TWM479924U - 用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體 - Google Patents

Description

用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體

本新型是有關於一種濾材結構體，特別是指一種用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體。

隨著工商業的快速發展，導致水資源受到污染的情形日益嚴重，在受污染的水體中，除了含有重金屬的工業廢水外，大部分為有機污染物，例如，來自動物糞便、化學肥料廠、冶金工業以及火藥生產等工業廢水中的硝酸鹽類、亞硝酸鹽類等污染物。如果這些含氮化合物長期存在於水中將使水質逐漸變質，影響民生飲用水，進而危害人體健康。

由於存在於水中的天然有機物(natural organic matters，簡稱為NOMs)也會引發加氯消毒的副產物，使有機物成為水中污染物的指標之一，因此，如果能夠降解存在於水中的有機物，將有助於改善水質品質。近年來研究發現光催化法具有將有機物完全催化的能力，藉由對具有光觸媒活性的材料提供自然光或特定能量範圍的光線就能使水中有機物被降解破壞，達到淨化水質的效果。

現有以光觸媒降解水中有機物的處理方式，是將光觸媒粒子添加至待處理的水中，並保持懸浮狀態，以配合紫外光進行水中有機物的降解，但此種處理方式有下列缺點：

一、為了增加光觸媒粒子與水中有機物接觸的機率，必須利用攪拌或震動等方式使光觸媒粒子保持懸浮狀態，應用上還要搭配其他裝置使用，不但增加設備成本，也較耗費能源。

二、使光觸媒粒子保持懸浮狀態，如果施加的攪拌或震動等作用的強度不夠，可能無法使所有光觸媒粒子均勻分散，導致一部分粒子沉降在處理容器的底部，造成光觸媒粒子對水中有機物的降解效果無法完全發揮，因此，為了提高降解成效，現有以懸浮狀態的光觸媒粒子進行水中有機物降解的處理方式仍有改善的空間。

三、使用過的光觸媒粒子為顆粒狀，要回收時可能還要進行過濾等程序，不但使用上較不方便，如果過濾不夠完全，導致部分光觸媒粒子無法回收而進入水體中，可能也會對環境或環境中的生物造成危害。

因此，本新型之目的，即在提供一種容易配置定位，而便於安裝使用與回收，並能提供較佳的降解效率的用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體。

於是，本新型用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體，包含一濾網主體，及一吸附於該濾網主體的光觸媒材料單元。

該濾網主體為不織布材質所製成的片狀結構體，包括反向的一第一表面、一第二表面，及一連接在該第一表面與該第二表面之間的圍繞面。

該光觸媒材料單元披覆於該濾網主體的表面上，包括多個吸附於該濾網主體的光觸媒粒子，該光觸媒材料單元是將該濾網主體浸漬於含有該等光觸媒粒子的溶液中，再烘乾後形成。

本新型之功效在於：選用該不織布作為該濾網主體的材質，除了具有可塑性佳而容易依使用需求塑型為特定形狀的特性外，也較容易吸附光觸媒粒子，有助於與光觸媒粒子穩定結合，而藉由結合濾網主體與光觸媒粒子形成的複合結構體，當應用於水處理時，具有容易定位或設置在相關處理設備的特定位置上的使用特性，且此種複合結構體的設計，不需提供其他動力也能使該等光觸媒粒子隨著濾網主體而保持在懸浮於水中的位置，可使懸浮於單位體積的水中的觸媒劑量高於以往攪拌懸浮方式的觸媒劑量，不但使用上更便利，也能提高降解效率，使本新型具有適用於水處理與改善水質的便利性與實用價值。

