TWI505997B - 用於高純化液體之純化及分析評估之方法及裝置 - Google Patents

Description

用於高純化液體之純化及分析評估之方法及裝置 參考相關申請案

對於2009年8月3日提申的美國臨時申請案61/230,971、2009年11月3日提申的61/257,700、2010年2月19日提中的61/306,208、2010年7月21日提申的61/366,473主張優先權，其揭示被合併於本文中以供參考。

發明領域

本發明係有關用於從具有超過1百萬歐姆-公分的整體電阻率之諸如超純水等高純化液體移除成份之技術。

發明背景

高純化及超純水係由漸進式移除懸浮及溶解成份之一系列的單元製程所產生。這些製程當妥當操作時係產生只含有痕量污染物的水，且這種水可使用在對於系統操作及各種不同產品的製造而言高純化水具有關鍵意義之各種不同工業應用中。對於包括但不限於半導體、藥劑、光伏裝置、金屬鍍覆、發電及奈米科技之相關產業及研究活動來說，此類型的水品質係特別重要。

隨著產業提高操作效率及產品品質，對於更高品質液體及測量高純度液體的品質之分析能力係已經提高要求。

目前，用於移除高純化水中的痕量不可溶及可溶污染物之可取得的最佳技術係為次微米薄膜過濾或超過濾。薄膜過濾及超過濾已經展現出移除低達10nm粒子及斥退13,000分子量截止值的可溶材料之能力。然而，因為較小孔隙或薄膜選擇性將難以使具有0.3nm直徑的水分子通過，薄膜技術正達到其能力極限。尚且，過濾薄膜材料係可能惡化並脫落來自於研磨性粒子物理衝擊及純化水化學侵襲之粒子。可注意到，高純化及超純液體係可為極具反應性及侵略性之溶劑。

濾器特別難以控制有機或生物粒子之原因係在於具有大表面積及延長的服務，細菌係可能形成顯著聚落於薄膜表面上、空隙(“死腳”)、低流區域中，以及薄膜的下游側(“生長通過”)。一旦建立於薄膜的產品側上，細菌聚落將增殖並隨機地蛻除至產品物流中，而污染高純化液體。並且，即使是留存在薄膜上游側的生物粒子亦終將解離或分解，造成將穿過薄膜的更小粒子，將有機污染物釋入產品物流中。最後，薄膜濾器只可藉由本身可能受污染的清潔溶液、或藉由會導入新污染物之拆解或回沖或更換予以清理。因此請瞭解，薄膜過濾及超過濾實際上可能係使從高純化及超純液體移除痕量污染物之問題更為加劇。

目前，高純度及超純液體內的粒子測量之可取得的最佳技術係為光學粒子計數器(OPC)及次微米濾器上之粒子的滑流收集，合併採用掃描電子顯微術/能量分散性X射線光譜術(SEM/EDS)。

OPC所偵測的最小粒子尺寸係為40nm，並因為雷射光波長及光散射的基本限制而不可能改良此偵測極限。重要的是，此尺寸限制係大於薄膜過濾或超過濾的能力，所以只用來偵測顯著的系統失常而非作為一種製程控制儀器。

對於OPC的一種替代方式中，一小(近似50至100ml/min)液體物流係可被過濾經過一具有50、100、或200nm孔隙的25mm薄膜以收集粒子。此製程將需要顯著時間來收集適量的粒子。譬如，在一超純水系統中係耗費近似三週的滑流過濾來收集適量的粒子。一旦粒子已被收集，樣本濾器可被移除並利用SEM/EDS作評估來決定粒子濃度、粒子尺寸分佈、及粒子的元素組成物。此分析程序只可有效地檢查大於50nm的粒子，並因為與收集期間相關的三週延遲時間而無法有效作為製程控制儀器。並且，由於SEM/EDS的限制，此分析技術將無法可靠地評估小於100nm的粒子之元素組成物。

上述用於純化及分析高純化與超純液體之現今最佳施行方式的限制，正是所有利用這些液體供公用事業操作及製造之產業的問題。在先進製造設施中現今具有16nm臨界粒子尺寸(用來在半導體元件內傳導電力的32nm線寬之一半)之半導體產業中，此情況係特別相干。

發明概要

本發明係從高純化及超純液體有效地擷取及集結所有尺寸的可溶及不可溶成份。結果，本發明提供一超越現今施行方式之用於純化及分析評估液體的新方法及裝置。

本發明係提供一用於純化及分析評估具有大於1百萬歐姆-公分的整體電阻率(bulk resistivity)的液體之新方法及裝置。其特別適用於進一步純化具有從約1至約18百萬歐姆-公分的電阻率之超純水。本發明的方法及裝置係依下列發現來運作：高純化液體中的粒子、奈米粒子、膠體、分子及離子一般係展現出一自然電荷或電荷極性。此發現係已經導致本發明的新穎方法及裝置，其中可溶及不可溶成份皆可從高純化液體被移除。

本發明係有關從具有超過1百萬歐姆-公分整體電阻率的高純化液體移除成份之技術，且更特別有關一用於從水移除諸如粒子、奈米粒子、膠體、分子及離子等可溶及不可溶(溶解及懸浮)成份之方法、裝置、及實施例。可易於自此揭示引申出其他高電阻率液體的額外實施例。

由於電子及半導體產業具有最嚴格的水品質要求，本發明可立即應用在半導體元件之製造。這些水品質要求係記載於ASTM規格D 5127-07，電子及半導體產業用的超純水標準之標準準則，以及SEMI F63-0309，半導體加工用的超純水之準則。

本發明的方法及裝置係依照下列發現而運作：高純化液體中的粒子、奈米粒子、膠體、分子、及離子一般係展現出一電荷或電荷極性。已經發現，高純化或超純水中之不同尺寸有機及無機成份大多數將展現出一負電荷(電位)。譬如，細菌及有機分子由於羧基及磷酸鹽基團而具有一負表面電荷。負電荷係穩定位於2至11之間的一寬廣pH範圍。已藉由電泳、等電及膠體滴定法、並藉由優先吸收陰離子染漬來驗證負電荷。離子緩衝水溶液中，可藉由發展一正離子反制層來降低負電荷的量值。然而，由於高純化水係為去離子化，帶電粒子具有一發展不良的反制離子層，因此增強了負界達電位(zeta potential)。

高純化水中的非生物粒子通常係來自於系統襯墊、樹脂床(樹脂片段)、硬管、墊片、及自然發生的離子物種。一樹脂片段係展現出一特徵在於其官能基團之強烈陽極子或陰離子電荷。高純化水系統中，硬管及墊片材料通常係由氯化及氟化碳氫化合物、及/或不銹鋼構成。因為水中之負電荷的天然斥水性，許多非有機及非極性材料係從周遭的水收集負電荷。負離子傾向於從液體的整體被排除並累積在一粒子與水之間的介面處。結果，即使不含活性官能基團的粒子亦發展出一淨負電荷。去離子水的界達電位評估及晶圓清理實驗係支持下列理論：超純水中所發現之奈米粒子具有一強烈的負界達電位。

對於有機及無機電荷特徵以及如同合併於本文以供參考的沃德姆施(Wildermuth)之美國專利案No.5,128,043所描述的先前技藝之進一步瞭解係已經導致本發明的新穎方法及裝置，其中有機及無機成份皆可在施加一諸如直流(DC)電場或磁場等電磁場下從高純化液體被擷取。雖然現今偏好採用一DC電場，亦可能使用其他場，並因為元件具有同軸圓柱形構造所以其甚至可以AC激勵(介電泳式)操作。可藉由粒子、奈米粒子、膠體、分子、及離子上之一電場(E場)力，使污染物在一諸如高純化液體等弱傳導介電質內被活動化，而造成成份被擷取及集結於陽極及陰極電極上。先前沃德姆施(Wildermuth)專利案係描述粒子上的負電荷以及一電場內之帶電粒子的活動化/分離。重要的是，本發明係活動化、擷取及集結位於電極處之污染物。本發明可容許有時間使污染物完全移行至電極，且在電極處，電場具有足夠能量克服凡得瓦力(Van der Waals Forces)，而准許成份附接及集結至電極或者附接及集結至其他相附接的有機及無機材料。稍後可在身為下文詳述的水純化或分析系統之部份的受控制條件下，使經擷取及集結的粒子被釋放。

