TWI690493B

TWI690493B - 廢水處理裝置

Info

Publication number: TWI690493B
Application number: TW107125130A
Authority: TW
Inventors: 洪雅筠; 鄭翔遠; 鄭翔駿
Original assignee: 鄭光煒
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-04-11
Also published as: TW202007655A

Abstract

本發明提出一種廢水處理裝置，其包括：一盛有電解液的反應槽、一筒槽、一過篩單元、至少一光反應電極、至少一光源、以及至少一電極。使用本發明之廢水處理裝置時，只需將含有重金屬離子的廢水以及一觸媒加速劑注入該筒槽之中，再藉由該筒槽及該過篩單元對該廢水進行一過濾處理。進一步地，藉由該光源發出一光束以照射半導體材料。如此，該半導體材料產生複數個電子電洞，使得該廢水內的重金屬離子進行一還原反應並於該電極上形成一金屬膜。

Description

廢水處理裝置

本發明係關於廢水處理的技術領域，尤指可應用於現有廢水處理系統內的一種廢水處理裝置。

近年來隨著積體電路產業的發展，晶圓及印刷電路板(PCB)之製作朝向高密度、高度機能邁進。由於積體電路製作或印刷電路板中所產生的廢水含有許多細小顆粒以及含有多種不同之重金屬，而造成其廢水處理上之困難。導致在追求科技之進步的同時，許多水污染及含有重金屬之廢水相關問題隨之產生。同時近期環保意識的提升，相關法規的限制也日漸嚴謹。另一方面，多種重金屬對生物生態圈造成環境汙染以及對生物造成毒性傷害；其中，以銅、汞、鎘、鉛、鉻、鋅、鈷、鎳、鋁、以及砷等重金屬的汙染物最具代表性。導致，相關業者為了符合廢水排放標準，常以加入大量藥劑的方法以降低廢水中的重金屬含量，造成處理成本的增加甚至造成環境的二次汙染。

目前用於含有重金屬之廢水處理主要方法有：電解回收、金屬置換、化學沉澱、逆滲透、電透析、以及離子交換法。金屬置換法係利用一種危害性較低且具電正性(electro-positive)的金屬作為還原電極。換句話說，金屬置換法是以危害性較低的金屬置換掉廢水中之重金屬；其中，金屬置換法由於需投入其他金屬及昂貴的化學藥劑，造成此方法經濟效益低且排放之廢水金屬含量偏高。

而化學沉澱法係於廢水中投放藥劑，藉由藥劑與廢水之化學反應使溶解狀態的重金屬沉澱變成不溶性的物質，再經由沉澱法將重金屬自廢水中分離出來。其中，化學沉澱法為目前較為廣泛使用的重金屬處理法，其包含有中和沉澱法、硫化物沉澱法以及鐵氧體共沉澱法。然而，化學沉澱法其反應過程會產生有毒氣體，且過濾後之廢水須藉由藥劑調整其酸鹼值才可排放；因此導致需要耗費許多藥劑，因此處理成本增高且水質不佳。此處理方式不僅消耗大量的化學藥劑造成成本提高之外，且所排放之廢水容易因導電度過高造成不利於回收以再作為製程用水的問題。

由上述可以得知，現今廢水處理法與相關設備仍有所不足。有鑑於此，本發明之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種廢水處理裝置。

本發明提出一種廢水處理裝置，其可應用於現有的任何一種廢水處理系統內。此廢水處理裝置於組成上僅包括：一盛有電解液的反應槽、一筒槽、一過篩單元、至少一光反應電極、以及至少一電極。使用本發明之廢水處理裝置時，只需將含有重金屬離子的廢水以及一觸媒加速劑注入該筒槽之中，透過該觸媒加速劑令該廢水中的金屬離子還原為一金屬或一金屬氧化物。並且，再藉由該筒槽及該過篩單元對該廢水進行一過濾處理。進一步地，藉由一光源發出一光束以照射半導體材料。如此，該半導體材料產生複數個電子電洞，使得該廢水內的重金屬離子進行一還原反應並於該電極上形成一金屬膜。

