TWI531540B - 光觸媒水淨化裝置 - Google Patents

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TWI531540B TW101132100A TW101132100A TWI531540B TW I531540 B TWI531540 B TW I531540B TW 101132100 A TW101132100 A TW 101132100A TW 101132100 A TW101132100 A TW 101132100A TW I531540 B TWI531540 B TW I531540B
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光觸媒水淨化裝置
本發明係關於一種水淨化裝置，特別是關於一種光觸媒水淨化裝置及系統。
光觸媒的主要特性有殺菌、除臭及防霉，藉由吸收光，將光能轉換為化學作用，而產生強大的氧化作用，分解菌類產生之內毒素及水中重金屬離子還原。常見的光觸媒例如奈米TiO2，根據研究顯示奈米TiO2能處理多種有毒化合物，可以將水中的烴類、鹵化烴、酸、表面活性劑、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑、木材防腐劑和燃料油等很快地完全氧化為CO2、H2O等無害物質。二氧化鈦的光觸媒作用，可參考例如亞太物理學會公報(AAPPS Bulletin December 2007,Vol.17,No.6,p.12-28)及化學回顧期刊(Chem.Rev.,1995,No.95,p.735-758)之報導。
光觸媒可應用於水的淨化處理，例如各種水源之處理，特別是儲水槽、廚房用水處理等，需要大量且快速處理水，一般家用逆滲透的純化機，僅適合用於飲水，不適合對所有家用水進行處理，除處理的費用高外要達到高出水量的設備也非常昂貴。然而，利用奈米二氧化鈦的光觸媒作用進行水處理目前還 未得到廣泛應用，主要是使光觸媒產生氧化作用的紫外光源之裝置仍屬昂貴設備，例如殺菌燈等的價格仍高。再者，至今利用光觸媒作用之裝置大部分都是將光觸媒以粉末或顆粒的方式裝設於過濾器，由於光觸媒在沒有光的照射下之效果不佳且接觸面積小，導致淨化效果不佳。
鑒於上述之發明背景，為了符合產業上之要求，本發明之目的之一在於提供一種光觸媒水淨化裝置及系統，其係提高光觸媒及促進光觸媒作用的光同時接觸水中的污染物之機構，以使光觸媒作用最佳化，達到最佳的淨化效果。
再者，本發明之目的之一，在於利用多通道(或多渠道)的設計，以提高純化的水量(throughput)，同時使純化裝置小型化。
再者，本發明之目的之一，利用光觸媒作用，達到有殺菌、除臭及防霉之效果，本發明的光觸媒材料可為例如二氧化鈦、二氧化錫(SnO2)、硫化鎘(CdS)或氧化鎢(WO3)。較理想為二氧化鈦。
此外，本發明之目的之一，在於利用電漿化學氣相沉積系統成長光觸媒薄膜於一物體上(水淨化裝置的構件上)，藉由改變製程條件，使二氣化鈦薄膜之光催化效果提升，保留該物體的原形地覆蓋(conformally cover)該物體，以提高水與光觸媒及照射的光同時接觸的機率。
為了達到上述目的，根據本發明一實施態樣，揭露一種光觸媒水淨化裝置，具備：至少一水渠道，由至少一可撓性薄片、至少一上部密封基板以及至少一下部密封基板互相密封所構成，該可撓性薄片的厚度方向與該上部密封基板以及該下部密封基板的厚度方向實質上互相成垂直而構成一水流空間；光觸媒薄膜，形成於該水渠道之該可撓性薄片，可與水接觸；以及至少一紫外線發光二極體模組，設置於該上部密封基板以及該下部密封基板中之一或兩者，以使該紫外線發光二極體模組發出的光照射流經該光觸媒薄膜上的水。複數個水渠道時，彼此間可為串聯或並聯連接。
於一實施例，該水渠道係由複數可撓性薄片、一上部密封基板以及一下部密封基板互相密封所構成，該上部密封基板以及該下部密封基板分別具有複數凹槽，複數可撓性薄片分別從其長度方向捲成為具有一開口之半徑依序由大變小之圓環狀，嵌入該上部密封基板以及該下部密封基板的凹槽，且排列成相鄰圓環狀的二開口設置於相對該水渠道的中心之最遠的兩側，使相鄰圓環狀的該二開口的距離為最大。
於一實施例，該水渠道係由一可撓性薄片、一上部密封基板以及一下部密封基板互相密封所構成，該可撓性薄片從其長度方向捲成為螺旋狀，與該上部密封基板以及該下部密封基板黏合而構成螺旋狀的該水流空間。