本發明係藉由建立液體的層流並使其穿過一對於液體流向呈橫向之電磁場來操作，以在一對於流向呈橫向的所想要且可預測方向中誘發帶電可溶及不可溶成份之活動力。

當高電阻率液體經由非污染性高純度硬管被帶入一圓柱形腔室的一端中時，製程係啟動。一旦液體進入反應腔室，設計流條件(雷諾數(Reynolds Number)小於2,000)係建立層流。較佳地，腔室具有大於10：1的一尺寸比(其在流動方向中之距離維度(長度)除以其與流呈橫向之距離維度(直徑))。利用容許使一其中發生污染物擷取之回復區位居上游至少十倍直徑及下游至少五倍直徑，藉以在腔室內建立層流。利用層流條件來建立均勻的流線(非紊擾)，在一中央、軸向延伸的電極(桿)與腔室的壁之間，藉由一中等電壓(小於600伏特)DC電位在一圓柱形腔室中建立一電磁場。咸信利用一穩低於1千伏的電壓係可有效消除離開電極及進入製程液體中之質量移徙(mass migration)並使得電極不需絕緣。DC電位係施加至腔室的側壁與桿之間，使得腔室壁或是桿作為陰極且另一者作為陽極。當液體縱向地流經腔室，與層流方向維持橫向之電場係將產生帶電成份朝向陰極或陽極的一移徙。在陰極或陽極處，依據電荷極性而定，成份係黏著及集結於電極上，藉以從液體移除痕量污染物。純化液體可隨後經由一高純度硬管系統離開腔室，類似於腔室供應器。可藉由反轉電極的極性以隨意地釋放所擷取的成份。

上述製程及裝置已經發展成兩種系統，第一者用於高純化及超純水之進一步純化，而第二者用於高純化及超純水之分析取樣。

如同上述的製程及方法係藉由擷取中心桿/電極或圓柱壁/電極上的帶電成份以從例如超純水等高純化液體移除污染物，藉此將水純化。此實施例(系統)中，污染物將被擷取直到電極的一者或兩者飽和為止。在該點、或更早，元件可從服務狀態被移除，並藉由反轉電極的極性且將污染物排入廢料中來釋放污染物。一系列的極性反轉、連同流體的往前紊流係將從電極釋放污染物並備妥裝置供一新擷取循環使用。重要的是，元件係可組構為藉由縮放與標準單元的平行組態及/或現今原型相關聯之設計參數來滿足多種不同流率應用。

本發明的較佳實施例中，並未利用饋給物流的預充電。但如果需要的話，可利用化學物、紫外光或電磁能部份性氧化或電荷修改不可溶及可溶成份而將粒子預充電，藉以改良移除效率。

較佳方法、裝置及系統係將在變成飽和前以數日的期間來擷取污染物，然後將集中及集結的污染物釋放至廢料，使裝置在數分鐘內返回服務狀態。可藉由修改包括滯留時間、橫剖面積、電極直徑及激勵等設計參數來改變移除效率。

較佳的元件係簡單、不會阻塞、很少需要維護、免拆解即可清除累積的雜屑、且不需使用載有污染物的清潔材料。

該方法、裝置及系統因為其以很少的壓降來操作，故易於藉由縮放設計參數及/或藉由提供平行操作來處置每分鐘數加侖(數升)級數的大流率。平行元件將提供服務及待命單元，藉此維持連續性服務。

較佳的元件係與超純水相容，不會惡化或將其自身污染物帶入產品水物流中，且不受到臭氧、水解或尖銳邊緣的異物之負面影響。較佳的元件不會提供與製程物流呈接觸之細菌聚落場地。缺乏聚落場地係與元件的組態相關聯，其較佳具有一不含正方形角落之流動路徑且具有一致命E場強度，並利用消除了對於細菌聚落及污染物提供場地的腔穴(死腳)之新穎的機械O型環密封件。

較佳的元件係在生產、操作及維護方面具有成本效益並可由已核准使用於高純度及超純系統中之易取得材料製成。較佳的元件係使用中央電極(桿)作為一拉張元件將經機械加工的端區塊固持至腔室管。該總成先天即可自我對準，並防止桿產生下垂。

雖然較佳及示範性液體係為高純化及超純水，相同的方法、裝置及系統可概括施用至設計用來純化任何具有大於1百萬歐姆-公分整體電阻率的高純化液體之元件。

已看出本元件、系統及方法係具有優於沃德姆施(Wildermuth)的美國專利案No.5,128,043所揭露者之數項優點。

本發明並未將液體物流分隔成較純化及較受污染的物流，而是在一或多個電極表面上擷取粒子，使其集結於一或多個電極上，且輸送一完整物流之經進一步純化的水或其他液體。因此，免除了先前元件的連續性廢料物流。

因為本元件係收集且固持污染物，其得以免除特殊結構以確保一路從元件的入口至出口之層流。而是，腔室本身可提供一在其內使污染物被移動至電極之移除區。腔室本身的一入口區係可能夠長(約十倍直徑)以在移除區之前於腔室內建立層流，且一出口區可能夠長(約五倍直徑)以防止移除區中之層流的擾亂。因此，本發明的較佳實施例之反應腔室係缺乏先前元件的擋板及多重出口，並因此大幅降低了可能會收集諸如細菌等污染物之死區。並且，該設計係准許液體的入口及出口對於元件的軸線構成角度，並准許腔室的入口及出口區域內之平順彎轉。基於這些理由，且因為週期性沖洗循環使腔室內部維持清潔，本元件亦較不易髒污及隨機釋放污染物且在示範性實施例中可操作一年或更久而不需從元件所附接的液壓線路(製程硬管)予以實體地移除。

較佳實施例中，元件係包括位於中央電極端點上方之介電套筒，超過移除區，以熄滅該處的穗化電場(fringing electric field)並降低或消除入口區及出口出中之電極的漫散污染及所產生的氧化。

本發明亦遠小於沃德姆施(Wildermuth)的美國專利案No.5,128,043之元件。其因此易被裝設在使用點區位，使用一遠為更小的電源供應器(一般為100v至150v DC而非2,000v至3000v DC)，並使用遠為較小功率(位於0.2W而非90W的級數)。

用於從諸如水等高純化及超純液體移除污染物之上述的相同方法及裝置係適可用於諸如水等高純化及超純液體之分析評估。此實施例的一關鍵優點係為污染物在整體液體內及/或電極處之相對較高的取樣速率以及集結。高純化或超純水只含有痕量的可溶及不可溶成份諸如粒子、奈米粒子、膠體、分子、及離子等。結果，以一小樣本容積及40nm的偵測極限藉由線上式OPC不良地偵測污染物。作為對於OPC的一替代方式，過濾薄膜取樣係耗費大容積的水及顯著的時間量(數週)來收集用於標準SEM/EDS評估之足夠粒子。

相較於現今可取得程序的50至100ml/min，本發明的分析系統係以大於300ml/min的速率對於水作取樣。同樣重要的是，電極上所收集的污染物係集結或合併成較大粒子，其藉由OCP及SEM儀器被較有效地偵測，藉以偵測比起用於高純化或超純水的既有分析元件更小之粒子。結果，在數天vs.數週內即收集到有效濃度的粒子。分析性實施例係藉此提供高純化及超純水系統之較為及時的製程控制及系統失常評估。

