TWI647441B - 水樣總有機碳含量的分析設備及其分析方法 - Google Patents

Abstract

一種水樣總有機碳含量分析設備及其分析方法，可以透過UV光的光照與催化劑的催化，讓氧氣與水樣反應生成氫氧自由基，而透過氫氧自由基氧化水樣中的有機物，藉以準確分析水樣中總有機碳的含量。

Description

水樣總有機碳含量的分析設備及其分析方法

本發明係有關於一種分析設備及其分析方法，更詳而言之，是一種可針對水樣總有機碳含量進行分析的分析設備及其分析方法。

隨著人們對環境的重視，各國政府對污廢水等水樣的總有機碳(TotalOrganicCarbon，簡稱TOC)含量都進行規範，以減少污廢水對環境的污染，也因此業界的總有機碳分析設備被廣泛使用，以對水樣中的總有機碳含量進行分析。總有機碳分析設備，通常會將水樣中的有機物氧化，而利用非分散式紅外線分析儀(Non-Dispersion Infrared Analyzer，簡稱NDIR)，測得水樣中的總有機碳濃度。

要將水樣中的有機物氧化的方法至少包含有以下三種：高溫燃燒法、UV過硫酸鹽法與二階段式高級氧化法。針對高溫燃燒法，一般是讓水樣中的有機物於高溫爐壁上氧化，然如此會導致高溫爐壁上殘留物質，而衍生清洗困難等被人所詬病的問題。針對UV過硫酸鹽法，一般是藉由UV光活化過硫酸鹽以產生氫氧自由基，而對水樣中的有機物進行氧化，然，當水樣中氯離子(Cl-)濃度超過0.5%時，氫氧自由基的產生就會受到抑制，且當水樣的濁度較高時，UV光可能會受到阻擋，使得過硫酸鹽的活化不足，如此導致水樣中的有機物無法完全氧化，使得水樣中總有機碳含量的分析失準。針對二階段式高級氧化法，一般是透過鹼藥劑(NaOH)的加入而將水樣中的有機物氧化成二氧化碳，然後藉由二氧化碳的量測數據，而分析水樣中的總有機碳含量，然鹼藥劑中原本就會溶解二氧化碳，故鹼藥劑的使用會有非屬於有機物氧化的二氧化碳，而干擾水樣中總有機碳含量的分析。

有鑑於上述，如何解決上述的種種問題，使水樣中的有機物能夠順利完成氧化，而提升分析水樣中總有機碳含量的準確性，即為本案發明主要的技術思想。

鑒於上述先前技術之種種問題，本發明係提供一種水樣總有機碳含量的分析設備，係使用非分散式紅外線分析儀分析水樣的揮發性有機碳含量，係包括：設備本體、水樣導入模組、氧氣提供模組與UV光提供模組。設備本體的內部具有溶液空間。水樣導入模組係連通溶液空間，俾將水樣導入溶液空間中。氧氣提供模組係連通溶液空間，俾對水樣提供氧氣而釋出水樣中的揮發性有機物。UV光提供模組係接收水樣釋出的揮發性有機物，俾對揮發性有機物提供UV光，而透過UV光的光照讓揮發性有機物反應生成二氧化碳，而供非分散式紅外線分析儀分析該水樣中的揮發性有機碳含量。

另外，本發明還提供一種水樣總有機碳含量的分析設備，係使用非分散式紅外線分析儀分析水樣的非揮發性有機碳含量，係包括：設備本體、水樣導入模組、藥劑提供模組、氧氣提供模組以及UV光提供模組。設備本體的內部具有一溶液空間。水樣導入模組係連通溶液空間，俾將水樣導入溶液空間中。藥劑提供模組係連通溶液空間，並對水樣提供包含催化劑的藥劑而形成第一溶液，其中，催化劑係包含過渡金屬離子。氧氣提供模組係對第一溶液提供氧氣而形成第二溶液。UV光提供模組係接收第二溶液，俾對第二溶液提供UV光，而透過UV光的光照與催化劑的催化，讓氧氣與水樣反應生成氫氧自由基，而透過氫氧自由基氧化第二溶液中水樣的非揮發性有機物以生成二氧化碳，而供非分散式紅外線分析儀分析水樣中的非揮發性有機碳含量。

可選擇性地，在本發明的分析設備中，UV光提供模組係對第二溶液提供波長介於100至200nm之間與200至280nm之間的UV光，讓氧氣與水樣反應生成氫氧自由基。

可選擇性地，在本發明的分析設備中，氧氣提供模組還對第二溶液提供氧氣，迫使二氧化碳朝非分散式紅外線分析儀流動，藉以分析水樣中的非揮發性有機碳含量。

可選擇性地，在本發明的分析設備中，藥劑提供模組所提供的藥劑還包含酸劑，以令水樣的PH值小於1，使水樣中的無機碳酸化而生成二氧化碳，並由氧氣提供模組所提供的氧氣排除二氧化碳，藉以排除水樣中的無機碳。

