噴淋裝置搭配適當的多孔/充填層所形成的水幕，攔截能力可以超過HEPA濾網。 污染物導入水體後，再利用電化學裝置將污染物，特別是揮發性有機物，降解並礦化為二氧化碳與水等無害物質，不使用任何化學藥品，也避免產生二次污染。

本發明使用一種陰陽極獨立的電化學裝置，陽極為具有高過電位(overpotential)的觸媒，主要生成氫氧自由基，用以降解水體中的污染物，副反應則為水電解產生氧氣。 陰極則以碳材為主，以利於生成過氧化氫，可在水體內進一步氧化污染物，反應進行不受限於電極表面；同時陰極提供污染物中如氮氧化物之還原環境，將其還原為氮氣與水。陽極與陰極直接包夾質子交換膜兩側，形成零間隙(zero gap)的膜電極組(陽極/膜/陰極)，並且視水處理量可做複數堆疊，體積小效率高。 質子交換膜除分隔陰陽兩極外，並作為固態電解質，完全免除電化學裝置必須添加電解液方能運作的限制。

本發明去除水體汙染物的方法是先將水體通過陽極，利用特殊設計流道將水體均勻通過電極表面，大幅降低質傳損失，與電極所產生的氫氧自由基進行第一級反應降解，反應後水體與陽極副反應所產生的氧氣，再一起通過陰極，氧氣與部分通過質子交換膜的氫離子形成過氧化氫，在水體中與污染物進行第二級反應降解，同時污染物中氧化物，如氮氧化物可與氫離子與電子反應，還原為氮氣與水，從而排除。

除此之外，本發明所使用的電化學裝置還能非常有效的破壞微生物蛋白質，透過氫氧自由基與電還原反應，一併消除病原、過敏原與細菌。 另外，可針對噴淋洗滌裝置之空氣出口前，增加去霧層並做適當疏水處理，以降低或調節排出空氣的濕度，抑或特別對空氣加濕，這對乾燥氣候地區，相當重要與便利。

如第1圖，將汙濁空氣吸入一噴淋洗滌裝置11的空氣入口111，利用該裝置所形成的水幕將污染物導入水體，洗淨後的潔淨空氣則自該裝置的空氣出口114排出，該裝置可藉由改變多孔/填充層112之材質、樣式、層數與厚度以增加攔截效率。 再利用水泵12將富含污染物的水體自噴淋洗滌裝置底部送出，並送入電化學裝置13之陽極入口134，經由裝置內流道，水體將均勻流過陽極觸媒131，與其所產生的氫氧自由基進行反應降解，並產生副產物氧氣，與水體一起由陽極出口135流出陽極，再由陰極入口136進入陰極132，氧氣與部分通過質子交換膜133的氫離子形成過氧化氫，在水體中與污染物進行第二級 反應降解，同時污染物中氧化物，如氮氧化物可與氫離子與電子反應，還原為氮氣與水，從而排除。 最後再將水體自陰極出口137導回原噴淋洗滌裝置的噴嘴113，作為水幕所需的水源，循環使用。

如若使用場合受高度限制，噴淋洗滌裝置亦可改為如第2圖 為橫臥式21，又若處理氣量大，相對水量亦增大，電化學裝置之膜電極組(陽極131/膜133/陰極132)可做複數堆疊，形成如第3圖之電堆31，兩個膜電極組之間可以雙極板331串聯，以縮小體積並降低阻抗。 本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定。

11:噴淋洗滌裝置(直立式) 111:空氣入口 112:多孔/填充層 113:噴嘴 114:空氣出口 12:水泵 13:電化學裝置 131:陽極觸媒 132:陰極觸媒 133:質子交換膜 134:陽極入口 135:陽極出口 136:陰極入口 137:陰極出口 14:電源供應模組 21:噴淋洗滌裝置(橫臥式) 31:電化學裝置擴充電堆 331:雙極板

第1圖係本發明之一種實施方式 第2圖係本發明之一種實施方式 第3圖係本發明所採用電化學裝置之一種電堆擴充型式

11:噴淋洗滌裝置

111:空氣入口

112:多孔/填充層

113:噴嘴

114:空氣出口

12:水泵

13:電化學裝置

131:陽極觸媒

132:陰極觸媒

133:質子交換膜

134:陽極入口

135:陽極出口

136:陰極入口

137:陰極出口

14:電源供應模組

Claims (8)

1. 一種電化學空污處理方法，包含：將汙濁空氣吸入一噴淋洗滌裝置的空氣入口，利用該裝置所形成的水幕將污染物導入水體，洗淨後的潔淨空氣則自該裝置的空氣出口排出； 再利用水泵將富含污染物的水體自噴淋洗滌裝置底部送出，依序分別通過一電化學裝置的陽極與陰極， 使其先在陽極與電極所產生的氫氧自由基進行第一級反應降解後，再到陰極與由氧氣與部分通過質子交換膜的氫離子所形成的過氧化氫進行第二級反應降解，同時污染物中氧化物與氫離子與電子得以進行電還原反應； 最後再將水體導回原噴淋洗滌裝置的噴嘴，作為水幕所需的水源，循環使用。
2. 如申請專利範圍第1項之空污處理方法，其中該噴淋洗滌裝置可藉由改變多孔/填充層之材質、樣式、層數與厚度以增加攔截效率；亦可視氣量與污染物濃度將噴嘴與多孔/填充層之組合，擴充為複數個，以增強空氣洗淨能力。
3. 如申請專利範圍第1項之空污處理方法，其中該噴淋洗滌裝置之空氣出口前，可增加去霧層並做適當疏水處理，以降低或調節排出空氣的濕度。
4. 如申請專利範圍第1項之空污處理方法，本方法除了可去除污染物外，還能殺菌消毒，以及對空氣加濕。
5. 一種電化學空污處理設備，包含：一噴淋洗滌裝置，以將污染物導入水體；一水泵，循環水體之用途；一電化學裝置，有獨立的陰陽極，陽極能產生氫氧自由基，陰極能進行電還原，及生成過氧化氫，且分別設有出入口，使得水體可以依序分別由陽極及陰極進出；以及一電源供應模組，提供電化學裝置所需直流電源。
6. 如申請專利範圍第5項之空污處理設備，其中該噴淋洗滌裝置因應使用場合，可為直立或橫臥式，空氣的流向與途徑可做各種改變，以延長洗滌時間與程度。
7. 如申請專利範圍第5項之空污處理設備，其中該電化學裝置之陽極可為具高過電位觸媒，如氧化鉛、氧化錫、多元金屬氧化物等，以利生成氫氧自由基；陰極可為碳材為主電極或觸媒，如活性碳布、碳紙或碳氈等，以利生成過氧化氫；陽極與陰極間可以質子交換膜隔開，又以兩電極"零間隙"直接包夾交換膜形成膜電極組(陽極/膜/陰極)為佳，體積小，交換膜即為固態電解質，無須添加電解液。
8. 如申請專利範圍第7項之電化學裝置，其中該膜電極組可視水體處理量，進行複數堆疊成電堆，兩個膜電極組之間可以雙極板串聯，以縮小體積並降低阻抗。

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