分析性實施例係擷取及集結粒子於陰極及陽極電極上。依據水品質(污染物濃度)而定的一段時間期間之後，電極的極性係被多次反轉以從電極釋放污染物並容許濃縮的廢料物流被導引至一標準50或100nm樣本薄膜。濃縮及集結的粒子可由一OPC被計數及量測尺寸，或者由SEM/EDS被計數、量測尺寸及作元素評估。一旦污染物已被收集於樣本薄膜上，元件可被沖洗並返回服務供一新擷取循環所用。

分析性實施例提供一方法、裝置及系統，其能夠擷取陽極及陰極電極上之一寬廣範圍的可溶及不可溶污染物且隨後釋放夠大足以由既有OPC及SEM/EDS分析技術所評估之經集結的污染物。

藉由調整諸如間際電極電壓及流率等操作參數利用可變式移除效率，係容許以電荷特徵(活動力)為基礎之特定污染物的分隔及識別。

部分案例中，想要在接收到一受分析的液體系統中已發生失常之外部信號時引發一擷取循環。這係可幫助確切找出正常操作期間可能以痕量存在的污染物。本系統即提供該能力。

污染物移除裝置、純化系統及分析系統的操作係可由自動式控制器所控制。因此，定時式擷取、釋放/自我清潔、動力式及非動力式沖洗、電極短路、信號作用外部監測設備、資料記錄係可皆由用於控制激勵頻率、時程、及振幅、並用於控制閥、繼電器、信號作用、及觸發之市售可程式化邏輯控制器及相關聯的A/D轉換器來進行。因此可以能夠一次達到數週無人操作的轉匙整合可攜式系統來提供該等系統。已發現將元件及系統予以自動化係大幅增強了系統的效能及結果的可重製性。

現今的流及電壓(或功率消耗)可藉由污染物移除元件在擷取模式期間被監測，作為高純化液體中之污染物數量的一指示；同樣地，釋放模式期間來自污染物測量設備之讀數係可被監測及饋給回到控制系統中並可控制諸如一閉迴路控制系統中而非一以排程式時序操作的開迴路系統中之激勵振幅及極性及閥定時等變數。

雖然純化及分析系統被描述為對於該等功能作最適化之個別系統，將瞭解來自純化元件的自我清潔模式之污染物可被擷取及分析，且來自分析系統之經進一步純化的液體可在一工業製程中被利用。

圖式簡單說明

第1圖是根據本發明的一反應腔室之橫剖視圖，顯示組件及元件總成；第2圖是第1圖的反應腔室之一端部分的細部，另一端部分是其一鏡像；第3A及3B圖是用於液壓系統中的密封組件之兩種先前技藝設計的細部圖；第3C圖是用於液壓系統中的密封組件之一新設計途徑的細部圖，其使用一特殊設計的梯形O型環溝槽在反應腔室中提供一低污染密封件；第4圖是顯示用來對於裝置供電及控制液體純化與分析系統之電性系統組件的示意圖；第5圖是顯示用於誘發反應腔室內之帶電可溶及不可溶成份的活動力之電磁場的示意圖；第6圖是顯示層流及同軸圓柱形設計對於反應腔室內的成份運動之衝擊的示意圖；第7A圖是顯示可溶及不可溶成份的擷取期間之典型反應腔室電壓及電流的圖形；第7B圖是顯示可溶及不可溶成份的釋放期間之典型反應腔室電壓及電流的圖形；第8圖是顯示用於高純化及超純水的純化之裝置及系統的一實施例之電性控制的示意圖；第9圖是顯示一用於高純化及超純水的分析評估之系統中所使用的裝置及液壓組件之示意圖。

發明的最佳實行模式

本發明係包含一用於純化諸如超純水等已經高純化或的液體之系統，一用於分析此等液體中的雜質之系統，及這些系統的使用方法，及一在兩系統中皆可使用的反應腔室，及其他。

利用用於移除懸浮及溶解成份之一系列的單元製程來調控/處理天然發生的井或表面水，藉以製造出具有超過1百萬歐姆的整體電阻率之高純化或超純水。這些單元製程通常係包括但不限於沉降、凝聚、澄清、軟化、漂浮、深度過濾、薄膜過濾、吸收、除氣、溫度調整(熱交換器)、逆滲透、蒸餾、離子交換、氧化、殺菌及超過濾。這些處理步驟藉由移除懸浮及溶解成份使水漸進地純化。單元製程的選擇及配置係取決於特定成份的數量、單元製程效能、單元製程的配置、及最終水品質要求。最終水品質要求係取決於製造要求並在半導體、藥劑、光伏裝置、金屬鍍覆、及發電產業之間略有變動。這些略微變異係由於特定成份的衝擊所造成。譬如，藥劑產業很關心痕量細菌。另一方面，電力業則關心痕量的無機污染物。重要的是，本製程、裝置及系統可有效移除痕量的有機及無機污染物並可應用在任何需要移除或測量少量污染物以供高純化及超純水系統有效運作之產業。

A.反應腔室及操作方法

本發明的一中心元件係為其中從諸如超純水等高純化液體擷取可溶及不可溶成份之反應腔室。如果熟習該技藝者如同先前提及的沃德姆施(Wildermuth)的US 5128043 A1中所描述以一電磁場來處理經純化、弱傳導性液體，該場可利用與一排空式陰極射線管相同之物理原理─其中該場係駕馭一移動的電子束─來駕馭帶電可溶及不可溶污染物經過液體。如前述，高純化及超純液體內之大部份污染物係包含帶負電的粒子、奈米粒子、膠體、分子及離子。

雖然並非目前所偏好，液體中的電荷中性污染物可在進入此製程前藉由反應腔室上游的一適當充電元件被預充電。可藉由部份地氧化該等成份來達成預充電。可藉由使成份曝露於紫外(UV)輻射或藉由諸如但不限於臭氧及過氧化氫等氧化劑的化學氧化來達成部份氧化。或者，使成份穿過一適當組構的電場亦可電荷修改或極化粒子或成份上的電荷。粒子的預充電或電荷極化係可易於被併入純化或分析系統中以進一步增強擷取效率或者可被添加至用於以大濃度的電荷中性粒子、奈米粒子、膠體、分子或離子來處理液體之系統。

現在請參照圖式且特別參照第1及2圖，本發明的一反應腔室1係採用上述沃德姆施(Wildermuth)專利案的部分洞見，但對於該元件作出改良。腔室設計及製作並未對於高純度液體或超純水增加污染。

反應腔室1係包括由具有小於5.0的Ra修製之316L不銹鋼製成的一管或圓柱3。管3係為16吋(40.64cm)長，具有0.75吋(19.05mm)的外部直徑及0.625吋(15.875mm)的內部直徑。管3的端點上係壓設有316L不銹鋼軸環5。入口區塊7及出口區塊9係藉由O型環11被密封至管3及軸環5的端點。這些區塊係為機械加工或模製的聚氟碳，諸如乙烯氯三氟乙烯(ECTFE；譬如蘇威蘇萊克斯(Solvay Solexis)海樂(HYLAR))或聚偏二氟乙烯(PVDF；譬如蘇威蘇萊克斯(Solvay Solexis)海樂(HYLAR))。其設計成將入進或離開流導引入或導引出反應腔室。這些區塊中之入口通道12a及出口通道12b的半徑係為一掃掠90度肘管以促進層流，但如後文所描述在穩穩進入管3內之前並未達成真正的層流。區塊7及9亦用來對準及定位管3及一同軸中央桿電極13以供妥當操作。聚氟碳埠轉接器15係配合至區塊入口12a及區塊出口12b中，且以O型環17作密封。位於轉接器15的外肩上之機械扣件16係包含O型環17並防止液體壓力將轉接器從區塊退出。

