TW559658B - System and method for measuring concentration of ozone - Google Patents

Description

559658 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明之領域 本發明係關於一種臭氧濃度量測系統及方法，更具 體言之，係關於利用乙烯濃度變化以量測臭氧濃度 之系統及方法，可應用於空氣清淨機之臭氧濃度量 測、空氣污染物濃度量測、環保檢測、化工製程及 其它硏究等方面。 【先前技術】 先前技藝之說明 臭氧（ο ζ ο n e，Ο 3)是一種有刺激性臭味的淡藍色氣 體，因其具有強氧化性又容易還原成無害的氧氣之特 性，因此廣泛應用於生活中殺菌、消毒及空氣清淨等 方面。適量的臭氧固然在實用上是有幫助的，但是過 高濃度的臭氧就會對人體及動植物造成傷害，因此臭 氧濃度的量測也越發重要。在周遭的大氣中，臭氧（〇3) 的濃度通常爲介於0.02與0.04PPm之間；而我們生活週 遭中，在有臭氧產生機、陰離子機或影印機等附近臭 氧（〇3)的濃度都會較高。 一般量測臭氧濃度的方法有濕式碘滴定法，譬如C. M. Birdsall、 A. C. Jenkins 和 Edward Spadinger 方令 分析化學第24期第662-664頁（ 1 952)所揭示，紫外光 度計法（UV)，請參考中華民國八十一年十月環檢署檢 559658 字第43007號公告（ΝΙΕΑ A42 0. 10T)之「空氣中臭氧自 動檢測方法」，及感測器法。 若採用濕式碘滴定法量測臭氧濃度，則會有操作較 不易以及耗時等缺點，因此現在大都使用紫外光度計 法或感測器法。紫外光度計法之UV分析儀價格較貴、 重量重而且體積大，所需的進氣流量也較大，較不適 合做機動性可攜帶式的測試，另一方面也有需定期校 正的問題。而一般商用的小型臭氧感測器，量測臭氧 的濃度範圍較窄，不確定度很大，而且量測臭氧（03) 時會受到二氧化氮（N02)的干擾。 本發明的目的即在突破上述習知方法的缺點，進而 提出一種新穎且實用的臭氧濃度量測方法及系統。 【發明内容】 發明之槪述 本發明之一目的在於提供一種新穎的量測臭氧濃度之 方法，其係利用量測乙烯濃度變化來定量臭氧濃度， 爲操作簡易且價格便宜之測量方式。 本發明之另一目的在於提供一種新穎且實用的臭氧濃 度量測系統，其優點爲信號穩定，而且容易準確測量。 本發明之另一目的在提供一種新穎且實用的臭氧濃度 量測方法，其可供臭氧產生器廠商、學術硏究單位及環保 署等做爲臭氧校正的標準，因此未來極具發展性。 適用於本發明之量測系統中的流量控制器，是屬於一般 可以控制氣體流量的儀器元件，可經由適當控制來調整流 559658 量控制器之氣體流量，可以是：質量流量控制器（mass flow controller)，流量表（flow meter)，流量控制閥等，用來控 制已知濃度之乙烯氣體的流量；本發明適合之混合器 是屬於一般可以混合氣體的容積元件，具有經過適當 調整兩具流量控制器之氣體流量，進入混合器中混合 均勻，可以得到所需要的氣體濃度，其適當的種類可 選自T型閥混合器，玻璃式混合器，不銹鋼式混合器 【實施方式】 本發明係關於一種簡易且精密的臭氧濃度之量測系統及 方法，其係利用乙烯與臭氧反應之原理以進一步推得臭氧 濃度。本發明中量測臭氧濃度的方法是用乙烯（C 2 Η 4)— 臭氧反應法，即利用過量的乙烯與臭氧反應成甲醛 (HCHO)及CH200的方法，請參考Atkinson.於物理化學 參考數據期刊（j. Phys. Chem. Ref. Data)第 18期第 1009 頁（1 9 8 9)，反應式如下所示： c2h4+ o3-^hcho + ch2oo ，只要量得乙烯的減少量，即可推算得知臭氧的濃 度。因此，習知技藝中只要是能量測乙烯濃度變化的 氣體分析儀，皆能用來量測臭氧的濃度。 本發明例示之一較佳具體實例如圖1所示，一種臭氧濃 559658 度量測系統，其係包含第一流量控制器3，控制已知濃 度之乙烯氣體的流量；第二流量控制器4，一端連接臭 氧產生器2，控制待測濃度之臭氧氣體的流量；一混合 器6，該混合器6接收並混合由第一流量控制器3輸出的 乙烯氣體以及由第二流量控制器4輸出的臭氧氣體，該 乙烯氣體與臭氧氣體於此混合器6中產生化學反應，形 成一反應後的混合氣體，惟該混合器可以是一外接的 混合器，也可以是氣體分析儀1內部的管線，只要於進 行分析之前能達成乙烯氣體與臭氧氣體混合之目的者 皆可；以及一氣體分析儀1，接收該混合器之反應後氣 體，並分析該反應後氣體中的乙烯濃度；其中乙烯氣 體濃度變化可推算得知臭氧濃度。 於本發明之臭氧濃度量測系統中，第一流量控制器3 的一端接收已知濃度之乙烯氣體，並且控制該乙烯氣 體的流量，而由另一端輸出。第二流量控制器4的一端 則接收待測濃度之臭氧氣體，並控制該臭氧氣體的流 量，而由另一端輸出。混合器6的一端接收並混合由該 第一流量控制器3另一端輸出的乙烯氣體以及由該第 二流量控制器4另一端輸出的臭氧氣體，該乙烯氣體與 臭氧氣體於此混合器6中產生化學反應，形成一反應後 的混合氣體。氣體分析儀1包含有一氣體輸入端，用以 559658 連接該混合器6並接收該混合氣體；一分析儀本體（未 圖示），用以分析該反應後混合氣體中的乙烯濃度， 其一端爲輸入該反應後氣體，及另一端爲將分析後的 混合氣體排出。 根據一較佳實施例，本發明之臭氧濃度量測系統更 包含一計算及顯示裝置，如圖1所示之電腦5,連接至該 氣體分析儀1，以該第一流量控制器3之乙烯氣體的已知濃 度及流量，與該氣體分析儀1分析得到反應後氣體中的乙烯 氣體濃度作計算，將得到的差値依化學計量轉換成臭氧濃 度並顯示該臭氧濃度。該根據化學計量的計算方式，係由 反應前的乙烯濃度與流量，與反應後的乙烯濃度與流量， 推算得到反應減少的乙烯量，根據乙烯與臭氧反應是以一 比一的化學計量計算，該減少的乙烯量相等於待測臭氧的 量，該臭氧的量比較臭氧輸入的流量即可推算得該臭氧的 濃度。 根據本發明所揭示之臭氧濃度量測系統，其中該氣體分析 儀1爲氣相層析儀、熱感偵測器、火燄離子偵測器或者可燃 性氣體偵測器。 本發明另揭示一種臭氧濃度之量測方法，包含下列步 將已知濃度之乙烯氣體與臭氧進行反應； 559658 將該反應後氣體輸入一氣體分析儀中，該乙烯氣體因爲反 應而降低濃度；以及 由該氣體分析儀分析所測得該反應後氣體中乙烯氣體的 濃度變化，並依據化學計量推算出該臭氧之濃度。 於另一具體實例中，請參照圖2流程圖說明本發明量 測臭氧濃度之方法。如方塊1所示，輸出一定流量且已 知濃度之乙烯氣體，其係由第一流量控制器3所控制， 以及輸出另定流量且未知濃度之待測臭氧氣體，其 係由第二流量控制器4控制；接著，如方塊2所示，混 合該已知濃度之乙烯氣體與該待測臭氧氣體，該乙烯 氣體與該待測臭氧氣體產生反應，並且該乙烯氣體因 爲反應而濃度降爲另一濃度。如方塊3所示，將該反應 後混合氣體輸入一氣體分析儀；經由該氣體分析儀分 析測得該反應後混合氣體中乙烯氣體的該另一濃度， 則如方塊4所示。藉由該乙烯氣體反應前的已知濃度， 比較反應後的該另一濃度之間的差値，再根據氣體流 量計量推算出該待測濃度之臭氧，其係如方塊5所示。 如前所述，其中該氣體分析儀可爲氣相層析儀、熱感 偵測器、火燄離子偵測器或者可燃性氣體偵測器。 目前國內沒有臭氧氣體之測量標準，但許多臭氧產 生器廠商、學術及硏究單位和環保署都有臭氧校正的 5.59658 需求，因此本發明之簡易且精密的臭氧濃度之量測系統及 方法未來於應用上極具發展性。 兹以下列實施例作進一步之例示，以使本發明所請求者 更加具體。此等實施例僅在使技藝人士得以清楚明瞭本發 明方法之技術內容，從而得以據以實施之，而非以限定本 發明所應獲致之保護範圍。 實例及比較例：