為了達成上述本發明之主要目的，本案之發明人係提供所述廢水處理裝置之一實施例，係包括：一反應槽，係容置有一電解液；一筒槽，係置於該反應槽之中，且具有複數個濾孔；一過篩單元，係置於該筒槽之中，且包括一轉軸及至少一過篩片；至少一光反應電極，係置於該反應槽內，並包括一導體與覆於該導體之上的一半導體材料；以及至少一電極，係置於該反應槽內，並電性連接該導體；其中，一廢水以及一觸媒加速劑被注入該筒槽中，藉由該觸媒加速劑將該廢水中的金屬離子還原為一可回收物質；其中，驅動該轉軸轉動可帶動該過篩片於該筒槽內順時針或逆時針移動，藉由該過篩片篩出該廢水所含有的至少一種可回收物質；並且，該過篩片進行順時針或逆時針移動時，該廢水之部分係透過該複數個濾孔而自該筒槽流入該反應槽內，且該廢水所含有的該可回收物質之部分係由該些濾孔濾出；其中，令該光反應電極受光照射可使得該半導體材料產生複數個電子電洞對；並且，該些電子電洞對的複數顆電子係經由該導體移動至該電極，且該些電子電洞對的複數顆電洞係移動至該半導體材料的表面，進而使該廢水內的重金屬離子進行一還原反應並於該電極上形成一金屬膜。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種廢水處理裝置，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

第一實施例

請參閱圖1，係顯示本發明之一種廢水處理裝置的第一實施例的爆炸圖。如圖所示，本發明之廢水處理裝置1係包括一反應槽11、一筒槽12、一過篩單元13、至少一光反應電極14、至少一光源L、以及至少一電極15；其中，該反應槽11係容置有一電解液，且該筒槽12係置於該反應槽11之中，且具有複數個濾孔；再者，該過篩單元13係置於該筒槽12之中，且包括一轉軸131及至少一過篩片132。值得說明的是，當一廢水以及一觸媒加速劑被注入該筒槽12中，藉由該觸媒加速劑將該廢水中的金屬離子進行一化學反應而形成一可回收物質。更詳細地，該回收物質可為一金屬沉澱物或一金屬氧化物。進一步地，驅動該轉軸131轉動可帶動該過篩片132於該筒槽12內順時針或逆時針移動，藉由該過篩片132篩出該廢水所含有的至少一種可回收物質；並且，該過篩片132進行順時針或逆時針移動時，該廢水之部分係透過該複數個濾孔而自該筒槽12流入該反應槽11內，且該廢水所含有的該可回收物質之部分係由該些濾孔濾出。此外，該複數個濾孔之孔徑係介於2微米至3微米之間。

繼續參閱圖1，並請參閱圖2及圖3，係顯示本發明之廢水處理裝置的第一實施例的立體圖及示意圖。如圖所示，該光反應電極14係置於該反應槽11內，且包括一導體141與覆於該導體141之上的一半導體材料142。其中，該電極15係置於該反應槽11內，且電性連接該導體141。由圖可以得知，本實施例中係以複數根燈管置於該導體14與該電極15之間，用以作為該光源L。進一步地，該光源L係發出一光束以照射該半導體材料142。

承上述，當光束照射該光反應電極14，該光反應電極14接收到光子使得該半導體材料142產生複數個電子電洞對(electron-hole pair)。其中，於氧化還原反應中係透過一金屬離子或一亞金屬離子進行複數個電子的傳遞。更詳細地說明，該些電子電洞對的複數個電子係經由該導體141移動至該電極15，且該些電子電洞對的複數顆電洞係移動至該半導體材料142的表面，進而產生具有高氧化性的自由基以進行分解有機汙染物之過程。使得該廢水內的重金屬離子進行一還原反應並於該電極上形成一金屬膜。需補充說明的是，該過篩片132係形成有複數個篩孔，且該複數個篩孔之孔徑係介於2微米至3微米之間。