中心電極/桿13係由具有小於5.0的Ra修製之316L不銹鋼製成。其具有19.9吋(50.5cm)的長度及0.188吋(4.775mm)的直徑。桿13具有絕緣性PVDF套筒19，其從管3嘴口往外延伸橫越入口及出口通道以限制E場穗化及該等區域中的氧化物累積。套筒19具有略微小於桿13之內直徑並在桿13上方形成一緊密、防水的配合。套筒19的外端係滑入從區塊外側延伸至區塊7及9內之O型環裝填壓蓋21中，並以O型環23形成一密封件。桿13在兩端皆為螺紋式。螺帽25被螺接至桿13上藉以組裝組件並壓縮O型環密封件11及23。

外管3通常為陰極(負電)，而中心電極13通常為陽極(正電)。

管3較佳係覆蓋有被困陷在區塊7與9之間的一2吋(5.1cm)PVDF管形式之絕緣殼體27。此塑料管係形成一保護殼體，其設計成可電性隔離外電極3不作接觸以供安全操作。

保護端蓋29係由諸如PVDF等絕緣材料所模製。這些塑料蓋係設計成電性隔離內電極13不作接觸以供安全操作。一諸如聚醯亞胺轉接器31等絕緣體係被螺接至桿13端上，且一凹鉋頭蓋螺絲34被螺接至絕緣轉接器31中。

孔33及35可分別設置於絕緣殼體27以及端蓋29的一者中，以供通往管3上的接點38之電性引線37以及桿13上的螺帽25之間所困陷的電性引線39所用。

四個安裝孔40被示範性鑽製通過區塊7及9。

如稍後得知，粒子的主要沉積及集結將發生於反應腔室1的一中央移除區41中，從相距管3入口端約6吋(16cm)延伸至相距其出口約3吋(8cm)。這是管中已經變成層流之區域。

用以將桿2及圓柱3密封至入口/出口區塊7及9且用以將入口及出口轉接器密封至區塊之O型環密封件係由EPDM製成。O型環、特別是圓柱及轉接器O型環係為一種在操作期間盡量減少污染之獨特設計。

第3A及3B圖顯示O型環連接件之既有設計。第3A圖的設計係使一O型環42壓縮於一管4外部與一供該管推入其中的插座46內部之間。其將提供洩漏保護。然而，該設計係造成一小間隙或“死腳”形成於管44外部與插座46內部之間。該間隙係生成一供細菌成長之環境，其將會污染待純化或測量的液體。第3B圖的設計亦將提供一有效密封件並將降低死腳容積。然而，當O型環42被壓縮，其將擴張至腔室的流線中。一旦一O型環突出至流線中，其會受到化學性侵襲或機械性侵蝕而惡化，造成粒子釋入高純化液體中。相形之下，第3C圖所示之本發明的設計不具有間隙或突出的O型環。此新設計中，當O型環42被壓縮，其係充填一特殊設計的O型環溝槽以作密封而無間隙或突件。溝槽43係形成為比起液體介面處更深入遠離其所密封的液體。溝槽43的一側面係藉由被密封的管44端中之一內部環狀嵌槽45形成，而溝槽43的另一側面係由可供管推入其中之插座46的底部48形成。嵌槽45尺寸可容許O型環42壓縮至溝槽43的較大徑向外部分中，同時使經壓縮O型環42的內部面實質地齊平於管44的內部孔徑47及插座46的流體流動通道孔徑49。嵌槽45較佳與管44內部形成290°±5°的一角度(亦即，相距管44端的平面呈20°±5°)。較佳地，O型環放置在嵌槽45中，且管44被推入插座46中直到管端的徑向外部分抵靠於插座46的底部48為止。結果，兩表面係被密封而高純化液體並無潛在污染。將瞭解嵌槽可設置於插座46底部而非管44端點中。

第4圖示意性顯示對於反應腔室1之電力的控制。第4圖中，具有痕量污染物之高純化或超純液體51係在層流條件下進入圓柱3的移除區41。一旦位於圓柱移除區41中，污染物將徑向地移動至中心桿(內電極)13的表面或移動至圓柱(外電極)3的內壁。最後，經純化的水將離開圓柱。可藉由反轉極性來移除分別位於內及外電極上之累積的材料53A及53B，造成累積及集結的材料離開圓柱。電場及切換係由一功率及控制箱55作控制，其示範性地將入進的交流電功率帶入一用於饋給予切換電路59之AC至DC電源供應器57中。切換電路59係由一可程式化邏輯控制器61所控制。切換電路59係在邏輯控制器61控制下控制被施加至管3及桿13之功率的極性、暨功率量以及被施加至管3及桿13之功率的極性改變之定時。

如第5圖示意性顯示，該裝置係以電磁場為基礎的帶電物質吸引/排斥原理來運作。此處的“電磁場”用語係包括由一靜或動電場、或是由一靜或動磁場或是由其任何及全部的一組合所產生之場。反應腔室壁3係作為一電極，連同內部桿電極13使用。高電阻率液體經由非污染性高純度硬管被帶入圓柱的一軸向端中。一旦液體進入反應腔室，設計流條件(雷諾數小於2,000)係建立層流。利用層流條件來建立均勻的流線(非紊擾)，一具有場線61的電磁場E係藉由一中等DC電壓(小於600伏特)被建立於圓柱形腔室中，位於一中央軸向延伸的電極13與腔室3的壁之間。DC電位係設置於腔室3側壁與桿13之間，使得腔室壁或桿的任一者作為陰極而另一者則作為陽極。當液體縱向地流經腔室，與層流方向維持橫向之電場係容許具有電荷q的帶電成份63移徙朝向陰極或陽極。在陰極或陽極處，污染物係黏著及集結在電極上，藉此移除可溶及不可溶污染物。純化的液體隨後可經由一高純度硬管系統離開腔室，類似於腔室供應硬管。可藉由控制下列變數來滿足在液體離開腔室之前使可溶及不可溶污染物能夠橫越腔室之要求：

1)流率─減慢液體流(甚至停止)。

2)場強度─增高場強度以更快速移動帶電物種。

3)尺寸比─增加腔室的尺寸比。示範性裝置係使用近似24：1的尺寸比。

在分離製程期間，可溶及不可溶材料係被擷取及/或集結成較大粒子。基於大部份粒子、奈米粒子、膠體、分子、及離子具有負電荷之瞭解，最適方式係將中心桿建立成陰極且圓柱建立成陰極，如第5圖所示。污染物的集中及集結係為關鍵性發現，其容許本發明對於水純化及分析應用而言皆超越目前可取得的技術。

繼續參照第5圖，因為同軸圓柱形電極的幾何形狀，E場力係在腔室中徑向地移動帶電成份，而從整體流體分離出污染物。定位力的基本物理方程式係為：

F=qE，其中：

F是所發展出的力之向量量值，mks單位制。

E是E場強度的向量量值。

q是受到E場作用之帶電物種上的淨電荷。

簡言之，此關係式陳述：任何帶電粒子63上之力的量值係為其淨電荷及E場強度之乘積。其方向係平行於腔室中該區位之E場方向，且如果力與E場方向呈反向作用(亦即淨電荷若為負)則乘積將是負號。

