TWI633925B - 碳化材料、臭氧去除裝置、以及去除臭氧的方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露提供一種碳化材料、包含其之臭氧去除裝置、以及去除臭氧的方法。該碳化材料具有含羰基基團(carbonyl-containing group)、烷醇基(alkylol)、以及具有sp2混成軌域的碳(carbon having sp2 hybrid orbital)，其中該含羰基基團的碳原子含量係在10atom%至30atom%之間，以該含羰基基團、烷醇基、以及具有sp2混成軌域碳的碳原子總數為基準。

Description

碳化材料、臭氧去除裝置、以及去除臭氧的方法
本揭露關於一種碳化材料、臭氧去除裝置、以及去除臭氧的方法。
臭氧之強氧化力廣泛被利用於上下水道之處理、食品工廠設施及設備之殺菌處理、以及一般家庭之殺菌。另外也用於半導體產業晶圓表面清潔之用。但是，臭氧之強氧化力會引發頭痛、嘔吐、肺水腫等健康傷害，所以利用後未反應完之臭氧必須分解為無害物質。然而，現有的臭氧處理設備皆須額外供應能源或者因不耐水氣而需要進行除濕，導致使用上的不便。
基於上述，業界需要一種具有耐濕性的常溫臭氧分解材料，可在節能的條件下，減少臭氧對人體之危害。
根據本揭露實施例，本揭露提供一種碳化材料，其中該碳化材料可具有含羰基基團(carbonyl-containing group)、烷醇基(alkylol)、以及具有sp2混成軌域的碳(carbon having an sp2 hybrid orbital)。該含羰基基團的碳原子含量可在10atom%至30atom%之間，以該含羰基基團、烷醇基、以及具有sp2混 成軌域的碳的碳原子總數為基準。
根據本揭露另一實施例，本揭露提供一種臭氧去除裝置。該裝置包含一空腔，以及本揭露所述碳化材料。
根據本揭露又一實施例，本揭露提供一種去除臭氧的方法，包含以下步驟。首先，提供一氣體，其中該氣體具有一臭氧濃度大於或等於0.1ppm。接著，將該氣體通過本揭露所述碳化材料，以使該氣體的臭氧與碳化材料反應。
10‧‧‧碳化材料
12‧‧‧空腔
14‧‧‧進口
16‧‧‧出口
18‧‧‧加濕器
20‧‧‧待處理的氣體
22‧‧‧經處理後的氣體
100‧‧‧臭氧去除裝置
第1圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之臭氧去除裝置之示意圖。
本揭露實施例提供一種碳化材料、臭氧去除裝置、以及去除臭氧的方法。本揭露所述之碳化材料具有特定種類的含氧官能基(例如羰基、羰基氧基及氧羰基之至少一者)。藉由該含氧官能基在特定比例範圍內，本揭露所述碳化材料可在常溫下(即無需在其他能源供應條件下)應用於分解或處理臭氧，使有毒害性的臭氧，轉化為無毒害的氧氣和二氧化碳。此外，傳統用來處理臭氧的觸媒化合物在高濕度的環境下很容易失去活性。本揭露所述碳化材料，即使在無任何能源供應的條件下，仍能在低濕度或高濕度環境下(RH=10%~95%)仍能持續有效將臭氧分解為氧氣與二氧化碳。再者，本揭露所述之碳化材料可由特定的天然材料(例如稻殼及廢菇包)經碳化所形成，且 臭氧移除率可達99.9%。
根據本揭露實施例，本揭露所述碳化材料具有含羰基基團，可進一步具有烷醇基、以及具有sp2混成軌域的碳，且其中該含羰基基團的碳原子含量係介於10atom%至30atom%之間，以該含羰基基團、烷醇基、以及具有sp2混成軌域的碳的碳原子總數為基準。
根據本揭露實施例，當該碳化材料之含羰基基團的碳原子含量係介於10atom%至30atom%之間(例如約介於10atom%至25atom%)，本揭露所述碳化材料可在常溫下(即無需在其他能源供應條件下)以及寬廣的濕度環境下(例如RH=10%~95%)，分解或處理臭氧，使臭氧轉化為氧氣和二氧化碳(臭氧移除率可達99.9%)。舉例來說，平均每1.0克的本揭露所述碳化材料可在室溫及相對濕度95%下可分解0.8克至2.0克的臭氧。此外，若該碳化材料之含羰基基團的碳原子含量過低時(即小於10atom%時)，其臭氧處理能力將大幅下降。