於一實施例，水淨化裝置具備2個水渠道及2個紫外線發 光二極體模組，該2個水渠道，以背對背的串聯方式連接，係由至少一可撓性薄片、二上部密封基板以及一下部密封基板互相密封所構成，2個水流空間分別形成於該下部密封基板的兩面，該上部密封基板為光學上可透過紫外光之基板，該紫外線發光二極體模組設置於與水流空間相反側的該上部密封基板上，該光觸媒薄膜形成於該可撓性薄片上。
於一實施例，該水流空間更具備複數側翼板，光觸媒薄膜形成於該些側翼板的表面，以增加光觸媒薄膜與水的接觸面積。
於一實施例，該可撓性薄片的表面，具有複數凹凸構造，在該些凹凸構造上，形成有光觸媒薄膜。
於一實施例，該水流空間更具備拉絲之不銹鋼片，該拉絲之不銹鋼片的表面，形成有光觸媒薄膜。
於一實施例，上述光觸媒水淨化裝置，更具備：一唧水泵，用以調節水流的流速。
於一實施例，上述光觸媒水淨化裝置，更具備：一氣泡機，用以提供氣泡予該水流空間。
於一實施例，該上部密封基板以及一下部密封基板中之一為光學上可透過紫外光之基板，另一者為可反射光線之基板。
於一實施例，該可透過紫外光之基板為塑膠材料所構成，該可反射光線之基板為不銹鋼所構成。
於一實施例，該光觸媒薄膜係由二氧化鈦先驅物所構成， 該二氧化鈦先驅物係選自四乙氧化鈦、四異丙氧化鈦(Titanium Tetraisopropoxide)、四丁氧化鈦(titanium butoxide,Ti(OBu)4)、鈦酸四丁酯(Tetrabutyl titanate)、四氯化鈦(Titanium tetrachloride)所成群之一種以上的材料。
於一實施例，該光觸媒薄膜係利用電漿化學氣相沉積法，形成於該可撓性薄片上後，進行一退火處理而形成。其中該退火處理為在約80℃下12小時進行。
於一實施例，該紫外線發光二極體模組的表面以及該上部密封基板的表面以及該下部密封基板的表面，形成有光觸媒薄膜。
再者，根據本發明另一實施態樣，揭露一種光觸媒水淨化系統，具備：以串聯方式及/或並聯方式連接複數之上述之光觸媒水淨化裝置所成群的1種以上之光觸媒水淨化裝置。
根據本發明之光觸媒水淨化裝置，可提高水中的污染物與光觸媒及照射的光同時接觸的機率，使光觸媒作用最佳化，達到最佳的淨化效果，可以將水中的烴類、鹵化烴、酸、表面活性劑、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑、木材防腐劑和燃料油等很快地完全氧化為CO2、H2O等無害物質，此外可進一步提高純化水的處理能力(throughput)，降低水淨化的製程成本。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈 現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。此外，「A層(或元件)設置於B層(或元件)上」之用語，並不限定為A層直接貼覆接觸B層表面的態樣，例如A層與B層中間尚間隔其他疊層亦為該用語所涵蓋範圍。圖示中，相同的元件係以相同的符號表示。
第一圖及第二圖表示根據本發明一實施例之光觸媒水淨化裝置的示意圖，其中(a)表示側視圖，(b)表示上視透視圖。光觸媒水淨化裝置100，具備：水渠道150、開口120、光觸媒薄膜160以及紫外線發光二極體模組200。水渠道150係由可撓性薄片510~519、上部密封基板500’及下部密封基板500互相密封所構成。
如第二圖所示，從可撓性薄片510~519的厚度方向觀察時，可撓性薄片510~519的厚度方向與上部密封基板500’及下部密封基板500的厚度方向實質上互相成垂直。本實施例中，可撓性薄片510~519分別從其長度方向捲成為具有一開口之半徑依序由小變大之圓環狀，先嵌入下部密封基板500的凹槽，再嵌入上部密封基板500’，組裝成一體後，構成一水流空間，且排列成相鄰圓環狀的二開口設置於相對該水渠道的中心之最遠的兩側，使相鄰圓環狀的該二開口的距離為最大。上述上部密封基板500’及下部密封基板500，可利用射出成形， 將壓克力板(PMMA)成形為具有凹槽之上部密封基板500’及下部密封基板500，上部密封基板500’可更具有一開口120。於另一實施例，上部密封基板及下部密封基板中之一可由不銹鋼所構成。
光觸媒薄膜160，形成於可撓性薄片510~519的表面，可藉由溶膠凝膠(sol-gel)法合成光觸媒後，在塗佈於可撓性薄片510~519的表面，乾燥後進行燒結而形成。
