TWI566818B - Ammonia gas recovery and treatment apparatus and method thereof - Google Patents

Description

氨氣回收處理設備及其方法

本發明是有關一種氨氣回收方法，特別是指一種可以加速回收氨氣，並提高氨液之濃度再利用的氨氣回收處理設備及其方法。

工業科技技蓬勃發展，工業生產製造的過程中需耗用龐大之原物料，尤其是光電半導體產業所產出的產品更是多樣化，且其製程的改變，造成原物料在使用上，也產生許多邊化。氨即時於工業科技產業中需要大量使用的原料之一。然而，往往因產品製程的需求，造成廢液具有高濃度的特性。其廢液中之氨排放濃度達數萬ppm。

目前政府對於國內半導體產業氨的排放管制為，第一階段管制濃度75mg/L，第二階段管制濃度為30mg/L，而根據目前資料顯示，國內高科技廠含氨廢液之濃度，半導體產業：濃度0.2 wt%，水量1,000 CMD(12吋晶圓廠)、LED 產業：濃度2 wt%，水量30 CMD(磊晶、晶粒廠)，PCB 產業：濃度7 wt%，水量5 CMD(氨銅製程)，太陽能光電產業：濃度1wt%，水量 50 CMD(MGW產線)。然而，目前關於含氨廢液之處理法如：氣提法、離子交換法、逆滲透法或折點加氯法，然而，前述處理氨的方法各有優缺，但對於氨的回收率仍可以再改善提升。以下為前述部分方法的簡單說明。

氣提法：其原理為質傳效應，將含氨氮廢液於鹼性條件下操作，利用與氣流互相接觸將氨由液相中分離出來而去除，一般會於氣提塔（stripping tower）中進行。而分離出來之氣態氨可由水或酸進行回收。

離子交換法：是從複雜的混合物中，分離性質相似大分子的方法之一，依據的原理是物質的酸鹼性、極性，也就是所帶陰陽離子的不同。電荷不同的物質，對管柱上的離子交換劑有不同的親和力，改變沖洗液的離子強度和 pH 值，物質就能依次從層析柱中分離出來。離子交換樹脂的交換反應是可逆的，遵循化學平衡的規律，定量的混合物通過管柱時，離子不斷被交換，濃度逐漸降低，在沖洗的過程中，會朝正反應方向移動，因而可以把樹脂上的離子沖洗下來。此法運用於含氮廢水處理中主要是將含銨離子置換而去除氨氮，可用之交換材料沸石，其中斜發沸石為沸石類礦物中Si/Al 比值較高的種類，通常存在含矽量較高的環境，為弱酸性陽離子交換劑，材料裝填料時須注意平整，並達到設計要求高度，操作時 pH 值應控制在 4～8，反沖洗強度壓力應為 15L/m2•S，濾速 4～12 m/h。使用前加入 8%氯化鈉溶液浸泡 48小時以上，可去除水中的酚、鐵、錳、氟等物質，氨氮去除率約為 50％～80％，惟若污廢水中含有具氧化性物質，可能會影響離子交換樹脂造成處理效率降低。此法後續有離子交換樹脂再生及廢棄處理，使處理成本增加。

逆滲透法：利用薄膜分離技術以不同成分滲透薄膜速率上的差異來進行分離，而物質透過膜的驅動力可以是濃度差、電位差、溫度差、或是壓力差。常見以濃度差為驅動力的薄膜分離程序是透析，以電位差為驅動力的薄膜分離程序是電透析，以溫度差為驅動力的程序是薄膜蒸餾。而常見以壓力差為驅動力的薄膜分離程序則有微過濾(microfiltration, MF)、超過濾 （ultrafiltration,UF）、奈米過濾(nanofiltration, NF）、逆滲透(reverse Osmosis, RO)、氣體分離(gas separation)、及滲透蒸發(pervaporation)。於去除廢水氨氮物質上主要利用逆滲透膜將氨離子濃縮，將氨離子截留而產出低濃度氨氮產出水，設置成本較高，因逆滲透膜孔徑小易因污廢水中雜質造成堵塞，或因有機物阻塞形成生物膜而降低產水率，或因污廢水中其他化學物質影響逆滲透膜，均可能增加操作困難度與提高處理成本。