根據本揭露實施例，該含羰基基團係羰基(carbonyl group(結構為))、羰基氧基(carbonyloxy group(結構為 ))以及氧羰基(oxycarbonyl group(結構為 ))之至少一者。
根據本揭露實施例，本揭露所述碳化材料的製備方式 可為利用富氧燃燒法將特定的天然材料(例如稻殼及廢菇包)碳化後所得。
本揭露亦提供一種臭氧去除裝置。根據本揭露實施例，本揭露所述該臭氧去除裝置100可包含本揭露所述碳化材料10以及一空腔12，其中該碳化材料10係配置於該空腔12中，請參照第1圖。該空腔12係用來承載該碳化材料10，其中該空腔12並未被該碳化材料10填滿。此外，根據本揭露某些實施例，該空腔12亦可被該碳化材料10填滿。在本揭露其他實施例中，該臭氧去除裝置100可進一步包含一進口(inlet)14以及一出口(outlet)16。一待處理的氣體(例如含臭氧的氣體)可由該進口(inlet)14進入該空腔12中與該碳化材料10反應，以將待處理的氣體20中所含的臭氧轉換成二氧化碳及氧氣。而經處理後的氣體22則可由該出口16排出該臭氧去除裝置100之外。該待處理的氣體20可具有一臭氧濃度大於或等於0.1ppm，例如介於0.1ppm至5000ppm之間、或介於0.1ppm至1%之間。該經處理後的氣體22的臭氧濃度與該待處理氣體20的臭氧濃度之比值可小於或等於0.01，例如介於0.01至0.0001之間。
根據本揭露實施例，本揭露所述該臭氧去除裝置100可進一步包含一加濕器(humidifier)18與該空腔12相連(請參照第1圖)，以使該空腔12達到特定的相對濕度，並使臭氧與該碳化材料10在該相對濕度(例如相對濕度95%)條件下進行反應。
根據本揭露實施例，本揭露所述該臭氧去除裝置100不包含加熱裝置或光源裝置。換言之，該碳化材料10在與臭氧反應 形成二氧化碳及氧氣時可在常溫下進行，不需要對該反應進行加熱或照光。
本揭露亦提供一種去除臭氧的方法。該方法包含提供一待處理氣體，其中該待處理氣體具有一臭氧含量大於或等於0.1ppm。接著，將該氣體通過本揭露所述碳化材料，以使該待處理氣體中的臭氧與碳化材料反應。根據本揭露實施例，該臭氧經該碳化材料反應後，轉化為二氧化碳及水。
根據本揭露實施例，該臭氧與碳化材料可在相對濕度為10%至99%下反應。
為了讓本揭露之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例，作詳細說明如下：
碳化材料的製備
實施例1：
將5公斤烘乾後的稻殼經過進料口置入碳化爐中。待進料完畢後，通入氧氣及空氣(氧氣比例超過20%)(通入的氣體流量為60L/min)。接著，在800℃溫度下燃燒50分鐘後，通入純水至碳化爐中(通入的水量為3L/min)約5分鐘。接著，將所得產物在50℃下乾燥24小時，得到碳化材料(1)。
藉由X射線光電子光譜分析(X-ray photoelectron spectroscopy、XPS)所得碳化材料(1)其含氧官能基及具有sp2混成軌域的碳(carbon having an sp2 hybrid orbital)的碳原子比例，結果如表1所示。
實施例2：
將10公斤烘乾後的廢菇包(waste mushroom bed)經過進料口置入碳化爐中。待進料完畢後，通入氧氣及空氣(氧氣比例超過20%)(通入的氣體流量為60L/min)。接著，在1000℃溫度下燃燒50分鐘後，通入純水至碳化爐中(通入的水量為3L/min)約5分鐘。接著，將所得產物在50℃下乾燥24小時，得到碳化材料(2)。
藉由X射線光電子光譜分析所得碳化材料(2)其含氧官能基及具有sp2混成軌域的碳的碳原子比例，結果如表1所示。
比較實施例1：
將500克烘乾後的碎木材經過進料口置入碳化爐中。待進料完畢後，不通入氧氣及空氣。接著，以15℃/hr升溫至800℃，在800℃溫度下燃燒60分鐘後，通入純水至碳化爐中(通入的水量為3L/min)約5分鐘。接著，將所得產物在50℃下乾燥24小時，得到碳化材料(3)。