2‧‧‧光觸媒濾網複合結構體

3‧‧‧濾網主體

31‧‧‧第一表面

32‧‧‧第二表面

33‧‧‧圍繞面

4‧‧‧光觸媒材料單元

41‧‧‧光觸媒粒子

本新型之其他的特徵及功效，將於參照圖式的 實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一剖視示意圖，說明本新型用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體的一個較佳實施例；圖2是一曲線圖，說明不同濃度的三種測試液以該較佳實施例降解後，PHBA殘留濃度隨時間的變化情形；圖3是一曲線圖，說明不同濃度的三種測試液以該較佳實施例降解後，PHBA去除率隨時間的變化情形；圖4是一曲線圖，說明不同濃度的三種測試液以該較佳實施例降解後，單位觸媒於每分鐘對PHBA的去除量隨時間的變化情形；圖5是一曲線圖，說明不同濃度的三種測試液以該較佳實施例降解後，TOC殘留濃度隨時間的變化情形；圖6是一曲線圖，說明不同濃度的三種測試液以該較佳實施例降解後，TOC去除率隨時間的變化情形；及圖7是一曲線圖，說明不同濃度的三種測試液以該較佳實施例降解後，單位觸媒於每分鐘對TOC的去除量隨時間的變化情形。

參閱圖1，為本新型用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體2的一個較佳實施例，包含一濾網主體3，及一吸附於該濾網主體3的光觸媒材料單元4。

該濾網主體3為不織布材質所製成的片狀結構體，包括反向的一第一表面31、一第二表面32，及一連接 在該第一表面31與該第二表面32之間的圍繞面33。

該光觸媒材料單元4包括多個吸附於該濾網主體3的光觸媒粒子41，該光觸媒材料單元4是將該濾網主體3浸漬於含有該等光觸媒粒子31的溶液中，再以烘箱烘乾後形成。

其中，是先將光觸媒粉末倒入去離子水中配製含有該等光觸媒粒子31的溶液，並在浸漬先秤取該濾網主體3的重量，接者，將該濾網主體3放入含有該等光觸媒粒子31的溶液中浸泡一段時間，再放入烘箱中烘乾，再秤取烘乾後結合有該等光觸媒粒子41的濾網主體3的重量，即可算出該濾網主體3上吸附的光觸媒粒子41的總重量。如果要讓該濾網主體3上吸附的光觸媒粒子41量達到飽和的程度，以提供更有效率的光催化降解性能，則可以反覆地進行將該濾網主體3浸漬於含有該等光觸媒粒子41的溶液中與浸漬後烘乾的程序，並於每次烘乾後秤重，直到吸附在該濾網主體3上的光觸媒粒子41的重量不再增加為止，就能獲得具有較佳光催化能力的光觸媒濾網複合結構體2。

其中，由該等光觸媒粒子41所形成的光觸媒材料單元4是披覆於該濾網主體3的第一表面31、第二表面32與圍繞面33上。且在浸漬的過程中，還有部分光觸媒粒子31滲透到該濾網主體3內並吸附在該濾網主體3的內部31。即該光觸媒材料單元4的該等光觸媒粒子41除了經由 吸附而形成披覆在該濾網主體3的表面的披覆層結構外，還滲透到該濾網主體3內部並吸附在其內部結構上。此外，也可以改變浸漬方式或浸漬時間，使該等光觸媒粒子41所形成的光觸媒材料單元4只披覆於該第一表面31、第二表面32與圍繞面33的其中任一種表面上，或任兩種表面上。

在本實施例所用的光觸媒粒子41為二氧化鈦，且是以四氯化鈦為原料利用傳統的水熱法製作流程為基礎，結合微波輔助加熱技術製造出二氧化鈦的光觸媒粒子41。二氧化鈦不但具有相當優良的光觸媒活性，而且有物理與化學性質穩定，耐酸鹼、價格便宜、容易製備、無毒等優點，所以成為最具發展潛力的光觸媒材料。此外，二氧化鈦低溶解性、高穩定性、無毒性、價格便宜與可在室溫下作業等優點，也使其成為最廣泛使用之光催化反應材料。