本發明量測臭氧濃度的方法是利用乙烯和臭氧之反 應法。臭氧濃度量測系統和方法之具體實施例如圖i所 不，圖1顯75由鋼瓶氣體供應0.5體積百分比的乙烯與 氮氣混合氣體，和臭氧產生器2產生的臭氧，分別經由 第一流量控制器3和第二流量控制器4控制流速後進入 混合器6，隨即進入氣體分析儀1中。而管路及閥件全 部使用鐵弗龍材料；氣體分析儀只要是能夠量測乙烯 濃度者，例如氣相層析儀（Gas Chromatography)，皆可 應用。氣體分析儀1的信號連接到電腦5，該電腦具有 計算以及顯示功能，數據擷取及處理譬如可使用台北 訊華公司的CHEM-LAB軟體。 另一方面，爲了檢驗本發明所測得結果的準確性， 於比較例中利用紫外光度計法（UV)來檢驗臭氧的濃 度。所使用之儀器廠牌爲Ozomat，型號爲Ansros。使 11 559658 用期間在校正週期之內。 在固定臭氧產生器之出口流速爲每分鐘1.8升之下， 利用乙烯-臭氧反應法所量得的臭氧濃度與利用紫外 光度計法（UV)來檢驗臭氧之濃度，其結果如表一所 示。表一顯示兩種方法測得之臭氧濃度具有一致性。 表一：乙烯-臭氧反應法與UV法偵測臭氧濃度比較 乙烯-臭氧反 應法 UV法 臭氧濃度 1 41±29ppm 153±25ppm 儀器同時也偵測到有少量一氧化碳（C 0)的生成，原 因爲C2H4與03反應會生成HCHO及CH200*，所產生的 ch2oo*具有較高能量並不穩定，會有部份的ch2oo* 自行分解掉，其各種反應如下： /° °\ 〇3+ C2H4^ [ CH, ch2〕*—hcho+ch3oo* ch2oo* — co2+ h2 ch2oo* ^ C0+ h2o CH200* -> H+ HC02— 2H20+ C02 CH200* + M-^ CH200 本發明爲發展出一套新的量測臭氧濃度的系統及方 法，使用氣相層析法檢測濃度，優點爲信號穩定，且 只需有乙烯標準氣體即可。對於較無經費支援的一些 12 559658 實驗室或硏究單位，是一個可以考量的方法，而且偵 測儀也可改用價格較便宜又單純的熱感偵測器（TCD， Thermal Conductivity Detector)或火談離子偵測器 (FID，Flame Ionization Detector)來量測乙烯濃度的變 化，因此本發明未來很具有發展性。 以上所述之詳細說明，僅爲本發明之較佳樣態而已，並 非據以限定本發明之保護範圍；凡其它未脫離本發明所揭 示精神下之衍生或改變，均應該由下列所述明之申請專利 範圍所界定。 【圖式簡單說明】 圖1例示本發明利用乙烯濃度變化之臭氧濃度量測 系統之一具體實施例； 圖2例示本發明利用乙烯濃度變化之臭氧濃度量測 方法之步驟流程圖。 其中，圖式元件符號說明如下： 1 氣體分析儀 2臭氧產生器 3 第一流量控制器 4第二流量控制器 5 電腦 6混合器 13