承上述，該廢水處理裝置1更包括：一馬達16以及至少一吸附材；其中，該馬達16係連接該轉軸131用以驅動該過篩單元13轉動。並且，該吸附材係設置於該複數個濾孔/或該複數個篩孔處。可想而知的，該吸附材依據實際使用狀況及情形，而選用不同之材質製作。更詳細地，該吸附材之材質可為下列任一者：沸石、活性碳、奈米碳管、石英、吸油棉、腐植酸(Humic Acid)、海泡石、離子交換樹脂、聚糖樹脂、或上述任兩者以上之組合。需補充說明的是，腐植酸可被做成腐植酸樹脂，且腐植酸樹脂已成功地被用以處理含鉻(Cr)或含鎳(Ni)金屬之廢水。然而，如熟悉化學工程技術的相關人員所熟知，當欲對某物質之性能進行選擇性的增加或減少時，可以透過相對應之改性處理以獲得改性之物質。因此，利用改性的海泡石對含鉛(Pb ²⁺)、汞(Hg ²⁺)、以及鎘(Cd ²⁺)金屬離子也有良好的吸附功能。由此可知，該吸附材之材質僅示例性表示，不應以此為限。

承上述，該廢水處理裝置1更包括：至少一廢水儲存槽17、一電解液儲存槽18、一觸媒加速劑儲存槽19、以及一調節槽20；其中，該廢水儲存槽17係透過至少一第一輸送單元171將一廢水注入該反應槽11內，且具有一第一流量調節閥172。並且，該電解液儲存槽18係透過至少一第二輸送單元181將一電解液注入該反應槽11內，且具有一第二流量調節閥182。再者，該觸媒加速劑儲存槽19係透過至少一第三輸送單元191將該觸媒加速劑注入該筒槽12內，且具有一第三流量調節閥192。而該調節槽20係透過至少一第四輸送單元201連接該反應槽11，且具有一第四流量調節閥202。更詳細地，該調節槽20容置有一調節液，用以調節該處理過的廢水之酸鹼值或電導度。需補充說明的是，該調節液可為下列任一者：氫氧化鈉(NaOH)、蘇打灰(Na ₂CO ₃)、碳酸氫鈉(NaHCO ₃)、生石灰(CaO)、熟石灰(Ca(OH) ₂)、硫酸(H ₂SO ₄)、鹽酸(HCl)。補充說明的是，該電極15之製造材料可為下列任一者：鉑(Pt) 、鐵(Fe) 、鈀(Pd)、金(Au)、釕(Ru)、鎳(Ni)、鉑系化合物、釕系化合物、鎳系化合物、透明導電材料、上述任兩者以上之組合、或上述任兩者以上之化合物。

另一方面，該至少一導體141係置於電解液之中，且所述半導體材料142係覆於該導體141的表面。於本發明中，所述半導體材料142可以是氧化物半導體材料、硫化物半導體材料、硒化物半導體材料、鎵系化合物、或矽系化合物，且其係以複數個顆粒或者一薄膜的形式覆於該導體141的表面。所述半導體材料142的示範性材料整理於下表(1)之中。表(1)

上表(1)僅列出該半導體材料142的示範性材料，但須注意本發明之技術特徵並非在於限制半導體材料142之特定材料的應用。並且，該導體141係作為該些電子的一傳輸通道，且其製造材料可為下列任一者：銅、銀、金、鉑、氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、或上述任兩者以上之組合。

第二實施例

繼續地參閱圖2。並請參閱圖4與圖5，係顯示本發明之廢水處理裝置的第二實施例的爆炸圖以及示意圖。如圖所示，相較於前述之實施例，本實施例之廢水處理裝置1更包括至少一光傳輸單元LT，且本實施例係以筒型導光板作為該光傳輸單元LT；其中，該光傳輸單元LT係設置於該光源L與該光反應電極14之間。並且，由圖可以得知本實施例係以一LED環型燈作為該光源L。更詳細地，該光源L係設置於該光傳輸單元LT之下方。如此設置，該光傳輸單元LT可引導或傳輸該光源L所發出之光束以照射於該半導體材料142，進而增加該半導體材料142之光的吸收量與光照均勻度。需補充說明的是，該光傳輸單元LT具有用以供該廢水流過的複數個穿孔h。