本發明的二氧化鈦，可利用溶膠凝膠(sol-gel)法合成，亦可以電漿輔助化學氣相沉積系統成長光觸媒薄膜於欲鍍物(例如不銹鋼或塑膠基板)表面，藉由改變製程條件，使光觸媒薄膜之氧化效果提升。本發明的光觸媒材料可為例如二氧化鈦、二氧化錫(SnO2)、硫化鎘(CdS)或氧化鎢(WO3)。再者，可藉由放置於烘箱中於使用塑膠基材時，以約80℃退火12小時，使用不銹鋼或玻璃基材時，以約350℃~600℃進行退火，可提升二氧化鈦薄膜之光觸媒特性及折射係數。較理想為二氧化鈦。更理想為藉由電漿輔助化學氣相沉積法形成之二氧化鈦光觸媒薄膜，更加理想為電漿輔助化學氣相沉積法形成薄膜後再進行退火處理所形成之光觸媒薄膜。
開口120係用以提供水的進出，例如可具有如第一圖所示之突出結構，或者可僅是一個開孔，如第二圖所示之無突出結構。
紫外線發光二極體模組200，設置於上部密封基板500’， 除上部密封基板500’中心的開口120外，涵蓋上部密封基板500’。於另一實施例，紫外線發光二極體模組200可設置於下部密封基板500。開口120亦可設置於光觸媒水淨化裝置100的側面(厚度方向上，如第一圖(b)所示)。
藉此，紫外線發光二極體模組200發出的光照射流經該光觸媒薄膜160上水中的污染物，例如發出395nm的光激發光觸媒薄膜，利用光觸媒作用，達到有殺菌、除臭及防霉之效果，可使光觸媒薄膜分解水中之汙染物。具體地，紫外線發光二極體模組200，例如可包含複數紫外線發光的發光二極體(UV LED)。再者，發光二極體模組400可為可撓式紫外線發光二極體模組。可撓式紫外線發光二極體模組的製作方法，例如提供一導電性基板及複數紫外線發光二極體晶粒；對該導電性基板進行衝壓加工(stamping)，使該導電性基板圖型化，其中該圖型至少包含一紫外線發光二極體之電極電路及複數支撐點；固定該複數紫外線發光二極體晶粒於該導電性基板上；使該複數紫外線發光二極體晶粒與該導電性基板電連接；灌注透明封裝膠，使該透明封裝膠覆蓋該複數紫外線發光二極體晶粒，然後使該透明封裝膠固化；以及移除該複數支撐點而得到該發光二極體模組。
光觸媒水淨化裝置具備複數個水渠道時，彼此間可為串聯或並聯連接。
光觸媒薄膜，藉由測試亞甲藍液之降解速率，由實驗結果 得知光觸媒薄膜與LED光源呈現水平或垂直時，其提升光觸媒效果接近。因此，依據本發明的構造，光源即使與光觸媒薄膜間成垂直，亦具有促進光觸媒作用。
再者，第三圖表示根據本發明另一實施例之光觸媒水淨化裝置的示意圖。水淨化裝置105具備2個水渠道150及2個紫外線發光二極體模組200。2個水渠道150，以背對背的串聯方式連接，所謂串聯方式，係指一模組的出口連接下一模組之入口的方式，由複數可撓性薄片、二上部密封基板250’以及一下部密封基板250互相密封所構成，2個水流空間分別形成於該下部密封基板的兩面，其中箭頭表示2個水流空間中水的流向相反，上部密封基板為光學上可透過紫外光之基板，紫外線發光二極體模組200設置於與水流空間相反側的上部密封基板上，光觸媒薄膜形成於可撓性薄片上。
第四圖表示根據本發明另一實施例之光觸媒水淨化裝置的示意圖，其中(a)表示側視圖，(b)表示上視透視圖。本實施例之光觸媒水淨化裝置101，與光觸媒水淨化裝置100的差異，在於水渠道係由一可撓性薄片、一上部密封基板以及一下部密封基板互相密封所構成，可撓性薄片從其長度方向捲成為螺旋狀，與上部密封基板以及下部密封基板黏合而構成螺旋狀的該水流空間，開口120係用以提供水的進出。
此外，第五圖表示根據本發明一實施例之光觸媒水淨化裝置的側翼板的示意圖。本實施例中，水流空間更具備複數側翼 板(例如可為可撓式的側翼片500)，光觸媒薄膜形成於該些側翼板的表面，以增加光觸媒薄膜與水的接觸面積。第五圖中，僅表示水流空間的部分示意圖。
上述可撓性薄片的表面，可具有複數凹凸構造，在該些凹凸構造上，形成有光觸媒薄膜，或者其表面粗糙化，或者水流空間更具備拉絲之不銹鋼片，該拉絲之不銹鋼片的表面，可形成有光觸媒薄膜，以增加接觸面積。
於一實施例，上述光觸媒水淨化裝置，更具備：一唧水泵，用以調節水流的流速。
於一實施例，上述光觸媒水淨化裝置，更具備：一氣泡機，用以提供氣泡予該水流空間。
上述上部密封基板及下部密封基板中之一可為可透過紫外光之基板，另一者可為可反射光線之基板。再者，於一實施例，上可透過紫外光之基板為塑膠材料所構成，上述可反射光線之基板為不銹鋼所構成。
