TWI863285B

TWI863285B - 鈦電漿氫水機

Info

Publication number: TWI863285B
Application number: TW112118246A
Authority: TW
Inventors: 韓文卿
Original assignee: 福德綠能有限公司
Priority date: 2023-05-17
Filing date: 2023-05-17
Publication date: 2024-11-21
Also published as: TW202446726A

Abstract

本發明提供一種水處理設備，其包含：採用純鈦材料製成之一管狀殼體，其內部具有沿著一橫向軸線延伸之一容置空間；一波長380 nm之紫外燈管，其外包覆石英管，由該管狀殼體中央位置之一側管以垂直於該橫向軸線的方向插入該管狀殼體內；於該管狀殼體之兩端各配置有一鈦製管蓋，其各與該管狀殼體兩端接合，其中一端之管蓋係連接至一進水口，及另一端之管蓋係連接至一出水口；第一道濾芯，其為燒結純鈦粉末材質，具有一濾芯開口接合至該進水口端之管蓋，以配置於該管狀殼體之容置空間中，其中，該第一道濾芯之殼體內部具有銀粒子鍍膜，及具有一波長265 nm之冷陰極紫外光滅菌器設置於其中；及第二道濾芯，其為燒結純鈦粉末材質，具有一濾芯開口接合至該出水口端之管蓋，以配置於該管狀殼體之容置空間中，其中，該第二道濾芯之殼體內部具有奈米金粒子鍍膜，及具有一波長532 nm之冷陰極綠光表面電漿共振反應器設置於其中。

Description

鈦電漿氫水機

本發明係有關於一種水處理設備，其採用純鈦管材製成，可用於自來水直飲淨水機；且特別有關於一種兼具過濾、產氫、除氯及小分子化等功能的水處理設備。

水處理技術長久以來為使用薄膜過濾為主，一般家用淨水過濾器之外殼及濾芯的材質種類相當多，其基本上為塑膠、活性碳纖維，必須定期拋棄換新，無法清洗重複使用，經年累月耗費高額成本及大量資材，但若未按時更換，則會造成二次污染及細菌感染風險。另外，在工業上有使用金屬不鏽鋼殼體及纖維濾芯之可清洗過濾系統；亦有由鈦金屬製造過濾器之外殼及濾芯，其係用於耐酸鹼腐蝕的化工業，較少見於市售民生飲水的過濾器中。

目前市面上的淨水過濾裝置少則使用三或四道，多則七或八道過濾管，例如，典型的逆滲透（RO）淨水器係使用七至八道過濾管加上真空桶。然，過濾管的數目並不一定越多越好，反而可能風險越高，相對費用成本也越高。

因此，需要一種過濾管數目減少，濾芯能夠清洗重複使用，及整合過濾、滅菌、除氯、除重金屬、除水垢、產氫、小分子化等多功能於一體之水處理設備。

純鈦是安全無毒的金屬，生物可利用性佳，質輕且耐酸鹼腐蝕，適合作為水容器。鈦金屬表面會自然形成氧化膜，或可經高溫加熱氧化處理，為一種耐蝕性極佳、鍍膜穩定性高之材料。亦有使用高溫燒結鈦粉末應用於水處理濾芯，適合用於含剛性顆粒的低黏度料液進行固液分離。

二氧化鈦被發現具有在紫外光照射下把水分子分解成氫氣的光化學特性，因而可作為光觸媒材料。二氧化鈦之晶體結構為銳鈦礦相時具有較佳的光觸媒活性，由於銳鈦礦相二氧化鈦的能隙大小約為3.2電子伏特，以能隙大小來換算所需光能的波長，可得出波長為387.5 nm，故欲將二氧化鈦的電子自價帶激發至導電帶，必須提供波長小於387.5 nm的紫外線光源，二氧化鈦才能產生氧化還原反應，達到去除臭味或分解雜質等功效。常見二氧化鈦光觸媒材料係塗布在濾網上以作為空氣過濾之用。