藉由X射線光電子光譜分析所得碳化材料(3)其含氧官能基及具有sp2混成軌域的碳的碳原子比例，結果如表1所示。
由表1可得知，碳化材料(1)所具有的含羰基基團(即包含羰基氧基、氧羰基、及羰基)之碳原子含量約24.8atom%、碳化材料(2)所具有的含羰基基團之碳原子含量約10.6atom%、而碳化材料(2)所具有的含羰基基團之碳原子含量約4.6atom%。
碳化材料之臭氧去除能力測試
實施例3：
將10.7g實施例1所得之碳化材料(1)置於一反應腔中。接著，使用質流量控制器(mass flow controller、MFC)將臭氧濃度為292.9ppm的氣體通入該反應腔中(其中氣體流量為5L/min，氣體流速為0.09m/s)，並使用一加濕器調整反應腔的相對濕度至高於95%。在反應腔的出口端以臭氧偵測器(偵測下限為0.01ppm)量測處理後的氣體。持續通入臭氧濃度為292.9ppm的過程中，臭氧偵測器顯示經碳化材料(1)處理後的氣體完全不含臭氧，由此可知碳化材料(1)的臭氧處理效率可達99.9%。直到持續通入臭氧濃度為292.9ppm的氣體99.3小時後，臭氧偵測器始偵測到處理後的氣體其臭氧濃度大於1ppm。將碳化材料(1)的重量、氣體臭氧濃度、及處理時間進行計算，可得知每公克碳化材料(1)的臭氧處理量，結果如表2所示。
實施例4：
將18.6g實施例2所得之碳化材料(2)置於一反應腔中。接著，使用質流量控制器(mass flow controller、MFC)將臭氧濃度為313.9ppm的氣體通入該反應腔中(其中氣體流量為5L/min，氣體流速為0.09m/s)，並使用一加濕器調整反應腔的相對濕度至高於95%。在反應腔的出口端以臭氧偵測器(偵測下限為0.01ppm)量測處 理後的氣體。持續通入臭氧濃度為313.9ppm的過程中，臭氧偵測器顯示經碳化材料(2)處理後的氣體完全不含臭氧，由此可知碳化材料(2)的臭氧處理效率可達99.9%。直到持續通入臭氧濃度為313.9ppm的氣體98.3小時後，臭氧偵測器始偵測到處理後的氣體其臭氧濃度大於1ppm。將碳化材料(2)的重量、氣體臭氧濃度、及處理時間進行計算，可得知每公克碳化材料(2)的臭氧處理量，結果如表2所示。
比較實施例2：
將28.6g比實施例1所得之碳化材料(3)置於一反應腔中。接著，使用質流量控制器(mass flow controller、MFC)將臭氧濃度為364ppm的氣體通入該反應腔中(其中氣體流量為5L/min，氣體流速為0.09m/s)，並使用一加濕器調整反應腔的相對濕度至高於95%。在反應腔的出口端以臭氧偵測器(偵測下限為0.01ppm)量測處理後的氣體。
臭氧偵測器顯示持續通入臭氧濃度為364ppm的氣體25分鐘後即偵測到處理後的氣體其臭氧濃度大於提升(大於1ppm)。將碳化材料(3)的重量、氣體臭氧濃度、及處理時間進行計算，可得知每公克碳化材料(3)的臭氧處理量，結果如表2所示。
由表2可得知，由於本揭露所述之碳化材料具有特定種類的含氧官能基(即含羰基基團、例如羰基(carbonyl group)、羰基氧基(carbonyloxy group)及氧羰基(oxycarbonyl group)之至少一者)，且該含羰基基團在特定比例範圍(10atom%至30atom%之間)內，因此本揭露所述碳化材料可在常溫及高濕度下分解或處理臭氧，不但具有高的臭氧處理效率，且本揭露所述碳化材料具有高的臭氧處理能力(例如每克本揭露所述之碳化材料在相對濕度95%下可分解0.8克至2.0克的臭氧)。
實施例5：
將27.7g實施例1所得之碳化材料(1)置於一反應腔中。接著，使用質流量控制器(mass flow controller、MFC)將臭氧濃度為154.9ppm的氣體通入該反應腔中(其中氣體流量為5L/min，氣體流速為0.09m/s)，並使用一加濕器調整反應腔的相對濕度至約42%。在反應腔的出口端以臭氧偵測器(偵測下限為0.01ppm)量測處理後的氣體。持續通入臭氧濃度為154.9ppm的過程中，臭氧偵測器顯示經碳化材料(1)處理後的氣體完全不含臭氧，由此可知碳化材料(1)的臭氧處理效率可達99.9%。直到持續通入臭氧濃度為154.9ppm的氣體176.5小時後，臭氧偵測器始偵測到處理後的氣體其臭氧濃度大於1ppm。將碳化材料(1)的重量、氣體臭氧濃度、及處理時間進行計算，可得知每公克碳化材料(1)的臭氧處理量，結果如表3所示。