可選擇性地，在本發明的分析設備中，還包括純水提供模組，純水提供模組係連通溶液空間，以對溶液空間提供純水，而對溶液空間的水樣進行稀釋，以調整溶液空間水樣的濃度至適當值。

可選擇性地，在本發明的分析設備中，設備本體還包括底部排液模組、過量排液模組、定量排液模組與溶液定量儲存模組。底部排液模組係連通溶液空間的底部，俾自溶液空間的底部，排出溶液空間中的溶液。過量排液模組係連通溶液空間，俾排出溶液空間中過量的溶液。定量排液模組係連通溶液空間，俾排出溶液空間中部分的溶液。溶液定量儲存模組係連通溶液空間，俾將溶液空間中定量的溶液儲存。

再者，本發明還提供一種水樣總有機碳含量的分析方法，係包括以下步驟：(i)提供一水樣；(ii)提供一藥劑，以製備包含該水樣及該藥劑之第一溶液，其中，該藥劑係包含催化劑，而該催化劑係包含過渡金屬離子；(iii)在步驟(ii)期間或之後的任何時間，在該第一溶液中加入氧氣以形成第二溶液；以及(iv)在步驟(iii)期間或之後的任何時間，對該第二溶液提供UV光，而使該第二溶液反應生成氫氧自由基，而透過該氫氧自由基氧化該第二溶液中水樣的非揮發性有機物而生成二氧化碳，藉以分析該水樣中的總有機碳含量。

可選擇性地，在本發明的分析方法中，在步驟(i)期間或步驟(ii)期間之前的任何時間，在該水樣中加入酸劑，以令該水樣的PH值小於1，使該水樣中的無機碳酸化而生成二氧化碳，藉以排除該水樣中的無機碳。

可選擇性地，在本發明的分析方法中，在步驟(iv)期間或之後的任何時間，在該第二溶液中加入氧氣，迫使由該水樣的非揮發性有機物氧化所生成二氧化碳離開該第二溶液，藉以分析該水樣中的非揮發性有機碳含量。

另外，本發明還提供一種水樣總有機碳含量的分析方法，係包括以下步驟：(i)提供一水樣；以及(ii)在該水樣中加入氧氣以釋出該水樣中的揮發性有機物，而後對該揮發性有機物提供UV光，而讓該揮發性有機物反應生成二氧化碳，藉以分析該水樣中的揮發性有機碳含量。

相較於先前技術，本發明的水樣總有機碳含量分析設備及其分析方法，係透過UV光的光照與催化劑的催化，讓氧氣與水樣反應生成臭氧進而生成氫氧自由基，而後藉由氫氧自由基氧化水樣中的有機物，使得水樣中的有機物能夠順利完成氧化，藉以分析水樣中總有機碳的含量，可解決先前技術中，採用高溫燃燒法氧化有機物的高溫爐壁清洗困難等問題，採用UV過硫酸鹽法氧化有機物的受到氯離子抑制等問題，採用二階段式高級氧化法氧化有機物的鹼藥劑干擾等問題。

以下內容將搭配圖式，藉由特定的具體實施例說明本發明之技術內容，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不背離本發明之精神下，進行各種修飾與變更。尤其是，於圖式中各個元件的比例關係及相對位置僅具示範性用途，並非代表本發明實施的實際狀況。

本發明係提供一種水樣總有機碳含量分析設備及其分析方法，可以透過UV光的光照讓水樣中的揮發性有機物氧化，藉以分析水樣中的揮發性有機碳含量，還可以透過UV光的光照與催化劑的催化，讓氧氣與水樣反應生成氫氧自由基(OH．)，而透過氫氧自由基氧化水樣中的非揮發性有機物，藉以準確分析水樣中總有機碳(Total Organic Carbon，簡稱TOC)的含量。針對本發明的技術思想，以下係參照本發明圖式中圖1至圖6揭示的內容進行例示說明：

本發明的水樣總有機碳含量的分析設備1，係使用非分散式紅外線分析儀2來分析水樣中的總有機碳含量。本發明的水樣總有機碳含量的分析設備1係具有設備本體11、水樣導入模組12、藥劑提供模組13、反應管路模組14、待氧化液提供模組15、UV光提供模組16、氧氣提供模組17、揮發性有機物提供模組18以及純水提供模組19。