由前述習知處理氨的各種方法可知其主要是針對去除率做研究目的，少有一種對於氨氣回收量的速率探討做較多研究，有鑒於此，如何利用較低成本、較簡易且節能方法而能達到較佳之氨氣回收處理，並取得較高濃度之氨液乃當下亟需解決之課題。

本發明之一目的在提供一種氨氣回收處理設備，其將含氨廢液產生之氨氣回收處理，有效提高氨氣之回收效率及回收氨之濃度，不僅可降低汙染防治設備的運作成本，也可減少可能在回收過程中造成的二次汙染情形。

本發明之另一目的在提供一種氨氣回收處理方法，其利用蒸餾方式氣流交換法，於氨氣回收過程，控制氨氣之回收量與速率，並檢測其濃度，進而提高氨氣之回收效率。

為達到前述目的，本發明氨氣回收處理設備包括一蒸餾容器，其內容裝有含氨廢液，並連接有一壓力感測計及一加熱裝置，該壓力感測計用以感測該蒸餾容器內之壓力，該加熱裝置用以增加該蒸餾容器內之溫度；一抽氣設備，包括一抽氣管道及一排氣管道，該抽氣管道內設有一開關閥並連接於該蒸餾容，該排氣管道內設有另一開關閥，並連接有一氣體流量計，用以監測並控制該排氣管道內之氨氣流速及流量；及一氣體收集容器，其一端朝下，用以連接該排氣管道及一濃度偵測器。

本發明氨氣回收處理方法包括下列步驟：提供一蒸餾容器、一氣體收集容器及一抽氣設備，該抽氣設備包括一抽氣管道及一排氣管道，該抽氣管道內設有一開關閥並連接於該蒸餾容器，該排氣管道內設有另一開關閥，並連接於該氣體收集容器，該蒸餾容器容裝有含氨廢液，且連接有一壓力感測計，用以感測該蒸餾容器內之壓力；提供一真空抽取裝置，用以將該蒸餾容器及該氣體收集容器抽取為真空狀態，並關閉該些開關閥，使該蒸餾容器及氣體收集容器呈現密閉狀態；及提供一加熱裝置，用以將該蒸餾容器之含氨廢液加熱至40℃並產生氨氣；當該壓力感測計測得該蒸餾容器內達到飽和蒸氣壓時，開啟該些開關閥與該抽氣設備，並於一單位時間內以一抽氣流速將該蒸餾容器內之氨氣由該抽氣管道及該排氣管道抽送至該氣體收集容器。

依據本發明之一具體實施，該抽氣流速至少包括一低流速範圍及一高流速範圍，該低流速範圍係介於0.03~0.3 m/s，該高流速範圍係介於0.3~76.2 m/s。

依據本發明之另一具體實施，該飽和蒸氣壓對應為27.4巴(bar)的壓力。

本發明氨氣回收處理設備及其方法先行將回收處理設備抽成真空，並形成密閉狀態，利用蒸氣壓原理，使蒸餾容器內之含氨廢液達到一定溫度及飽和蒸氣壓時，開始將蒸餾容器內之氨氣抽送至氣體收集容器，配合抽氣流速及抽氣時間控制氨氣之回收量及速率，可有效提高氨氣之回收效率及回收氨之濃度，不僅可降低汙染防治設備的運作成本，也可減少可能在回收過程中造成的二次汙染情形，更可經由氨氣的回收處理再利用，增加額外的收益。

1‧‧‧氨氣回收處理設備
10‧‧‧氨氣回收處理方法
11‧‧‧蒸餾容器
111‧‧‧封蓋
12‧‧‧氣體收集容器
121‧‧‧底蓋
13‧‧‧加熱裝置
2‧‧‧抽氣設備
21‧‧‧抽氣管道
211，221‧‧‧開關閥
22‧‧‧排氣管道
3‧‧‧真空抽取裝置
4‧‧‧壓力感測計
5‧‧‧氣體流量計
6‧‧‧濃度偵測器
7‧‧‧含氨廢液
71‧‧‧氨氣
S1~S4‧‧‧步驟