對於遠離任一端的腔室之E場方程式將被認為是方程式中對於一圓柱形同軸電容器之E場：

E={V/[r*ln(b/a)]}a_r (對於a與b之間的r)，其中：

V是電極之間的電位差(電壓)。

r是相距圓柱中心以公尺所測量之距離(獨立變數)

b是位於腔室殼的內側壁之r值。

a是位於中央桿的外直徑之r值。

a_r 是顯示場方向之單位向量。

此方程式只適用於腔室內側的流體容積，依照高斯定律，其中在中央桿內側或同軸電容器狀腔室外側並不存在E場。

該方程式陳述：帶電粒子、奈米粒子、膠體、分子及離子上的E場力；(1)只具有徑向分量，(2)與所施加電壓直接成正比，(3)藉由徑向腔室維度所決定的一常數而與相距中心之徑向距離成反比。既有的系統已經以介於5,300至70,000V/m量值的場強度運作。

場強度的量值係為相距腔室中心的徑向距離之函數。可注意到在中心電極內側及超過圓柱的內直徑處，場量值皆為零。對於腔室設計來說在接近內電極處之E場強度的非線性增加係為新穎現象並顯著有助於腔室設計的移除效率。這將更詳細地描述於下文。

由於腔室不具有無限長度，端點處通常將發生部分穗化(fringing)。這將負面地影響元件的操作。在入口端尚未發生分離，而在出口端，污染物已經抵達指定的電極。最後，儘管藉由弓起於縱向方向之路徑，穗狀E場線仍以使其將抵達預定目的地之方式施力至帶電成份。為了盡量減少穗化區域中之氧化物累積，一絕緣套筒19已在對於反應腔室之入口及出口處裝設於中心電極(桿)上。套筒係為近似1吋(2.5cm)長度並實質地熄滅管端及桿進入端區塊中的入口點之間穗化區域中的場。

其他的力亦出現於腔室中，但相對於E場流體力學的力而言其具有很小量值故可在腔室分析中予以忽略。譬如，因為可溶及不可溶成份具有很低比重或者可溶於水性環境內，故不計入重力及浮力。由於電流流動於電極及流體中，係出現磁場力。然而，藉由經過流體的電流所建構之磁場係為向量性自我抵銷，且在最壞情況下，藉由電極電流磁場所建構之力的量值係約比E場所導致者更小10^-8 倍。

反應腔室1的液壓設計係圖解式顯示於第6圖。相較於矩形及其他橫剖面設計而言，腔室的圓柱形幾何形狀係增強分離效率。這是由於本申請案中所使用的容積幾何形狀及E場之先天優點所導致。確切來說，電場量值係非線性地增加，當從腔室的圓柱電極3移動至內(桿)電極13時係以一不斷增大的比率升高。

此外，依照定義，容積濃度(譬如粒子/升)在分母具有容積項。因此，當粒子63從外電極移動至內電極時，每縱軸線單位長度的有效濃度係以一增大比率提高。確切來說，每腔室單位長度的容積係得自於長度L及半徑r及r_a 的直圓形圓柱之容積差異的方程式：

容積=L×π×(r² -r_a ² )

或藉由移項

容積/L=π×(r² -r_a ² )　(其中r_a 小於r)

此方程式係陳述，相距桿的外表面處於一特定距離之每腔室單位長度的容積係與從桿往外的徑向距離以及桿半徑距離之平方之間的差異成正比。這表示當帶電成份移動靠近內電極，濃度(亦即，每單位容積的數量)係以這些平方值之間差異的倒數增大。

非線性的場強度以及減小的橫剖面積都是將桿電極界定為陽極之關鍵要素，因此吸引了攜帶負電荷的大部份成份。實質上，這盡量加大一其中具有最高污染物濃度的區域中之場強度，而改良元件的效率。若液體具有其中大部份粒子為正性之獨特特徵，則可反轉極性以更有效率地移除帶正電的成份。

再度參照第4圖，可藉由橫越腔室壁及桿施加DC電壓來建立上述E場。藉由位居一電功率及控制箱55內之組件來產生、控制及監測此E場。電功率及控制箱係接收用於電源供應器57及可程式化邏輯控制器(PLC) 61之120 VAC。電源供應器將120 VAC轉換成反應腔室中所使用之經完全整流及過濾(<10%波紋)的DC功率。DC功率可在用於擷取及釋放循環的0與600 VDC之間作調整。對於上述組態，75及150 VDC之間的擷取電壓以及通常身為擷取電壓的150%之釋放電壓係可滿意地運作。如第4圖所示，來自電源供應器之DC輸出係被導引至切換邏輯電路59，其中藉由一群組的繼電器來控制對於反應腔室的DC功率。由PLC 61所控制的繼電器係決定了擷取或釋放電壓之施加、桿/圓柱電極的極性、及擷取與釋放循環之排序及定時，並每當未施加電極激勵時則將電極一起作電性短路。

如第4圖所示，繼電器係控制對於反應腔室之DC功率，其中一引線終止於中心桿電極13上且一引線終止於圓柱電極3上。如第5圖所示且如上述，E場係將活動化、集結及附接位於電極處之污染物。可利用切換繼電器來反轉桿/圓柱極性並將電壓增壓至釋放位準，藉以從電極移除污染物。

控制器或PLC 61係被程式化以自動進行繼電器之切換，如下文參照第8及9圖所述般操作螺線管閥，並監測關鍵的操作電壓及電流參數。對於水純化或分析系統之操作，PLC可被程式化以自動進行並排序功率及液壓操作以達成可重覆且可靠的操作。PLC 61經由一類比至數位轉換器65收集操作資料，包括間際電極電壓及電流。

PLC 61係在所有循環期間監測且電子式儲存來自類比至數位轉換器65之反應腔室電壓及電流。第7A圖是顯示處於近似125 VDC的一擷取循環期間之反應腔室間際電壓及電流的一典型DC激勵之圖形，而產生一2mA電流。對於上述組態，這在從高純化及超純水擷取污染物期間對於純化及分析系統係為典型情形。第7B圖顯示從反應腔室釋放粒子期間之典型間際電極電壓及輸出電流。第7B圖中，DC場的極性係每分鐘(6次)然後每30秒(6次)作切換。當極性反轉，可觀察到電流略微增加。電流增加係與所附接及集結粒子之釋放相關聯。當粒子從電極被釋放，其電荷可供用來轉移電子並增加電流流。應注意到，代表污染位準之這些電壓/電流輪廓係可用來估計操作期間的污染位準，並因此可用來控制諸如釋放循環的長度等操作參數。電壓/電流圖形係代表純化及分析元件兩者。

將可看出，較佳實施例的物理及電性參數係容許有時間使污染物完全移行至電極，且在電極處，電場具有充分能量可克服凡得瓦力，而准許成份附接及集結至電極或是附接及集結至電極所附接的其他有機及無機材料。亦將可看出，釋放循環係准許來自於元件的電極之粒子實質完全釋放以及粒子集結。

B.水純化系統─設計及操作

現在參照第8圖，顯示連同一電功率及控制箱一起運作之位居液壓組件箱101內的液壓組件之示意圖。硬管及組件佈局係為系統設計的一近似代表，其中箱被定向於垂直位置中(圖頂部為上方)。與管件、配件及系統組件相關聯之所有濕潤表面較佳皆由氟聚合物諸如聚偏二氟乙烯(PVDF；譬如蘇威蘇萊克斯(Solvay Solexis)海樂(HYLAR))或聚四氟乙烯(PTFE；譬如杜邦(DuPont)鐵氟龍(TEFLON))高純度材料製成以免對於入進的水添加任何污染物。反應腔室除外，所有組件皆從高純度水硬管供應商以標準元件取得。

在入口103，上述的高純化或超純水係進入液壓組件箱。入口水壓力及溫度將由元件下游的製程要求所決定。對於製造設備之典型製程要求係為20至80磅每平方吋錶計(PSIG)(138至552kPa)的壓力及1至90℃之間。裝置對於壓力(小於1PSIG(7kPa)壓降)或溫度具有可忽略的衝擊。結果，本發明可易於被添加至既有的水處理系統，而不衝擊既有壓力或溫度規格。或者，身為現今可取得的最佳技術之超濾器及薄膜濾器將顯著地降低系統壓力達10至20PSIG(69至138kPa)而對於溫度具有可忽略的衝擊。