波長範圍100至280 nm之紫外光（UV-C）已被證明具有殺菌功能，專業純水系統及一般飲用水已廣泛使用紫外線殺菌法以達到微生物控制目的。

在改善水分子的應用上已有利用表面電漿共振（Surface Plasmon Resonance；SPR）效應，使水與奈米金屬顆粒接觸並照光後，獲得小分子團水。奈米金粒子吸收波長532 nm之LED綠光可產生表面電漿共振效應，水會隨之產生共振，進而將水中部分氫鍵打斷，使水分子結構弱化而形成小分子水。經活化之小分子水具有顯著的導電效果、高滲透性，以及抗發炎、抗自由基的效益。

此外，奈米銀基於靜電力作用亦可用於抗菌。由於細菌的細胞膜多呈負電性，銀離子帶有正電荷，銀離子因靜電可穿透細胞膜而與細菌蛋白質上的硫醇基產生化學反應而凝固，達到殺菌的效果，亦有應用於淨水系統之奈米銀濾材。

然，目前仍未有整合鈦金屬材料、半導體材料、光化學（例如光觸媒反應及表面電漿共振）等水處理技術的設計。

本發明之目的係提供一種整合純鈦材料及應用技術之水處理設備，其具備水處理的過濾、滅菌、除氯、除重金屬、除水垢、產氫、小分子化等多功能於一體，以製造生飲等級之含氫小分子水。

本發明之鈦製管材殼體、管蓋及燒結純鈦粉末之濾芯皆經過拋光、高熱氧化處理，因此容器內不易滋生細菌，產生異味；且可反覆清洗使用，無須如一般濾水器更換濾芯，而產生大量耗材。本發明水處理設備之主體結構皆為採用純鈦材料設計而成，所使用之純鈦材料必須經由以下加工程序，包括：拋光處理，熱氧化處理，CNC切割及雷射焊接。高溫熱氧化處理溫度為400℃至900℃，依照溫度不同會產生不同顏色之外觀，400℃可形成金黃色，500℃可形成藍色，600℃可形成紫色，700℃至800℃可形成灰紅色，900℃可形成灰色之氧化鈦膜。

管狀殼體之兩端所配置之該等鈦製管蓋係各由一第一法蘭盤及一第二法蘭盤構成，其藉由複數個鈦製螺栓固定。該第一法蘭盤係經由其中央通孔連接至該濾芯開口，將濾芯配置於該管狀殼體之容置空間中；該第二法蘭盤之一側與該第一法蘭盤相連接，另一側係經由其中央通孔連接至一水管轉接頭。

該第一道濾芯中燒結純鈦粉末濾芯之孔徑為2 µm，將自來水經進水口導入該第一道濾芯之殼體內部，由內向第一道濾芯殼體外溢出至管狀殼體之容置空間中，進行初過濾；該第二道濾芯中燒結純鈦粉末濾芯之孔徑為0.2 µm，將管狀殼體之容置空間中經初過濾的水，由第二道濾芯殼體外進入第二道濾芯殼體內，進行超濾過濾之後，經出水口出水。

經由上述第一及第二道濾芯過濾的同時，於第一道濾芯之殼體內層鍍銀粒子及照射波長265 nm之紫外光係具有滅菌作用，並作為光觸媒反應器，產生除氯及產氫作用；於第二濾芯組之殼體內層鍍奈米金粒子及照射波長532 nm之綠光係可作為表面電漿共振反應器，將水小分子化。

因此，本發明之整合純鈦材料及應用技術之水處理設備相當於具備以下功能之裝置組合： (1) 紫外燈滅菌器：純鈦濾芯結合冷陰極紫外燈管特定波長265 nm的應用置放於第一道濾芯內，對自進水口通入的自來水進行紫外光滅菌作用； (2) 光觸媒反應器：純鈦殼體結合紫外燈管特定波長380 nm的應用置放於第一道濾芯過濾後的淨水，進行水與光觸媒、二氧化鈦三者光催化反應，除氯、分解污染物、及產生氫氣等綜效作用； (3) 電漿共振反應器：純鈦濾芯與冷陰極綠光532 nm波長燈管結合應用置放於第二道濾芯內，以綠光光照與濾芯鍍膜金粒子對第一道濾芯過濾的淨水三者進行表面電漿共振，小分子化水及產氫作用，產生水質改質作用。