設備本體11的內部具有用於容納液體的溶液空間111。水樣導入模組12係具有管路而連通溶液空間111，俾將水樣導入溶液空間111中以進行總有機碳含量的分析。另外，本發明的設備本體11還可設置底部排液模組112、過量排液模組113、定量排液模組114與溶液定量儲存模組115。底部排液模組112係具有管路連通溶液空間111的底部，俾自溶液空間111的底部，排出溶液空間111中的溶液，進而調整溶液空間111中溶液的容量。過量排液模組113係具有管路連通溶液空間111，俾在水樣總有機碳含量的分析過程中，排出溶液空間111中過量的溶液，以避免溶液空間111中的溶液過量，而影響分析設備1的正常運行。定量排液模組114係具有管路連通溶液空間111，俾排出溶液空間111中多餘的溶液，使溶液空間111中的溶液具有預定的容量，而使分析設備1的分析條件符合預期。溶液定量儲存模組115係具有管路連通溶液空間111，俾將溶液空間111中預定容量的水樣儲存，以定量本發明分析的水樣，而確保本發明水樣總有機碳含量的分析結果準確。

再者，本發明的設備本體11可設置標準液導入模組116，標準液導入模組116係具有管路連通溶液空間111，俾將包含定量有機物的標準液導入溶液空間111中，以供分析標準液的總有機碳含量，並將分析結果作為本發明分析水樣總有機碳含量的參考。

藥劑提供模組13係具有管路而連通溶液空間111。於本發明中，藥劑提供模組13可對水樣提供包含例如氫離子(H ⁺)的酸劑，以令水樣的PH值小於1，使水樣的無機碳酸化而生成二氧化碳，並由氧氣提供模組17提供的氧氣排除二氧化碳，藉以排除水樣中的無機碳，於本發明的一實施例中，水樣的無機碳酸化而生成二氧化碳的化學反應式，如下：CO ₃ ^2- _(aq)+H ⁺→CO ² _(g)。

再者，藥劑提供模組13還可對水樣提供包含過渡金屬離子的催化劑而形成第一溶液。氧氣提供模組17係具有管路連通溶液空間111，俾對溶液空間111提供氧氣(O2)，以使溶液空間111中的水樣釋出揮發性有機物，還可對第一溶液提供氧氧而形成第二溶液。

純水提供模組19係具有管路連通溶液空間111，可對溶液空間111提供純水，而對溶液空間111的水樣進行稀釋，以調整溶液空間111水樣的濃度至適當值，而提升本發明水樣總有機碳含量分析的準確性。

反應管路模組14係具有管路而連通溶液空間111，可接收水樣所釋出的揮發性有機物，還可藉由待氧化溶液提供模組15接收溶液空間中的第二溶液。UV光提供模組16係設置於反應管路模組14中，俾可提供波長介於100至200nm之間與200至280nm之間的UV光，而可氧化水樣所釋出的揮發性有機物，還可讓第二溶液中的催化劑、氧氣與水樣反應生成臭氧（O ₃）進而生成氫氧自由基（OH．），以透過氫氧自由基氧化第二溶液中水樣的非揮發性有機物而生成二氧化碳，於本發明的一實施例中，臭氧與水樣反應生成氫氧自由基(OH．)的化學反應式，如後：O ₃+H ₂O→2OH．+O ₂；第二溶液中水樣的有機物氧化的化學反應式，如後：CxHy _(aq)+(O ₃+OH．)→CO ₃ ^2- _(aq)。

應說明的是，本發明催化劑所添加的過渡金屬離子可以促進氫氧自由基的生成，進而提升氫氧自由基在第二溶液中的濃度，而確保水樣中的非揮發性有機物可以氧化生成二氧化碳。因此，本發明不需要加入額外的鹼藥劑，故可大幅降低藥劑的製備難度，也不會有額外的二氧化碳干擾，如此，可以縮短水樣中總有機碳含量的分析時間。再者，本發明也不需要經由過硫酸鹽產生氫氧自由基氧化有機物，故可解決氯離子干擾的問題，且有機物濃度超過偵測範圍時，偵測值也不會降低。

應說明的是，本發明的氧氣提供模組17所提供的氧氣，還可迫使溶液空間111中水樣非揮發性有機物氧化後的二氧化碳流向非分散式紅外線分析儀2，以提供非分散式紅外線分析儀2分析水樣中的總有機碳含量。較佳地，如圖1所示，本發明的分析設備1還針對流向非分散式紅外線分析儀2的流體，提供有氣液分離模組3與冷卻模組4，以藉由氣液分離模組3阻隔液體流向非分散式紅外線分析儀2，還藉由冷卻模組4冷卻流向非分散式紅外線分析儀2的氣體的溫度，俾令非分散式紅外線分析儀2能有效對流體的成分進行分析。