用於高純化及超純水的純化之本系統係以0.1GPM(379ml/min)操作。該元件具有附有0.375吋(9.5mm)內直徑(ID)之入口管件。在0.1GPM(379ml/min)操作，水流係為層流而具有近似900的雷諾數。元件組件的液壓設計維度可依據下游製程要求而改變，依照需要來放大或縮小硬管或管件及反應腔室。或者，可放大硬管及管件而使多個反應腔室平行運作；這些物件可設計成滿足任何下游的液壓要求。液壓要求將決定可在污染物擷取期間維持層流(雷諾數小於1,000)之管件/硬管及組件尺寸。

再度參照第8圖，0.1GPM(379ml/min)的高純化或超純水係進入連同電功率及控制箱55一起運作之液壓組件箱101。在液壓組件箱內側，0.375吋(9.5mm)ID管件係被連接至一擷取可變面積流量計(轉子流量計)105。擷取流量計105及一整合式節流閥係在擷取循環期間監測並控制流動。示範性實施例係設計用於0.1GPM(379ml/min)的流，但可在0.026至0.16GPM(100至600ml/min)的範圍中成功地操作。入進的水亦連接至一沖洗可變面積流量計(轉子流量計)107，其中如下述般地在釋放循環期間使用一整合式節流閥。擷取流量計105係由0.375吋(9.5mm)ID管件連接至反應腔室1。當水移動經過反應腔室，可溶及不可溶污染物係被移除。如上述的水純化製程將擷取高純化或超純水中所發現的污染物。純化期間的電壓通常位於75至125 VDC之間，但已使用此範圍以外的電壓而具有類似結果。污染物擷取之後，澄清的水係經由0.375吋(9.5mm) ID管件離開反應腔室來到一螺線管閥操作式三向閥111。擷取循環期間，水係直接穿過閥並以純化水113離開液壓組件箱。

對於上述組態，擷取循環一般持續24至72小時之間，依據高純化液體中(以超純水作示範)的污染量而定。可能藉提供額外電極表面積而具有較長的擷取循環。擷取或純化循環之後，電功率及控制箱55係將自動式或人工式：

1)操作三向閥111，將系統流重新導引至廢料115。

2)開啟沖洗流量計螺線管閥109，而增加0.375吋(9.5mm)ID管件及反應腔室中的流達1.5GPM(5,800ml/min)。總系統流將增加至1.6GPM(6,179ml/min)，以擷取及沖洗流量計作記錄。經過管件及反應腔室的流將變成紊擾性，具有近似14,000的雷諾數。增大及紊擾的流亦在腔室內側產生一線性液體速度，其係降低污染物使其無法在極性反轉期間抵達相對電極。

3)增高電壓並使桿及管電極的極性反轉。釋放電壓係由個別水條件(水的傳導率、所扣留粒子的電荷特徵、及污染物的濃度)所決定。然而，其通常是純化電壓的150%。電極的極性係為交替以確保所累積污染物之完全移除，接著係為一非動力式沖洗，其中電極被主動強迫成為零伏特(彼此電性短路)以免靜電荷意外累積於反應單元內。電極之間的靜電荷會在沖洗操作期間造成成份留置。

水純化系統的極性及循環定時之一示範性範例請見表1。

釋放循環之後，元件可返回至擷取循環。若水純化元件怠惰大於1小時，通常將緊接在一擷取循環之前運轉一釋放循環。

如上述，水純化系統的效能已被記錄並可有效藉由移除成份污染物來改良高品質高純化或超純水。

利用粒子測量系統公司(Particle Measuring Systems,Inc.)所製造之一光學粒子計數器(OPC)(型號M50)，水純化系統移除所有大於50nm的粒子之近似80%。利用SEM分析技術，水純化系統移除所有大於200nm的粒子之近似71%。重要的是，兩分析方法皆記錄了在釋放循環期間(極性反轉)釋放出大濃度的粒子，確認了水純化元件係在擷取循環期間扣留粒子。

顯著地，OPC及SEM技術皆記錄了粒子釋放循環期間之粒子尺寸分佈的增加，表示擷取循環期間係發生粒子集結。

尚且，SEM技術能夠比較擷取及釋放循環之間的粒子或污染物之質量。此評估係顯示出：釋放循環粒子具有近似300%更大的質量。此質量增加係證實水純化系統正在移除及集結小於SEM分析偵測極限之粒子、奈米粒子、膠體、分子、及離子。簡言之，超純供應水內之小於100nm的粒子係被擷取及集結且稍後在釋放循環期間以大於100nm的粒子被釋放。

OPC及SEM分析測試已經證實水純化系統係有效地改良高純化及超純水。重要的是，該資料亦確認次100nm粒子正被擷取及集結。

C.分析系統─設計及操作

第9圖是位居一液壓組件箱201內的液壓組件之示意圖，並連同一電功率及控制箱一起運作。硬管及組件佈局係為系統設計的一近似代表，其中箱被定向於垂直位置中(圖頂部為上方)。與管件、配件及系統組件相關聯之所有濕潤表面皆由聚偏二氟乙烯(PVDF)、海樂(hylar)、或鐵氟龍(Teflon)高純度材料製成以免對於入進的水添加任何污染物。反應腔室除外，所有組件皆從高純度水硬管供應商以標準元件取得。

現在參照第9圖，上述的高純化或超純水係從水供應器202進入液壓組件箱201。入口水壓力及溫度將由取樣區位所決定，但預期其變動於20至80磅每平方吋錶計(PSIG)(138至552kPa)及1至90℃之間。系統的示範性實施例係在粒子擷取期間以0.1GPM(379ml/min)操作。元件具有附有0.375吋內直徑(ID)之入口管件。在0.1GPM(379ml/min)操作，水流係為層流而具有近似900的雷諾數。經過妥當設計，一較大的取樣流率將在一均等的時間期間中收集額外的污染物。特定的取樣流率將決定管件/硬管及組件尺寸。然而，污染物擷取期間務必維持層流(雷諾數小於1,000)。

高純化或超純水202係進入液壓組件箱201並被連接至反應腔室1的入口203。當水往上移動經過腔室，可溶及不可溶污染物係被移除。污染物移除之後，澄清的水係離開反應腔室1的出口205。在SEM樣本線207，從主要流物流(379ml/min)分割一100ml/min的流。0.125吋(3.2mm)(ID)SEM樣本線207係離開液壓組件箱201底部並連接至一三向閥209。污染物擷取期間，閥209係旁通繞過樣本薄膜並將流導引回到液壓組件箱。這容許一SEM固持件235被裝設或移除而待分析液體並無溢流。在箱內側，來自閥209之0.125吋(3.2mm)(ID)管件210係連接至SEM可變面積流量計(轉子流量計)211。為了確保妥當的流率，內建有一節流閥之SEM流量計211係設定在100ml/min。SEM流量計0.125吋(3.2mm)(ID)出口管件係連接至一較大的0.375吋(9.5mm)(ID)出口頭座214，而將水212排放至液壓組件箱外側(廢料或回收)。