本發明另提供一種自來水通過本發明水處理設備之淨水製程，其包括：第一步驟：過濾與滅菌的雙重作用自來水從進水口導入孔徑2 µm之第一道濾芯，在第一道濾芯內部產生內壓，由內往外通過濾芯過濾，過濾後水中顆粒雜質為20萬至30萬顆粒單位，同時水流在波長265 nm之紫外線照射下滅菌，並與在濾芯殼體內部的銀粒子鍍膜接觸，強化滅菌作用。第二步驟：二氧化鈦光觸媒除污除氯產氫經第一步驟處理後的水進入管狀殼體之容置空間中，純鈦材料製成之管狀殼體經高溫400℃熱氧化處理，形成含有半導體二氧化鈦光觸媒之氧化膜，經波長380 nm之紫外線照射下進行光催化反應，除去水中氯氣、分解污染物、及產生氫氣。第三步驟：表面電漿共振產氫小分子化經第二步驟處理後的水經外壓作用，從第二道濾芯之殼體外部進入濾芯內部，第二道濾芯之孔徑為0.2 µm，可過濾掉細菌等級之顆粒，過濾後水中顆粒僅剩數千顆粒單位，達到生飲等級，同時經第二道濾芯內波長532 nm之綠光照射與濾芯殼體內部鍍膜的金粒子進行表面電漿共振作用，將水小分子化改質，並產出更多氫水，提高飲水的機能性效果。

根據本發明之態樣，自來水通過本發明水處理設備之淨水製程所獲得之淨水定義為「鈦電漿氫水」，其為經紫外光及銀粒子滅菌，經孔徑0.2 µm的濾芯濾除細菌，經二氧化鈦光觸媒除氯，除臭分解各種污染物，經光觸媒與表面電漿共振的氫分子水，及經表面電漿共振改質的小分子水。

本發明水處理設備係可手動拆開設備組件，用水沖洗或超音波清洗濾芯內外及管狀殼體內部。於濾芯內部配置一電磁感應閥，設定水壓小於1公斤時，提醒清洗。於管狀殼體內部亦配置一電磁感應閥，設定水壓小於0.5公斤時，提醒清洗。

以下參照圖式對實施態樣進一步說明。說明中使用之圖式為示意圖，圖式中各元件之尺寸關係、比例與實際狀況未必相同。

圖1A及圖1B為本發明水處理設備之一具體實施例之示意圖。參照圖1A及圖1B，本發明之水處理設備10係包含：採用純鈦材料製成之一管狀殼體20，其內部具有沿著一橫向軸線延伸之一容置空間；一波長380 nm之紫外燈管35，其外包覆石英管，由該管狀殼體20中央位置之一側管30插入該管狀殼體內；於該管狀殼體之兩端各配置有一鈦製管蓋，其係各由一第一法蘭盤40a及一第二法蘭盤40b構成，其中一端之管蓋係連接至一進水口，及另一端之管蓋係連接至一出水口；第一道濾芯50，其為燒結純鈦粉末材質，具有一濾芯開口接合至該進水口端之管蓋，以配置於該管狀殼體之容置空間中，其中，該第一道濾芯之殼體內部具有銀粒子鍍膜，及具有一波長265 nm之冷陰極紫外光滅菌器55設置於其中；及第二道濾芯60，其為燒結純鈦粉末材質，具有一濾芯開口接合至該出水口端之管蓋，以配置於該管狀殼體之容置空間中，其中，該第二道濾芯之殼體內部具有奈米金粒子鍍膜，及具有一波長532 nm之冷陰極綠光表面電漿共振反應器65設置於其中。