Claims (1)

1. 559658 拾、申請專利範圍： 1. 一種臭氧濃度量測系統，包含： 提供一已知濃度乙烯氣體，連接至第一流量控制器，控 制已知濃度之乙烯氣體的流量； 提供一待測濃度之臭氧氣體，連接至第二流量控制器， 控制待測濃度之臭氧氣體的流量；

   一混合器，接收並混合由該第一流量控制器輸出的乙烯 氣體以及由該第二流量控制器輸出的臭氧氣體，該乙烯 氣體與臭氧氣體於此混合器中產生化學反應，形成一反 應後的混合氣體；以及 一氣體分析儀，接收該混合器之反應後氣體，並分析該 反應後氣體中的乙烯濃度；其中乙烯氣體濃度變化可推 算得知臭氧濃度；且

   第一流量控制器與第二流量控制器分別選自：質量流量 控制器、流量表或流量控制閥； 混合器係選自：τ型閥混合器、玻璃式混合器或不銹鋼 式混合器。 2.根據申請專利範圍第1項之臭氧濃度量測系統，其中更 包含一計算及顯示裝置，連接至該氣體分析儀，以該第 一流量控制器之乙烯氣體的已知濃度及流量，與該氣體 分析儀分析得到反應後氣體中的乙烯氣體濃度作計 14 559658 算，將得到的差値依化學計量轉換成臭氧濃度並顯示該 臭氧濃度。 3. 根據申請專利範圍第1項之臭氧濃度量測系統，其中該 氣體分析儀爲氣相層析儀。 4. 根據申請專利範圍第1項之臭氧濃度量測系統，其中該 氣體分析儀爲熱感偵測器。

   5. 根據申請專利範圍第1項之臭氧濃度量測系統，其中該 氣體分析儀爲火燄離子偵測器。 6. 根據申請專利範圍第1項之臭氧濃度量測系統，其中該 氣體分析儀爲可燃性氣體偵測器。 7. —種臭氧濃度之量測方法，包含下列步驟： 將已知濃度之乙烯氣體與臭氧進行反應； 將該反應後氣體輸入一氣體分析儀中，該乙烯氣體因爲 反應而降低濃度；以及

   由該氣體分析儀分析所測得該反應後氣體中乙烯氣體 的濃度變化，並依據化學計量推算出該臭氧之濃度。 8. 根據申請專利範圍第7項之量測方法，其中該氣體分析 儀爲氣相層析儀。 9. 根據申請專利範圍第7項之量測方法，其中該氣體分析 儀爲熱感偵測器。 10. 根據申請專利範圍第7項之量測方法，其中該氣體分析 15 559658 儀爲火燄離子偵測器。 11. 根據申請專利範圍第7項之量測方法，其中該氣體分析 儀爲可燃性氣體偵測器。 12. 根據申請專利範圍第7項之量測方法，其中該乙烯氣體 與臭氧進行反應後生成甲醛（HCHO)及CH200。

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