再度參照第9圖，在粒子計數器樣本線213，從主要流物流(剩下279ml/min)分割一額外的100ml/min流。0.125吋(3.2mm)(ID)樣本線係離開液壓組件箱的底部並在其入口216被連接至一光學粒子計數器(OPC) 215。可能請注意，光學粒子計數器通常需要100ml/min樣本線。來自OPC出口218之流係在一0.125吋(3.2mm)(ID)管220中返回至液壓組件箱並繞佈至用於控制及監測流率之OPC可變面積流量計(轉子流量計)217。OPC 215係用來在污染物擷取期間監測水品質，且更重要的是在污染物釋放期間監測水品質，如下文討論。OPC 215對於操作系統而言並非必要。若未使用一OPC，裝設一迴路連接219以維持100ml/min的指定流率並防止由於蓋覆住埠所導致的一死腳。OPC流量計0.125吋(3.2mm)(ID)出口管件係連接至一從電功率及控制箱所控制之開/關螺線管閥221。污染物擷取期間，閥位於開啟位置中。在OPC流量計螺線管閥221之後，一0.125吋(3.2mm)管係連接至較大的0.375吋(9.5mm)(ID)出口頭座214，而將水212排放至液壓組件箱外側(廢料或回收)。

仍參照第9圖，在點223，一0.375吋(9.5mm)管內之179ml/min的剩餘水流係被導引至主要流(PF)可變面積流量計(轉子流量計)225，其在該處被控制及修改。PF流量計的0.125吋(3.2mm)(ID)出口管件係連接至一從電功率及控制箱所控制之開/關螺線管閥227。污染物擷取期間，閥227位於開啟位置中。PF流量計的0.375吋(9.5mm)(ID)出口管件係連接至0.375吋(9.5mm)(ID)出口頭座214且水隨後被排放，連同在212處來自液壓組件箱之SEM及OPC物流。

在點223，0.375吋(9.5mm)管件亦終止於一沖洗可變面積流量計(轉子流量計)231。位居沖洗流量計的出口之沖洗螺線管閥233係在擷取循環期間被關閉。

如上述的擷取循環將扣留高純化或超純水內所發現之污染物。擷取循環時間將依據樣本水中的污染物位準而改變。對於上述組態，有用的擷取時間係變動於6至48小時之間。較長的樣本時間將收集較多污染物以供分析。然而，若電極變成飽和，額外的擷取時間係無效。擷取電壓在此範例中係位於50至150伏特DC之間且通常位於75至125伏特DC之間。

在污染物擷取之後，係為從反應腔室電極釋放所累積的成份。在經程式化的擷取期間之後，控制器(自動式或人工式)將使DC極性反轉，而釋放經濃縮及集結的污染物。極性係被循環以確保污染物的完全釋放。極性反轉期間的典型電壓係為擷取電壓的150%。緊接在第一極性反轉之前，主要流螺線管閥227被關閉，而強迫所有經濃縮的污染物通過SEM及OPC樣本線。將可看出，沖洗螺線管閥233將保持關閉。經濃縮的污染物可由OPC所記錄。若未裝設OPC(以旁通迴路219操作)，則系統可被程式化以關閉OPC螺線管閥221，而將所有濃縮污染物強迫至SEM樣本線。為了收集經釋放的污染物以供分析，三向閥209係在極性反轉之前操作，而將SEM樣本流導引至一含有一200、100、或50nm孔隙SEM取樣薄膜236之25mm濾器固持件235。通過一SEM樣本薄膜之流率係初始地變動於50至100ml/min之間，依據水壓力與溫度及薄膜孔隙尺寸而定。當薄膜負載漸多污染物，流率可能更進一步減小。一位居SEM薄膜固持件的出口上之刻度式圓柱237將測量典型的九分鐘釋放循環期間所收集之水的總容積，而准許計算出污染物濃度。在九分鐘釋放循環終點，三向閥209返回至原始位置，藉以將水重新導引至SEM流量計211。

污染物釋放至取樣薄膜之後，系統係藉由開啟沖洗螺線管閥233且容許系統流增加達1.5GPM(5,800ml/min)來接收一動力式沖洗。動力式沖洗循環期間的總系統流將為1.6 GPM(6,179ml/min)，如SEM、OPC、主要流、及沖洗流量計211、217、225及231所記錄。沖洗循環期間的流將為紊流，具有近似14,000的雷諾數。除了紊流外，電極的極性一般係以擷取電壓的150%每30秒作循環為期總共四分鐘，以確保任何剩餘污染物均被釋放。動力式沖洗之後，係為一五分鐘非動力式沖洗。非動力式沖洗期間，電極必須被主動地強迫成為零伏特，以免靜電荷累積於反應腔室內。電極之間的靜電荷會造成沖洗循環期間之成份的不良扣留。SEM薄膜固持件235、包括薄膜236係被轉交一實驗室以供分析。實驗室之薄膜的分析將藉由SEM/EDS決定出粒子尺寸、濃度及元素分析。

分析系統的極性及循環定時之一示範性範例係顯示於表2。

分析裝置可被裝設並用來追蹤基線水或者被移動至不同區位以決定場地特定性水品質條件。

在上述釋放循環之後，SEM濾器固持件及薄膜將被送到一精於評估SEM超純水樣本薄膜之實驗室。SEM能夠解析及照攝大於50nm的個別粒子並利用EDS對於大於100nm的粒子作元素評估。若從刻度式圓柱237得知原始樣本容積，則分析師將得以決定出過濾通過SEM薄膜的水樣本內之粒子的濃度及粒子尺寸分佈，藉此提供關於高純化及超純水內的污染物濃度之重要資訊。

分析系統已被測試。SEM/EDS技術已識別出多於20種元素。最常見的元素成份係包括碳粒子(可能是生物物質)；矽土/氧/粒子；鐵/鉻/鎳/氧粒子；及氟/碳/氧粒子。

對於一高純化及超純水系統的妥善操作而言，決定粒子形態、濃度、及元素組成物之能力甚為重要。

熟習該技藝者將瞭解本發明的元件、方法及系統之許多變異，且將立即體認到本發明的部份可應用在其他領域。本發明的範圍因此係由申請專利範圍所決定，而非由上文所揭露的本發明最佳施行模式之特定範例所決定。

1．．．反應腔室

3．．．管或圓柱

5．．．不銹鋼軸環

7．．．入口區塊

9．．．出口區塊

11,17,23,42．．．O型環

12a．．．入口通道

12b．．．出口通道

13．．．同軸中央桿電極

15．．．聚氟碳埠轉接器

16．．．機械扣件

19．．．絕緣性PVDF套筒

21．．．O型環裝填壓蓋

25．．．螺帽

27．．．絕緣殼體

29．．．保護端蓋

31．．．聚醯亞胺轉接器

33,35．．．孔

34．．．凹鉋頭蓋螺絲

37,39．．．電性引線

38．．．接點

40．．．安裝孔

41．．．中央移除區

43．．．溝槽

44．．．管

45．．．內部環狀嵌槽

46．．．插座

47．．．管44的內部孔徑

48．．．插座46的底部

49．．．插座46的流體流動通道孔徑

51．．．高純化或超純液體

53A,53B．．．位於內及外電極上之累積的材料

55．．．電功率及控制箱

57．．．AC至DC電源供應器

59．．．切換邏輯電路

61．．．可程式化邏輯控制器(PLC)

63．．．帶電成份，粒子

65．．．類比至數位轉換器

101,201．．．液壓組件箱

103,216．．．入口

105．．．擷取可變面積流量計(轉子流量計)

109．．．沖洗流量計螺線管閥

111．．．螺線管閥操作式三向閥

113．．．純化水

115．．．廢料

202．．．水供應器

203．．．反應腔室1的入口

205．．．反應腔室1的出口

207．．．SEM樣本線

209．．．三向閥

210．．．來自閥209之0.125吋(3.2mm)(ID)管件

211．．．SEM可變面積流量計(轉子流量計)

212．．．水

213．．．粒子計數器樣本線

214．．．較大的0.375吋(9.5mm)(ID)出口頭座

215．．．光學粒子計數器(OPC)

217．．．OPC可變面積流量計(轉子流量計)