實施例6：
將28.4g實施例1所得之碳化材料(1)置於一反應腔中。接著，使用質流量控制器(mass flow controller、MFC)將臭氧濃度為 365.9ppm的氣體通入該反應腔中(其中氣體流量為5L/min，氣體流速為0.09m/s)，並使用一加濕器調整反應腔的相對濕度至約12%。在反應腔的出口端以臭氧偵測器(偵測下限為0.01ppm)量測處理後的氣體。持續通入臭氧濃度為365.9ppm的過程中，臭氧偵測器顯示經碳化材料(1)處理後的氣體完全不含臭氧，由此可知碳化材料(1)的臭氧處理效率可達99.9%。直到持續通入臭氧濃度為365.9ppm的氣體10.8小時後，臭氧偵測器始偵測到處理後的氣體其臭氧濃度大於1ppm。將碳化材料(1)的重量、氣體臭氧濃度、及處理時間進行計算，可得知每公克碳化材料(1)的臭氧處理量，結果如表3所示。
由表3可得知，本揭露所述之碳化材料在越高相對濕度的狀況下其臭氧處理能力愈強，不會像傳統用來處理臭氧的觸媒化合物在高濕度的環境下容易失去活性，因此非常適合應用於在高濕度環境下進行臭氧的處理。此外，本揭露所述之碳化材料即使在低濕度下仍具有臭氧處理能力。
雖然本揭露已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種碳化材料，該碳化材料具有含羰基基團、烷醇基、以及具有sp2混成軌域的碳，其中該含羰基基團的碳原子含量係在10atom%至30atom%之間，以該含羰基基團、烷醇基、以及具有sp2混成軌域的碳的碳原子總數為基準。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之碳化材料，其中該含羰基基團係羰基、羰基氧基以及氧羰基之至少一者。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之碳化材料，其中該含碳基基團的碳原子含量係在10atom%至25atom%之間，以該含羰基基團、烷醇基、以及具有sp2混成軌域的碳的碳原子總數為基準。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之碳化材料，其中1.0克的該碳化材料在相對濕度95%下可分解0.8克至2.0克的臭氧。
  5. 一種臭氧去除裝置，包含：一空腔；以及申請專利範圍第1項所述之碳化材料，置於該空腔中。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之臭氧去除裝置，更包含：一進口(inlet)，用以將一氣體導入該空腔；以及一出口(oulet)，用以將通過該碳化材料的氧體排出該空腔。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之臭氧去除裝置，更包含：一加濕器(humidifier)，與該空腔相連，以使該空腔達到特定的相對濕度。
  8. 一種去除臭氧的方法，包含：提供一氣體，其中該氣體具有一臭氧濃度大於或等於0.1ppm；以及將該氣體通過申請專利範圍第1項所述碳化材料，以使該氣體的臭氧與碳化材料反應。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之去除臭氧的方法，其中該臭氧經該碳化材料轉化為二氧化碳及水。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之去除臭氧的方法，其中該臭氧與碳化材料係在相對濕度為10%至99%下反應。
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