以下以二氧化鈦為例說明光觸媒材料進行光催化的機制。光催化反應是屬於非均相之反應，當以TiO₂ 作為觸媒時，在適當之波長輻射下，可以將電子由共價帶激發至導電帶，產生電洞及電子，而電洞及電子會與水及氧氣反應生成氫氧自由基(‧OH^- )及過氧化自由基(‧O₂ ^- )，而這些自由基可以分解有機物質、轉成二氧化碳及水，因而能達到淨化水質的功效。本新型的光觸媒濾網複合結構體2，以濾網主體3與光觸媒材料單元4結合的設計，使該複合結構體2也能用於去除水中有機物而能淨化水質。

<具體例1>

以下以不同濃度的對羥基苯甲酸(p-hydroxy-benzoic acid，簡稱為PHBA)在該複合結構體2作用下的降解結果為例，說明該複合結構體2用於分解有機物的效果。

PHBA為水中的天然有機物(NOMs)的成份之一。一般水中天然有機質的來源包含動、植物死亡後經微生物腐植化作用所產生的腐植質、黃酸等的天然有機物(NOMs)、農、工業及市鎮排放的廢汙水等的人為因素所產生的有機物，以及淨水程序中所產生的消毒副產物，如三鹵甲烷(Trihalomethanes，簡稱為THMs)、鹵化乙酸(Haloacetic acids，簡稱為HAAs)、鹵化乙腈(Haloacetonitriles，簡稱為HANs)等。其中，工業廢水含有較多人工合成的有機化合物(Synthetic Organic Chemicals,SOCs)，而淨水程序中產生的消毒副產物則會經人為或天然因素回至原水水體中。另外，PHBA也是一種致癌物的前驅物質，若人體不慎飲用含有PHBA的水源時，可能產生致癌的風險。本具體例所採用的步驟如下所述：

(1)製備二氧化鈦光觸媒粒子：以四氯化鈦為原料，採用微波水熱法製備二氧化鈦光觸媒粒子，由於二氧化鈦粒子的製備方法為現有技術，在此不再詳述。

(2)製備光觸媒濾網複合結構體：將0.5g的二氧化鈦光觸媒粒子倒入1公升的去離子水中並攪拌均勻配置為一光觸媒水溶液，另外裁剪大小約為9.5cm×4.5cm，重量 為0.23g的不織布濾網主體，將該不織布濾網主體置入該光觸媒水溶液中浸泡1~2分鐘，取出後拿到烘箱以溫度100℃烘乾，並於烘乾後秤重，反覆進行浸泡、烘乾與秤重的程序，直到秤重的重量不再增加為止，即完成該光觸媒濾網複合結構體的製作，共製作三片光觸媒濾網複合結構體的樣品a、樣品b與樣品c，並使每一樣品所含的光觸媒粒子的重量相同，經計算每一樣品上所吸附的光觸媒粒子的總重量約為0.1~0.2g。

(3)配製含有PHBA的測試液：分別配製PHBA濃度為4mg/L的測試液A、濃度為8mg/L的測試液B與濃度為12mg/L的測試液C。

(4)分別取2000ml的測試液A、測試液B與測試液C裝入石英燒杯中，將步驟(2)所製出的光觸媒濾網複合結構體的樣品a、樣品b與樣品c分別置入測試液A、測試液B與測試液C中，將上述分別含有測試液A、B、C與樣品a、b、c的燒杯配置於設有8根發光波長為254nm的紫外光燈管的測試環境中，於開始光照後的不同時間點取樣量測該等測試液A、B、C中的PHBA的濃度，與總有機碳(total organic carbon，簡稱為TOC)濃度。並依量測結果計算該等測試液A、B、C於不同時間點的PHBA殘留濃度與TOC殘留濃度。再將上述量測與分析結果繪製為圖2~圖7。