第三實施例

繼續參閱圖5，請參閱圖6與圖7，係顯示本發明之廢水處理裝置的第三實施例的爆炸圖與第一立體圖。如圖所示，相較於前述實施例，本實施例係以一燈泡作為該光源L。請同時參閱圖8，係顯示本發明之廢水處理裝置的第三實施例的第二立體圖。如此，該廢水儲存槽17透過該第一輸送單元171將該廢水注入該反應槽11內；同樣地，該電解液儲存槽18透過該第二輸送單元181將該電解液注入該反應槽11內。進一步地，該馬達16驅動該轉軸131轉動以帶動該過篩片132轉動；更詳細地，該過篩片132係以該轉軸131為中心進行轉動。如此，該廢水處理裝置1透過該筒槽12之濾孔以及該過篩片132之篩孔篩出該廢水所含有的至少一種可回收物質；同時，藉由該過篩片132進行順時針或逆時針轉動時將該廢水自該筒槽12流入該反應槽11內，且該廢水所含有的該可回收物質之部分係由該複數個濾孔被濾出。

承上述，需補充說明的是，該觸媒加速劑儲存槽19係透過該第三輸送單元191將該觸媒加速劑注入該筒槽12內。更詳細地，該觸媒加速劑於該廢水內會釋出複數個反應離子。如此，該半導體材料142接收該光源L所發出的光子產生複數個電子電洞對，進而令該廢水內的重金屬離子進行還原反應且於該電極15上形成一金屬膜。值得說明的是，該觸媒加速劑離子可為下列任一者：磷酸系列離子、亞硝酸根離子、亞錫離子、錫離子、亞鐵離子、鐵離子等具有釋放/吸收電子能力之化學物質或上述任兩者以上之組合。再者，該反應槽11透過該第四輸送單元201及該第四流量調節閥202將完成重金屬回收處理之廢水注入至該調節槽20。

第四實施例

參閱圖3與圖4，並請參閱圖9，係顯示本發明之廢水處理裝置的第四實施例的示意圖。如圖所示，本實施例相較於第一實施例，本實施例更包括一第五輸送單元21以及一第五流量調節閥22；並且本實施例係包括二個反應槽(11a、11b)，且透過該第五輸送單元21相連接；其中，該第五流量調節閥22係設置於該第五輸送單元21上。更詳細地說明，藉由廢水儲存槽17以及該觸媒加速劑儲存槽19將該廢水以及該觸媒加速劑注入該反應槽11a內。並且，藉由該馬達16及該過篩單元13，篩出該廢水所含有的該可回收物質且藉由該複數個濾孔濾出。進一步地，透過該第五輸送單元21以及該第五流量調節閥22將完成過濾處理之廢水注入至該反應槽11b內。同時，藉由該電解液儲存槽18將該電解液注入該反應槽11b內。

繼續參閱圖3及圖9，藉由該光反應電極14以及該電極15令該完成過濾處理之廢水於該反應槽11b內進行一氧化還原反應，進而令該廢水所含之重金屬離子於該電極15上還原成一金屬膜。再者，該反應槽11b透過該第四輸送單元201以及該第四流量調節閥202將完成重金屬回收處理之廢水注入至該調節槽20。如此設計，令本發明之廢水處理裝置1可同時於該二反應槽11a、11b進行該過濾處理以及回收廢水內的重金屬離子。值得說明的是，藉由該調節槽20所注入之調節液係用以調節該完成過濾處理之廢水的酸鹼值及電導度，以令該廢水之酸鹼值或電導度符合相關排放標準同時以利於其後續生物或化學處理程序。

必須特別說明的是，雖然圖7顯示所述反應槽11為一圓筒槽，但並非以此限制反應槽11的實施態樣。請參閱圖10與圖11，係顯示本發明之廢水處理裝置的第二實施態樣的第一立體圖與第二立體圖。如圖所示，該二反應槽(11a、11b)係為方形槽，且該光反應電極14與該電極15之數量可為複數個。