第一圖為本發明氨氣回收處理設備之架構示意圖。
第二圖為本發明氨氣回收處理方法之方塊流程圖。
第三圖為本發明氨氣回收處理設備抽取成真空狀態之功能方塊示意圖。

本發明氨氣回收處理方法利用創新之蒸餾方式氣流交換法，於氨氣回收過程，控制氨氣之回收量與速率，並檢測其濃度，進而提高氨氣之回收效率。請參閱第一圖為本發明氨氣回收處理設備1之架構示意圖，該氨氣回收處理設備1包括一蒸餾容器11、一氣體收集容器12及一抽氣設備2。蒸餾容器11內容裝有含氨廢液7，並以封蓋111密封罩蓋，該封蓋111更連接有一壓力感測計4，其為數位壓力感測計，用以感測蒸餾容器11內之壓力，並顯示於壓力感測計4上，而蒸餾容器11下方設有一加熱裝置13，用以加熱含氨廢液7。

抽氣設備2包括一抽氣管道21及一排氣管道22。抽氣管道21內設有一開關閥211並連接於蒸餾容器11。排氣管道22內設有另一開關閥221，並連接有一氣體流量計5，用以監測並控制排氣管道22內之氨氣流速及流量。

氣體收集容器12之一端朝下，並封蓋有一底蓋121，用以連接排氣管道22及一濃度偵測器6，其用以偵測氣體收集容器12內之氨氣濃度。特別說明的是，蒸餾容器11及氣體收集容器12先利用一真空抽取裝置3抽取為真空狀態(如第三圖所示)，並配合該些開關閥211，221的關閉使氨氣回收處理設備1呈現一密閉狀態。由實驗結果可知，當蒸餾容器11內之含氨廢液7之溫度達到40℃，該密閉狀態之蒸餾容器11內之氣相與液相可以達到平衡時的飽和蒸氣壓，進而開啟該些開關閥211，221及抽氣設備2，於一單位時間內以一抽氣流速將蒸餾容器11內之氨氣71由抽氣管道21及排氣管道22抽送至氣體收集容器12。該氣體收集容器12利用向下集氣法收集氨氣71，其可藉由濃度偵測器6偵測所收集氨氣71之濃度。

請參閱第二圖為本發明氨氣回收處理方法10之方塊流程圖，本發明氨氣回收處理方法10包括下列步驟：步驟S1：提供蒸餾容器11、氣體收集容器12及抽氣設備2，抽氣設備2包括抽氣管道21及排氣管道22。抽氣管道21內設有開關閥211並連接於蒸餾容器11，排氣管道22內設有另一開關閥221，並連接於氣體收集容器12，蒸餾容器11容裝有含氨廢液7並連接有壓力感測計4，用以感測蒸餾容器11內之壓力，其中蒸餾容器11及氣體收集容器12分別以封蓋111及罩蓋121形成密閉狀。

步驟S2：提供真空抽取裝置3，用以將蒸餾容器11及氣體收集容器12抽取為真空狀態，並關閉該些開關閥211，221，使蒸餾容器11及氣體收集容器12呈現密閉狀態。

步驟S3：提供一加熱裝置13，用以將蒸餾容器11之含氨廢液7加熱至40℃並產生氨氣71。

步驟S4：當壓力感測計4測得封閉狀態下之蒸餾容器11內之氣相及液相達到平衡時的飽和蒸氣壓時，即對應為27.4巴(bar)的壓力，開啟該些開關閥211，221與抽氣設備2，並於一單位時間內以一抽氣流速將蒸餾容器11內之氨氣71由抽氣管道21及排氣管道22抽送至氣體收集容器12，其中氣體收集容器12之一端朝下，用以連接排氣管道22，並利用向下集氣法收集氨氣71。於抽氣過程中，可利用連接於排氣管道22之氣體流量計5隨時監測及控制排氣管道22內之氨氣流速及流量，再利用抽氣設備2控制該抽氣流速，該抽氣的單位時間可設定為間歇性的抽送，而非持續性的抽送，以達到節能效果，並於收集氨氣71後利用連接於氣體收集容器12之濃度偵測器6偵測所收集氨氣71之濃度。