圖2與圖3分別為前述測試液A、B、C以光觸 媒濾網複合結構體的樣品a、b、c降解後，PHBA的水中殘留濃度與去除率隨時間的變化圖。如圖2所示，測試液A、B、C以含有同量的光觸媒粒子的光觸媒濾網複合結構體的樣品a、b、c進行降解後，隨著紫外光光照時間增加，其水中PHBA的殘留濃度皆有隨之下降的趨勢，說明本新型的光觸媒濾網複合結構體對於水中天然有機物有明顯的降解效果。換算每個濃度的降解速率(即圖中的直線斜率)，則以PHBA濃度為4mg/L的測試液A之降解速率最小，僅約為0.0085mg/L.min，而PHBA濃度為8及12mg/L的測試液B、C之降解速率分別為0.0138及0.0153mg/L.min，顯示降解速率將隨著PHBA的濃度升高而升高，此現象說明以光觸媒來降解水中天然有機物確實是可行的，且降解速率與水中PHBA濃度成正比的關係。

另外，與以懸浮狀態的光觸媒進行反應的結果做比較，配製PHBA濃度為2mg/L與10mg/L的測試液，分別在其中添加預定量的二氧化鈦粒子，為了讓二氧化鈦粒子儘量保持為懸浮，提供40r.p.m.的攪拌速度，並分別在測試液的設置環境配置與上述相同的紫外光燈管以進行光催化反應，實驗結果顯示，針對PHBA濃度為2mg/L的測試液的降解速率僅約為0.0008mg/L.min，而針對PHBA濃度為10mg/L的測試液之降解速率最大，約為0.0047mg/L.min，此結果也顯示藉由使光觸媒粒子吸附在濾網主體而製成的光觸媒複合結構體能產生更快的降解速率，這也 說明讓光觸媒粒子附著於濾網主體的結構設計應能使分布在單位體積的水體中的觸媒劑量，將高於直接添加再藉由攪拌使其懸浮方式所形成的懸浮態的觸媒劑量，因此能達成更大的降解速率。

如圖3所示，則顯示PHBA濃度為4mg/L的測試液A的去除率最為明顯，甚至於光照至315分鐘時達到80%的去除率，且隨著PHBA的濃度逐漸增加，其去除率也隨之下降。因此，若要以光觸媒來降解水中天然有機物，所處理的水體中所含有機物濃度的多寡將會影響其去除效果，但仍可藉由延長反應時間來提高去除效果。

如圖4所示，為比較不同濃度PHBA經定量光觸媒濾網降解後，每單位時間(以分鐘表示)的單位光觸媒劑量(以公克表示)可去除之PHBA量(以公克表示)，由圖中的3條曲線可看出在PHBA濃度為4、8及12mg/L的測試液A、B、C所獲得的單位光觸媒的去除量很相近，但仍可以比較出單位觸媒劑量的去除量有隨PHBA濃度升高而升高，此也與圖2的降解速率的結果一致。由圖4降解曲線來看，於反應初期的降解量最高，隨光照時間增加，其去除量也隨之下降，對於PHBA的降解量也隨時間的增加而趨於穩定，最終可能會完全將PHBA去除。

如圖5~圖7是以TOC的結果來呈現PHBA被降解的狀況。由於光觸媒受紫外光照射後會將水中有機物進行降解，而以TOC的結果來呈現水中有機物的濃度更能了 解光觸媒對PHBA的碳化效果，也更能清楚研判對NOMs的降解成效。

如圖5所示，為不同PHBA濃度的測試液A、B、C，以含有同量的光觸媒粒子的光觸媒濾網複合結構體的樣品a、b、c進行降解後，其TOC隨時間的變化圖，雖然TOC的殘留量仍與PHBA的初始濃度呈正比關係，但與圖2的PHBA殘留量有所不同，顯示相較於PHBA，TOC並未出現大量降解的現象。再與圖6的TOC去除率相比較，其最大的去除率僅有35%，且TOC去除率亦未因PHBA的初始濃度差異而有所影響，據此說明本新型的光觸媒濾網複合結構體2雖然能將PHBA的分子斷鏈，但要將其碳化的效果相對較不顯著，但由上述結果仍然顯示藉由在水中置放光觸媒濾網複合結構體2確實可以減少水中有機碳的濃度。