實驗例

如圖1所示，經過本發明之廢水處理裝置1處理後，廢水內的重金屬會於電極15上形成為金屬膜。為了證實所述金屬膜的主要成分是來自於廢水內的重金屬，圖12係顯示析出金屬之X射線繞射圖。本案發明人對析出之金屬膜做了X射線繞射分析(X-ray diffraction, XRD)，其中圖12的三組XRD數據的基本資訊係整理於下表(2)之中。並且，透過比較三組XRD數據可以確信，析出金屬的成分包含重金屬的氧化物(CuO)。表(2)

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之廢水處理裝置的結構與技術特徵，經由上述，吾人可以得知本發明係具有下列之優點：

(1)現有的去除工業廢水所含有的重金屬之處理方法皆具有高處理成本及藥劑消耗大之缺陷。有鑑於此，本發明提出一種廢水處理裝置，其可應用於現有的任何一種廢水處理系統內。此廢水處理裝置於結構上僅包括：一盛有電解液的反應槽、一筒槽、一過篩單元、至少一光反應電極、至少一光源、以及至少一電極。使用本發明之廢水處理裝置時，只需將含有重金屬離子的廢水以及一觸媒加速劑注入水該筒槽之中，藉由該觸媒加速劑將該廢水中的金屬離子還原為一金屬沉澱物或一金屬氧化物。再者，藉由該筒槽及該過篩單元對該廢水進行一過濾處理。進一步地，藉由該光源發出一光束以照射半導體材料。如此，該半導體材料產生複數個電子電洞，使得該廢水內的重金屬離子進行一還原反應並於該電極上形成一金屬膜。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

＜本發明＞

＜習知＞無

圖1係顯示本發明之一種廢水處理裝置的第一實施例的爆炸圖；圖2係顯示本發明之廢水處理裝置的第一實施例的立體圖；圖3係顯示本發明之廢水處理裝置的第一實施例的示意圖；圖4係顯示本發明之廢水處理裝置的第二實施例的爆炸圖；圖5係顯示本發明之廢水處理裝置的第二實施例的示意圖；圖6係顯示本發明之廢水處理裝置的第三實施例的爆炸圖；圖7係顯示本發明之廢水處理裝置的第三實施例的第一立體圖；圖8係顯示本發明之廢水處理裝置的第三實施例的第二立體圖；圖9係顯示本發明之廢水處理裝置的第四實施例的示意圖；圖10係顯示本發明之廢水處理裝置的第二實施態樣的第一立體圖；圖11係顯示本發明之廢水處理裝置的第二實施態樣的第一立體圖；以及圖12係顯示析出金屬之X射線繞射圖。