上述水處理設備之組件皆經高溫400℃以上高溫熱氧化處理，鈦粉末燒結為700℃以上高溫燒結處理。

本發明純鈦粉末燒結製成的多孔性材料濾芯之過濾精度為：第一道濾芯過濾孔徑為2 µm，可過濾水中雜質，過濾後水中顆粒約10至20萬顆；及第二道濾芯過濾孔徑為0.2 µm，可過濾掉細菌等級，過濾後水中顆粒僅數千個。過濾水流量為1公斤至2公斤水壓範圍內，每分鐘為6公升之流量。濾芯與管蓋採法蘭接合，容易拆解，可手動清洗濾芯，定期清洗免換濾芯，可長久使用。

第一道濾芯為純鈦粉末燒結濾芯，其於濾芯殼體內部鍍膜奈米薄膜銀粒子，作為水處理滅菌器，與紫外光照射，達成雙重滅菌作用。第二道濾芯為純鈦粉末燒結濾芯，由於鈦具有無磁性的特性，不與其他金屬產生共振，在純鈦基材料之濾芯殼體內部鍍膜奈米薄膜金粒子，作為表面電漿共振腔體。

本發明所使用之冷陰極防水石英燈管裝置包括：冷陰極紫外光波長265 nm燈管，配置於進水口端的第一道濾芯內部；冷陰極紫外光波長380 nm燈管，配置於管狀殼體內部；及冷陰極綠光波長532 nm燈管，配置於出水口端的第二道濾芯內部。

本發明水處理設備另配置有電源DC 24V，及流量監測之電磁感應閥。配置於濾芯內部之電磁感應閥設定為水壓小於1公斤時提醒清洗；配置於管狀殼體內部之電磁感應閥設定為水壓小於0.5公斤時提醒清洗。

根據本發明之一具體例，其為整合純鈦材料及應用技術之水處理設備，具備過濾、滅菌、除氯、除重金屬、除水垢、產氫、及小分子化等多功能於一體，所產出的淨水達到生飲等級，並為含氫小分子水。管狀殼體與濾芯殼體都經過加熱至400℃高溫熱氧化，形成金黃色氧化鈦膜40 µm，濾芯殼體內鍍有金屬薄膜，其中第一道濾芯內部鍍有銀粒子，作為光觸媒反應器，產生光觸媒反應及滅菌作用；第二道濾芯內部鍍有金粒子，作為電漿共振反應器，金粒子與綠光光源共振，將水小分子化。經兩道濾芯可有效過濾水中雜質、細菌，及去除重金屬及水垢等。紫外光波長265 nm照射濾芯內二氧化鈦及鍍銀粒子亦可形成光觸媒反應器，產生滅菌、除氯及產氫作用；綠光LED波長532 nm與濾芯內鍍金粒子10 nm形成電漿共振腔，可使水小分子化。

根據本發明水處理設備10之一具體例，參照圖2之組裝分解圖。水處理設備10所設計之構造為圓形管狀，為沿著橫向軸線延伸以臥式平放，兩端各具有一管蓋，與管狀殼體20接合。管狀殼體的長度為60至80公分長，外徑8至12公分，殼體厚度為0.1至0.5公分。管狀殼體之容置空間中於兩端各安裝一濾芯，濾芯長度為10至30公分，內徑為5至7公分，濾芯殼體厚度為約0.1公分，鈦粉末燒結厚度為約100 µm，濾芯為單開口型式，開口端可使用螺牙與兩端之管蓋接合。第一道濾芯50係通過水管轉接頭70與進水口接合，為初過濾，孔徑為2至5 µm，向濾芯殼體內部進水，由內向濾芯殼體外溢出至管狀殼體之容置空間中；第二道濾芯60係通過水管轉接頭70與出水口接合，為超濾過濾，孔徑為約0.2 µm，管狀殼體之容置空間中經初過濾的水，由第二道濾芯的濾芯殼體外進入內部，並流入出水口出水。管狀殼體中央位置設有一側管30，用於裝置UV-A波長380 nm之紫外光燈管，燈管外包覆石英管，經由該側管30以垂直於該管狀殼體20的方向插入管狀殼體中；第一道濾芯50的濾芯殼體內裝置波長254至265 nm之紫外燈管，紫外光與濾芯殼體內氧化鈦與銀粒子係作為光觸媒反應器，同時具有滅菌、吸附氯及產氫的作用；第二道濾芯60的濾芯殼體內裝置波長532 nm之綠光燈管，綠光與濾芯殼體內的金粒子產生電漿共振，將其中的水小分子化。管狀殼體20兩端之管蓋係由二片鈦板加工製成，如法蘭盤型式，其例如為八角形，藉由複數個鈦製螺栓固定，例如為4個、6個或8個長約5公分的鈦製螺栓；第一法蘭盤40a係經由其中央通孔及朝向該管狀殼體側之凸緣以螺牙連接至該濾芯開口，及第二法蘭盤40b係經由其中央通孔以螺牙連接至進水口端或出水口端之水管轉接頭70、紫外燈管電源接頭、及水平管80。於濾芯（50及60）與第一法蘭盤40a、第二法蘭盤40b與水管轉接頭70、水管轉接頭70與水平管80之間分別具有O型環（90及100）使組件接合更緊密。