218．．．OPC出口

219．．．迴路連接

220．．．0.125吋(3.2mm)(ID)管

221．．．OPC螺線管閥，開/關螺線管閥

223．．．點

225．．．主要流(PF)可變面積流量計(轉子流量計)

227．．．主要流螺線管閥，開/關螺線管閥

231．．．沖洗可變面積流量計(轉子流量計)

233．．．沖洗螺線管閥

235．．．25mm濾器固持件,SEM固持件

236．．．200、100、或50nm孔隙SEM取樣薄膜

237．．．刻度式圓柱

a．．．位於中央桿的外直徑之r值

a_r ．．．顯示場方向之單位向量

b．．．位於腔室殼的內側壁之r值

E．．．電磁場

F．．．所發展出的力之向量量值

q．．．電荷

r．．．相距圓柱中心以公尺所測量之距離

V．．．電極之間的電位差(電壓)

第1圖是根據本發明的一反應腔室之橫剖視圖，顯示組件及元件總成；

第2圖是第1圖的反應腔室之一端部分的細部，另一端部分是其一鏡像；

第3A及3B圖是用於液壓系統中的密封組件之兩種先前技藝設計的細部圖；

第3C圖是用於液壓系統中的密封組件之一新設計途徑的細部圖，其使用一特殊設計的梯形O型環溝槽在反應腔室中提供一低污染密封件；

第4圖是顯示用來對於裝置供電及控制液體純化與分析系統之電性系統組件的示意圖；

第5圖是顯示用於誘發反應腔室內之帶電可溶及不可溶成份的活動力之電磁場的示意圖；

第6圖是顯示層流及同軸圓柱形設計對於反應腔室內的成份運動之衝擊的示意圖；

第7A圖是顯示可溶及不可溶成份的擷取期間之典型反應腔室電壓及電流的圖形；

第7B圖是顯示可溶及不可溶成份的釋放期間之典型反應腔室電壓及電流的圖形；

第8圖是顯示用於高純化及超純水的純化之裝置及系統的一實施例之電性控制的示意圖；

第9圖是顯示一用於高純化及超純水的分析評估之系統中所使用的裝置及液壓組件之示意圖。

1．．．反應腔室

3．．．管或圓柱

5．．．不銹鋼軸環

7．．．入口區塊

9．．．出口區塊

12a．．．入口通道

12b．．．出口通道

13．．．同軸中央桿電極

15．．．聚氟碳埠轉接器

21．．．O型環裝填壓蓋

27．．．絕緣殼體

29．．．保護端蓋

37,39．．．電性引線

38．．．接點

40．．．安裝孔

41．．．中央移除區

Claims (39)

1. 一種從具有大於1.0百萬歐姆-公分(megohm-cm)的整體電阻率(bulk resistivity)之高電阻率液體來抽取痕量污染物之方法，該方法包含下列步驟：使待純化液體以層流方式流動通經一長形圓柱形腔室，該腔室的一腔室壁形成一外電極，該腔室中具有一中央軸向電極；於該腔室中提供一對於流動方向呈橫向的電磁場，以造成該等污染物在該腔室的一移除區中沉積及集結於該等電極上；將實質全部的該液體從該腔室抽取至一接收導管；以及週期性地反轉該電磁場，以從該等電極的移除區移除污染物及經集結的污染物。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該反轉電磁場係具有大於擷取量值之一量值。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等污染物係包含無機粒子及有機粒子。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中經溶解之污染物係沉積及集結於該等電極上。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，包含下列另一步驟：利用化學物、紫外光、或電磁能來預充電污染物，以在其進入該長形圓柱形腔室之前部份地氧化或電荷修改不可溶及可溶污染物。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等污染物未在其進入該長形圓柱形腔室之前被預充電。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體以紊擾方式流入該長形圓柱形腔室中，且流在該腔室內變成層流。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中週期性地反轉電磁場之步驟係包含：使該液體以紊擾方式流動於該長形圓柱形腔室的移除區中。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含以下步驟：當未出現該電磁場之時將該等電極彼此電性短路。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含以下步驟：藉由測量該等電極之間的電流來決定該液體中的污染物位準。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含以下步驟：根據該高純化液體中之污染物的經測量位準來控制該方法之該等步驟中的至少一者。
12. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包括以下步驟：使從該等電極移除的粒子通往一濾器以供收集及分析。
13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體係為高純化水，且其中來自該接收導管之經進一步純化的水係使用於一工業製程中。
14. 如申請專利範圍第1項之方法，包括在該軸向電極與該腔室壁之間建立一超過5300伏特每公尺的場強度。
15. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該腔室的長度係為其內直徑的至少二十倍。
16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該軸向電極及該腔室壁之間的距離係小於半吋。
17. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該腔室缺乏正方形角落及死區。
18. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含以下步驟：將該軸向電極中於其各端處的一部分予以絕緣，但不將該軸向電極中的一中央部分予以絕緣。
19. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包括以下步驟：藉由一O型環使該腔室密封至一第一區塊，而該O型環係座接在該腔室之一出口端中的一溝槽中，該溝槽的一徑向往內部份係導通於圓柱之內部，且該溝槽的一徑向往外部份在軸向上係較該徑向往內部份為深。
20. 如申請專利範圍第1項之方法，其中週期性地反轉該電磁場的步驟係由一計時器所控制。
21. 如申請專利範圍第1項之方法，其中週期性地反轉該電磁場的步驟係藉由感測一參數來控制，而該參數係與該高電阻率液體中的汙染位準相關。
22. 如申請專利範圍第1項之方法，其中藉由感測一與該高電阻率液體中的汙染位準相關之參數，來控制該層流期間之該電磁場強度及該層流的速率中之至少一者。
23. 如申請專利範圍第1項之方法，其中被抽取至該接收導管之實質全部的該液體係輸送至一工業製程。
24. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體係為水。
25. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該水係具有介於約 1百萬歐姆-公分與約18百萬歐姆-公分之間的一整體電阻率。
26. 如申請專利範圍第1項之方法，包含將至少部分小於50nm的粒子集結至大於50nm的粒子。
27. 如申請專利範圍第26項之方法，其中經釋放之粒子比起進入該腔室的該高電阻率液體中之粒子，有更多是具有大於50nm之一直徑的。
28. 如申請專利範圍第1項之方法，其中週期性地反轉電磁場的步驟包含有一系列的極性反轉。
29. 如申請專利範圍第28項之方法，其中週期性地反轉該電磁場的步驟係藉由時間或藉由一經感測條件所控制。
30. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電磁場係為由小於六百伏特的一電壓所建立之一電場。
31. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該電場係由七十五至一百五十伏特的一DC電壓所建立。
32. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含以下步驟：將至少一閥附接至該腔室的一出口，及將一控制器附接至該至少一閥及一DC電壓源。
33. 如申請專利範圍第32項之方法，其中，該控制器造成該閥將流導引至一濾器並產生一系列的反向極性脈衝，以從該等電極釋放經集結的粒子且將其攜載至該濾器。
34. 如申請專利範圍第1項之方法，其中經移除的污染物及經集結之污染物係被擷取及分析。
35. 如申請專利範圍第34項之方法，進一步包含以下步驟： 當接收到一告知在一受分析液體中已發生一失常之外部信號則引發一擷取循環。
36. 如申請專利範圍第35項之方法，進一步包含以下步驟：分析所擷取到的粒子之尺寸、組成物、及濃度中的至少一者。
37. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該中央軸向電極具有一非絕緣性之中央移除區，以及至少於該電極之一出口端處的一絕緣覆層。
38. 如申請專利範圍第37項之方法，其中該中央軸向電極具有於其各端處的一絕緣覆層。
39. 如申請專利範圍第37項之方法，其中該中央軸向電極包含一桿。