於一實施例，上述光觸媒薄膜係由二氧化鈦先驅物所構成，該二氧化鈦先驅物係選自四乙氧化鈦、四異丙氧化鈦(Titanium Tetraisopropoxide)、四丁氧化鈦(titanium butoxide,Ti(OBu)4)、鈦酸四丁酯(Tetrabutyl titanate)、四氯化鈦(Titanium tetrachloride)所成群之一種以上的材料。於一實施例，該光觸媒薄膜係利用電漿化學氣相沉積法，形成於該可撓性薄片上後，進行一退火處理而形成。其中該退火處理，使用塑膠基材 時在約80℃下12小時進行，使用不銹鋼或玻璃基材時，以約350℃~600℃進行退火。
上述紫外線發光二極體模組的表面、上部密封基板的表面及下部密封基板的表面，可形成有光觸媒薄膜。
再者，根據本發明一實施例，提供一種光觸媒水淨化系統，如第六圖所示之光觸媒水淨化裝置串聯(a)及並聯(b)的示意圖，具備：以串聯方式及/或並聯方式連接複數之上述光觸媒水淨化裝置所成群的1種以上之光觸媒水淨化裝置。第七圖表示根據本發明一實施例之光觸媒水淨化系統的設置示意圖，其中(a)表示光觸媒水淨化系統104設置於儲水槽300之內部，(b)表示光觸媒水淨化系統106，經由連接管，設置於儲水槽302之外部，可不斷的循環淨化水質。於另一實施例，第八圖表示根據本發明另一實施例之光觸媒水淨化系統的設置示意圖，本發明之光觸媒水淨化系統104，可設置於水槽350下，自來水源352，連接光觸媒水淨化系統104後，再連接水龍頭354，淨化家用水。
此外，本發明的光觸媒水淨化水淨化裝置或系統，雖沒有繪製電源供應器，但熟悉本技藝者充分瞭解需要提供電源予紫外線發光二極體模組，以使其發出紫外光，因該部分熟悉本技藝者充分瞭解之習知技術，所以不再贅述。顯然地，本發明的施行並未限定於該領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本 發明不必要之限制。當然，本發明的光觸媒水淨化水淨化裝置或系統，依據實際需求，可再與其他水淨化水淨化裝置(例如一般顆粒過濾器或RO逆滲透過濾器等)組合一起使用，更進一步純化水。
綜上所述，根據本發明之光觸媒水淨化水淨化裝置及系統，可提高水中的污染物與光觸媒及照射的光同時接觸的機率，使光觸媒作用最佳化，達到最佳的淨化效果，可以將水中的烴類、鹵化烴、酸、表面活性劑、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑、木材防腐劑和燃料油等很快地完全氧化為CO2、H2O等無害物質，此外可進一步提高純化水的處理能力(throughput)，降低水淨化水淨化的製程成本。
以上雖以特定實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，熟悉本技藝者瞭解在不脫離本發明的意圖及範圍下可進行各種變形或變更。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
100~106‧‧‧光觸媒水淨化裝置
120‧‧‧開口
150‧‧‧水渠道
160‧‧‧光觸媒薄膜
200‧‧‧紫外線發光二極體模組
300、302、350‧‧‧光觸媒水淨化系統
352‧‧‧自來水源
354‧‧‧水龍頭
500’‧‧‧上部密封基板
500‧‧‧下部密封基板
510~519‧‧‧可撓性薄片
第一圖表示根據本發明一實施例之光觸媒水淨化水淨化裝置的示意圖，其中(a)表示側視圖，(b)表示上視透視圖。
第二圖表示根據本發明一實施例之光觸媒水淨化水淨化裝置的組裝上視示意圖。
第三圖表示根據本發明另一實施例之光觸媒水淨化水淨化裝置的示意圖。
第四圖表示根據本發明另一實施例之光觸媒水淨化水淨化裝置的示意圖，其中(a)表示側視圖，(b)表示上視透視圖。
第五圖表示根據本發明一實施例之光觸媒水淨化水淨化裝置的側翼板的示意圖。
第六圖表示根據本發明一實施例之光觸媒水淨化水淨化裝置串聯(a)及並聯(b)的示意圖。
第七圖表示根據本發明一實施例之光觸媒水淨化系統的設置示意圖。
第八圖表示根據本發明另一實施例之光觸媒水淨化系統的設置示意圖。
100‧‧‧光觸媒水淨化裝置
120‧‧‧開口
150‧‧‧水渠道
160‧‧‧光觸媒薄膜
200‧‧‧紫外線發光二極體模組

Claims (15)