圖7為比較不同PHBA濃度的測試液A、B、C，以含有同量的光觸媒粒子的光觸媒濾網複合結構體的樣品a、b、c進行降解後，每單位時間(以分鐘表示)的單位光觸媒劑量(以公克表示)可去除之TOC量(以公克表示)，由圖中的3條曲線可比較出不同PHBA濃度的測試液A、B、C會表現不同的去除量，即對TOC的去除量會受PHBA的濃度影響，且隨PHBA濃度的升高而上升。

綜上所述，本新型用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體2可獲致下述的功效及優點，故能達到本新型的目的：

一、藉由使該等光觸媒粒子41吸附在該濾網主體3形成該光觸媒濾網複合結構體2的結構設計，應用於水處理時，就由讓該複合結構體2定位在懸浮於水中的特定位置，就能讓該等光觸媒粒子41保持懸浮狀態，可以確保所有光觸媒粒子41皆保持懸浮狀態，也使處理水中單位體積的觸媒劑量高於以往直接將光觸媒粒子添加至處理水中的懸浮劑量，藉此，可增加光觸媒粒子41與水中有機物的接觸機率，因而能對有機物產生更佳的降解效率。

二、此外，由於該複合結構體2有助於掌握可保持在懸浮位置的光觸媒粒子41的總量，因此，更容易因應所要處理的廢水量或有機物濃度，提供含有符合使用需求的光觸媒量的複合結構體2，增加應用的便利性。

三、藉由以不織布作為該濾網本體3的材質，除了可以具有可塑性佳而容易依使用需求塑型為特定形狀的特性外，也能便於該等光觸媒粒子41穩定吸附與結合，在實際使用時，只要將該光觸媒濾網複合結構體2定位於所要處理的水體中的特定位置，不需要如傳統的方式，還要利用攪拌設備讓添加至水體中光觸媒粒子保持懸浮狀態，使本新型在應用上能簡化處理設備及節省使用設備所耗用的能源，而有有效降低處理成本並產生較佳的經濟效益。

四、本新型的光網媒濾網複合結構體2，在使用後只要取出該複合結構體2就能完成所有的光觸媒粒子41的回收，不需要再另外進行過濾回收，不但能改善回收效率，減少光觸媒粒子41的損耗，還能避免回收不完全的風險，因而能確保水質的的安全。

惟以上所述者，僅為本新型之較佳實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，即大凡依本新型申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧光觸媒濾網複合結構體

3‧‧‧濾網主體

31‧‧‧第一表面

32‧‧‧第二表面

33‧‧‧圍繞面

4‧‧‧光觸媒材料單元

41‧‧‧光觸媒粒子

Claims (5)

1. 一種用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體，包含：一濾網主體，為不織布材質所製成的片狀結構體，並包括反向的一第一表面、一第二表面，及一連接在該第一表面與該第二表面之間的圍繞面；及一光觸媒材料單元，披覆於該濾網主體的表面上，包括多個吸附於該濾網主體的光觸媒粒子，該光觸媒材料單元是將該濾網主體浸漬於含有該等光觸媒粒子的溶液中，再烘乾後形成。
2. 如請求項1所述的用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體，其中，該光觸媒材料單元是披覆於該濾網主體的第一表面、第二表面與圍繞面的其中至少一種表面上。
3. 如請求項2所述的用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體，其中，該光觸媒材料單元中的部分光觸媒粒子還進一步滲透到該濾網主體內並吸附在該濾網主體的內部。
4. 如請求項1至請求項3中任一項請求項所述的用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體，其中，是反覆地進行將該濾網主體浸漬於含有該等光觸媒粒子的溶液中與烘乾的程序，直到吸附在該濾網主體上的光觸媒粒子的重量不再增加為止。
5. 如請求項1至請求項3中任一項請求項所述的用於降解水中有機物的光觸媒濾網複合結構體，其中，該光觸媒材料單元中的該等光觸媒粒子為二氧化鈦。