Claims

一種廢水處理裝置，係包括：一反應槽，係容置有一電解液；一筒槽，係置於該反應槽之中，且具有複數個濾孔；一過篩單元，係置於該筒槽之中，且包括一轉軸及至少一過篩片；至少一光反應電極，係置於該反應槽內，並包括一導體與覆於該導體之上的一半導體材料；以及至少一電極，係置於該反應槽內，並電性連接該導體；其中，一廢水以及一觸媒加速劑被注入該筒槽中，藉由該觸媒加速劑將該廢水中的金屬離子還原為一可回收物質；其中，驅動該轉軸轉動可帶動該過篩片於該筒槽內順時針或逆時針移動，該過篩片篩出該廢水所含有的至少一種可回收物質；並且，該過篩片進行順時針或逆時針移動時，該廢水之部分係透過該複數個濾孔而自該筒槽流入該反應槽內，且該廢水所含有的該可回收物質之部分係由該些濾孔濾出；其中，令該光反應電極受光照射可使得該半導體材料產生複數個電子電洞對；並且，該些電子電洞對的複數顆電子係經由該導體移動至該電極，且該些電子電洞對的複數顆電洞係移動至該半導體材料的表面，進而使該廢水內的重金屬離子進行一還原反應並於該電極上形成一金屬膜。
如申請專利範圍第1項所述之廢水處理裝置，更包括：一馬達，係連接該轉軸。
如申請專利範圍第1項所述之廢水處理裝置，更包括：至少一光源，用以發光照射該光反應電極。
如申請專利範圍第3項所述之廢水處理裝置，更包括：至少一光傳輸單元，係設置於該光源與該光反應電極之間，用以引導或傳輸該光源所發出的光，使其照射該光反應電極的該半導體材料。
如申請專利範圍第1項所述之廢水處理裝置，其中，該過篩片具有複數個篩孔，且該篩孔之孔徑係介於2微米至3微米之間。
如申請專利範圍第4項所述之廢水處理裝置，其中，該光傳輸單元為一筒形導光板，並具有用以供該廢水流過的複數個穿孔。
如申請專利範圍第1項所述之廢水處理裝置，其中，該複數個濾孔之孔徑係介於2微米至3微米之間。
如申請專利範圍第5項所述之廢水處理裝置，更包括: 至少一吸附材，係設置於該篩孔及/或該濾孔之上。
如申請專利範圍第1項所述之廢水處理裝置，更包括：至少一廢水儲存槽，係透過至少一第一輸送單元將該廢水注入該反應槽內，且具有一第一流量調節閥。
如申請專利範圍第9項所述之廢水處理裝置，更包括：一電解液儲存槽，係透過至少一第二輸送單元將一電解液注入該反應槽內，且具有一第二流量調節閥。
如申請專利範圍第10項所述之廢水處理裝置，更包括：一觸媒加速劑儲存槽，係透過至少一第三輸送單元將該觸媒加速劑注入該筒槽內，且具有一第三流量調節閥。
如申請專利範圍第11項所述之廢水處理裝置，更包括：一調節槽，係透過至少一第四輸送單元連接該反應槽，藉由一調節液調節廢水之酸鹼值或電導度，且包括一第四流量調節閥。
如申請專利範圍第8項所述之廢水處理裝置，其中，該吸附材可為下列任一者：沸石、活性碳、奈米碳管、石英、吸油棉、腐植酸、海泡石、離子交換樹脂、聚糖樹脂、或上述任兩者以上之組合。
如申請專利範圍第11項所述之廢水處理裝置，其中，該觸媒加速劑於該廢水內會釋出複數個反應離子或電子，且所述反應離子可為下列任一者：磷酸系列離子、亞硝酸根離子、亞錫離子、錫離子、亞鐵離子、鐵離子等具有釋放吸收電子或離子能力之化學物質或上述任兩者以上之組合。
如申請專利範圍第1項所述之廢水處理裝置，其中，該導體係作為該些電子的一傳輸通道，且其製造材料可為下列任一者：銅、銀、金、鉑、氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)、氧化錫(SnO ₂)、氧化鋅(ZnO)、或上述任兩者以上之組合。
如申請專利範圍第1項所述之廢水處理裝置，其中，該半導體材料可為下列任一者：氧化物半導體材料、硫化物半導體材料、硒化物半導體材料、鎵系化合物、上述任兩者以上之組合、上述任兩者以上之化合物。
如申請專利範圍第1項所述之廢水處理裝置，其中，該電極之製造材料可為下列任一者：鉑(Pt) 、鐵(Fe) 、鈀(Pd)、金(Au)、釕(Ru)、鎳(Ni)、鉑系化合物、釕系化合物、鎳系化合物、透明導電材料、上述任兩者以上之組合、或上述任兩者以上之化合物。
如申請專利範圍第12項所述之廢水處理裝置，其中，該調節液可為下列任一者：氫氧化鈉(NaOH)、蘇打灰(Na2CO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、生石灰(CaO)、熟石灰(Ca(OH)2)、硫酸(H2SO4)、鹽酸(HCl)。
如申請專利範圍第12項所述之廢水處理裝置，更包括一第五輸送單元，係設置於該二反應槽之間；以及一第五流量調節閥，係設置於該第五輸送單元上。