特別說明的是，由實驗結果可知，該抽氣流速可包括一低流速範圍及一高流速範圍，該低流速範圍係介於0.03~0.3 m/s，該高流速範圍係介於0.3~76.2 m/s，而該單位時間可設定在每10、30、60、120、180秒~16小時。不同抽氣流速及不同抽氣時間將取得不同濃度之回收氨氣71，且利用控制氨氣71之回收量及速率，可提高氨氣之回收效率，避免無謂的氣體損耗，其中回收效率可利用蒸餾容器11內原有的反應蒸氣量與氣體收集容器12內之回收氨氣量計算出。是以，每次回收氨氣的過程皆可利用計算出之回收效率評估誤差率，並作為改善條件。由實驗結果可知，利用本發明氨氣回收處理方法10，可以在8小時的工作時間內，在低溫40℃下，以節能方式回收單純氨氣後，最後以水或酸和氨氣結合形成氨液，其回收氨液的濃度為原廢液的1.5~5倍，有效達到提高濃度再利用的效果。尤其，若含氨廢液7來源較單純時，本方法回收後之廢渣量幾乎趨近於零，使得後續處理處理成本大幅下降。

綜上所述，本發明氨氣回收處理設備及其方法先行將回收處理設備1抽成真空，並形成密閉狀態，利用蒸氣壓原理，使蒸餾容器11內之含氨廢液達到一定溫度及飽和蒸氣壓時，開始將蒸餾容器11內之氨氣抽送至氣體收集容器12，配合抽氣流速及抽氣時間控制氨氣之回收量及速率，可有效提高氨氣之回收效率及回收氨之濃度，不僅可降低汙染防治設備的運作成本，也可減少可能在回收過程中造成的二次汙染情形，更可經由氨氣的回收處理再利用，增加額外的收益。

上述詳細說明為針對本發明一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本發明所涵蓋之專利範圍中。

 

1‧‧‧氨氣回收處理設備

11‧‧‧蒸餾容器

111‧‧‧封蓋

12‧‧‧氣體收集容器

121‧‧‧底蓋

13‧‧‧加熱裝置

2‧‧‧抽氣設備

21‧‧‧抽氣管道

211，221‧‧‧開關閥

22‧‧‧排氣管道

4‧‧‧壓力感測計

5‧‧‧氣體流量計

6‧‧‧濃度偵測器

7‧‧‧含氨廢液

71‧‧‧氨氣

Claims (5)

1. 一種氨氣回收處理方法，包括下列步驟：提供一蒸餾容器、一氣體收集容器及一抽氣設備，該抽氣設備包括一抽氣管道及一排氣管道，該抽氣管道內設有一開關閥並連接於該蒸餾容器，該排氣管道內設有另一開關閥，並連接於該氣體收集容器，該蒸餾容器容裝有含氨廢液，且連接有一壓力感測計，用以感測該蒸餾容器內之壓力，該排氣管道更連接有一氣體流量計，用以監測並控制該排氣管道內之氨氣流速及流量；提供一真空抽取裝置，用以將該蒸餾容器及該氣體收集容器抽取為真空狀態，並關閉該些開關閥，使該蒸餾容器及氣體收集容器呈現密閉狀態；及提供一加熱裝置，用以將該蒸餾容器之含氨廢液加熱至40℃；當該壓力感測計測得該蒸餾容器內達到飽和蒸氣壓時，開啟該些開關閥與該抽氣設備，並於一單位時間內以一抽氣流速將該蒸餾容器內之氨氣由該抽氣管道及該排氣管道抽送至該氣體收集容器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氨氣回收處理方法，其中該氣體收集容器之一端朝下，用以連接該排氣管道，並利用向下集氣法收集該氨氣。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氨氣回收處理方法，其中該氣體收集容器更連接有一濃度偵測器，用以偵測該氣體收集容器內之氨氣的濃度，並可利用該蒸餾容器內原有的反應蒸氣量與該氣體收集容器內之回收氨氣量計算出一回收效率。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氨氣回收處理方法，其中該抽氣流速至少包括一低流速範圍及一高流速範圍，該低流速範圍係 介於0.03~0.3m/s，該高流速範圍係介於0.3~76.2m/s。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氨氣回收處理方法，其中該飽和蒸氣壓對應為27.4巴(bar)的壓力。