此外，本發明之水處理設備中另可配置相關模組化組件，包括：漏水斷路器、水流量計、紫外光燈及LED綠光燈電源適配器等。

根據本發明水處理設備10之另一具體例，參照圖3之組裝分解圖。UV-A波長380 nm之紫外光燈管係以石英管110包覆，其經由管狀殼體20中央的側管，以垂直於該管狀殼體的方向，藉由矽膠環將該石英管110設置於管狀殼體20之容置空間，並以套管120、螺栓130、墊片140將石英管110固定至該管狀殼體中。

本發明之另一態樣係自來水通過上述水處理設備產生「鈦電漿氫水」之淨水製程，其包括：第一步驟：過濾與滅菌的雙重作用自來水從進水口導入孔徑2 µm之第一道濾芯，在第一道濾芯內部產生內壓，由內往外通過濾芯過濾，過濾後水中顆粒雜質為20萬至30萬顆粒單位，同時水流在波長265 nm之紫外線照射下滅菌，並與在濾芯殼體內部的銀粒子鍍膜接觸，強化滅菌作用。第二步驟：二氧化鈦光觸媒除污除氯產氫經第一步驟處理後的水進入管狀殼體之容置空間中，純鈦材料製成之管狀殼體經高溫400℃熱氧化處理，形成含有半導體二氧化鈦光觸媒之氧化膜，經波長380 nm之紫外線照射下進行光催化反應，除去水中氯氣、分解污染物、及產生氫氣。第三步驟：表面電漿共振產氫小分子化經第二步驟處理後的水經外壓作用，從第二道濾芯之殼體外部進入濾芯內部，第二道濾芯之孔徑為0.2 µm，可過濾掉細菌等級之顆粒，過濾後水中顆粒僅剩數千顆粒單位，達到生飲等級，同時經第二道濾芯內波長532 nm之綠光照射與濾芯殼體內部鍍膜的金粒子進行表面電漿共振作用，將水小分子化改質，並產出更多氫水，提高飲水的機能性效果。

雖然本發明已參照較佳具體例及舉例性附圖敘述如上，惟其應不被視為係限制性者。熟悉本技藝者對其形態及具體例之內容做各種修改、省略及變化，均不離開本發明之申請專利範圍之所主張範圍。

10:水處理設備

20:管狀殼體

30:側管

35:波長380 nm之紫外燈管

40a:第一法蘭盤

40b:第二法蘭盤

50:第一道濾芯

55:波長265 nm之冷陰極紫外光滅菌器

60:第二道濾芯

65:波長532 nm之冷陰極綠光表面電漿共振反應器

70:水管轉接頭

80:水平管

90:O型環

100:O型環

110:石英管

120:套管

130:螺栓

140:墊片

圖1A及圖1B係表示本發明水處理設備之一具體例之剖面示意圖。圖2係表示本發明水處理設備之一具體例中各組件之組裝分解圖。圖3係表示本發明水處理設備之另一具體例中各組件之組裝分解圖。