  1. 一種光觸媒水淨化裝置，具備：至少一水渠道，由至少一可撓性薄片、至少一上部密封基板以及至少一下部密封基板互相密封所構成，該可撓性薄片的厚度方向與該上部密封基板以及該下部密封基板的厚度方向實質上互相成垂直而構成一水流空間；光觸媒薄膜，形成於該水渠道之該可撓性薄片，可與水接觸；以及至少一紫外線發光二極體模組，設置於該上部密封基板以及該下部密封基板中之一或兩者，以使該紫外線發光二極體模組發出的光照射流經該光觸媒薄膜上的水；其中該水渠道係由複數可撓性薄片、一上部密封基板以及一下部密封基板互相密封所構成，該上部密封基板以及該下部密封基板分別具有複數凹槽，複數可撓性薄片分別從其長度方向捲成為具有一開口之半徑依序由大變小之圓環狀，嵌入該上部密封基板以及該下部密封基板的凹槽，且排列成相鄰圓環狀的二開口設置於相對該水渠道的中心之最遠的兩側，使相鄰圓環狀的該二開口的距離為最大。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該上部密封基板以及一下部密封基板中之一或兩者為光學上可透過紫外光之基板，該紫外線發光二極體模組設置於與水流空間相反側的可透過紫外光之基板，發出的紫外光可透過該透明 基板而照射流經該光觸媒薄膜上的水。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光觸媒水淨化裝置，其中水淨化裝置具備2個水渠道及2個紫外線發光二極體模組，該2個水渠道，以背對背的串聯方式連接，係由至少一可撓性薄片、二上部密封基板以及一下部密封基板互相密封所構成，2個水流空間分別形成於該下部密封基板的兩面，該上部密封基板為光學上可透過紫外光之基板，該紫外線發光二極體模組設置於與水流空間相反側的該上部密封基板上，該光觸媒薄膜形成於該可撓性薄片上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該水流空間更具備複數側翼板，光觸媒薄膜形成於該些側翼板的表面，以增加光觸媒薄膜與水的接觸面積。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該可撓性薄片的表面，具有複數凹凸構造，在該些凹凸構造上，形成有光觸媒薄膜。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該水流空間更具備拉絲之不銹鋼片，該拉絲之不銹鋼片的表面，形成有光觸媒薄膜。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，更具備：一唧水泵，用以調節水流的流速。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，更具備：一氣泡機，用以提供氣泡予該水流空間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該上部密封基板以及一下部密封基板中之一為光學上可透過紫外光之基板，另一者為可反射光線之基板。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該可透過紫外光之基板為塑膠材料所構成，該可反射光線之基板為不銹鋼所構成。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該光觸媒薄膜係由二氧化鈦先驅物所構成，該二氧化鈦先驅物係選自四乙氧化鈦、四異丙氧化鈦(Titanium Tetraisopropoxide)、四丁氧化鈦(titanium butoxide,Ti(OBu)4)、鈦酸四丁酯(Tetrabutyl titanate)、四氯化鈦(Titanium tetrachloride)所成群之一種以上的材料。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該光觸媒薄膜係利用電漿化學氣相沉積法，形成於該可撓性薄片上後，進行一退火處理而形成。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之光觸媒水淨化裝置，其中使用塑膠基材時，該退火處理為在約80℃下12小時進行，使用不銹鋼、金屬或玻璃基材時，以約350℃~600℃進行10分鐘~3小時。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之光觸媒水淨化裝置，其中該紫外線發光二極體模組的表面以及該上部密封基板的表面以及該下部密封基板的表面，形成有光觸媒薄膜。
  15. 一種光觸媒水淨化系統，具備：以串聯方式及/或並聯方式連接複數之選自如申請專利範圍第1項至第14項中任一項所述之光觸媒水淨化裝置所成群的1種以上之光觸媒水淨化裝置。
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