關於冷卻模組4，應說明的是，冷卻模組4係可吸收外界冷卻氣流而提供冷卻功能，甚至還可以對UV光提供模組16提供冷卻氣流，而避免UV光提供模組16高溫而毀壞，俾增加UV光提供模組16的使用壽命。

針對本發明水樣總有機碳含量的分析方法，如圖6所示，於步驟S11的執行過程中，提供水樣。於步驟S12的執行過程中，製備包含水樣及藥劑之第一溶液，如圖3所示，溶液定量儲存模組115係具有管路連通溶液空間111，俾將溶液空間111中預定容量的第一溶液儲存，以定量本發明分析的第一溶液。較佳地，第一溶液所包含的藥劑係包含催化劑，而催化劑係包含過渡金屬離子。

另外，由於所提供的水樣可能包含無機碳，於步驟S11的執行期間或步驟S12期間之前的任何時間，如圖2所示，藥劑還可具有包含例如氫離子(H ⁺)的酸劑，以令水樣的PH值小於1，使水樣中的無機碳酸化而生成二氧化碳，藉以排除水樣中的無機碳，而避免水樣中的無機碳影響水樣總有機碳含量的分析。惟，水樣中無機碳的排除方式不以上述內容為限。

接著，於步驟S12的執行期間或之後的任何時間執行步驟S13，在第一溶液中加入氧氣以形成第二溶液。而後，於步驟S13期間或之後的任何時間執行步驟S14，如圖4所示，令待氧化溶液提供模組15，將第二溶液提供給UV光提供模組16，讓UV光提供模組16對第二溶液提供UV光，而使第二溶液反應生成氫氧自由基(OH．)，而透過氫氧自由基氧化第二溶液中水樣的非揮發性有機物以生成二氧化碳，藉以分析水樣中的非揮發性有機碳含量，一般而言，水樣中的揮發性有機碳含量會遠小於非揮發性有機碳含量，因而水樣中的非揮發性有機碳含量的分析結果，可用來判斷水樣總有機碳含量。

於本發明中，在步驟S14的期間或之後的任何時間，如圖5所示，可令氧氣提供模組17對第二溶液提供氧氣，而迫使第二溶液中氧化而生成的二氧化碳流出溶液空間111，依據經由氣液分離模組3與冷卻模組4而進入非分離式紅外線分析儀2，以對水樣中的非揮發性有機碳含量進行分析。

另外，本發明水樣總有機碳含量的分析方法，由於所分析的水樣可能包含揮發性有機碳，在進行非揮發性有機碳含量分析之前，還包含有分析水樣中揮發性有機碳含量的步驟。如圖7所示，於步驟S21的執行過程中，提供水樣，由於所提供的水樣可能包含揮發性有機碳，於步驟S22的執行過程中，如圖1所示，在水樣中加入氧氣以釋出水樣中的揮發性有機物，而後，於步驟S23的執行過程中，透過揮發性有機物提供模組18，將水樣中所釋出的揮發性有機物提供給UV光提供模組16，使UV光提供模組16對揮發性有機物提供UV光，而讓揮發性有機物氧化而生成二氧化碳，藉以分析水樣中的揮發性有機碳含量。

綜上所述，本發明的水樣總有機碳含量分析設備及其分析方法，係透過氫氧自由基氧化水樣中的非揮發性有機物，故可解決高溫燃燒法中的高溫爐壁清洗困難問題，也可解決UV過硫酸鹽法中，氯離子抑制氫氧自由基產生的問題，亦可解決二階段式高級氧化法中，鹼藥劑中溶解二氧化碳而干擾水樣中非揮發性有機碳含量分析的問題，此外還可以透過UV光氧化水樣中的揮發性有機物，是以，本發明可針對水樣中的總有機碳含量進行分析。

上述實施例僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技術之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如本發明申請專利範圍所列。

1‧‧‧水樣總有機碳含量的分析設備

11‧‧‧設備本體

111‧‧‧溶液空間

112‧‧‧底部排液模組

113‧‧‧過量排液模組

114‧‧‧定量排液模組

115‧‧‧溶液定量儲存模組

12‧‧‧水樣導入模組

13‧‧‧藥劑提供模組

14‧‧‧反應管路模組

15‧‧‧待氧化溶液提供模組

16‧‧‧UV光提供模組

17‧‧‧氧氣提供模組

18‧‧‧揮發性有機物提供模組

19‧‧‧純水提供模組

2‧‧‧非分散式紅外線分析儀

3‧‧‧氣液分離模組

4‧‧‧冷卻模組

S11~S14‧‧‧步驟

S21~S23‧‧‧步驟

圖1，係本發明水樣總有機碳含量的分析設備之執行分析水樣中的揮發性有機碳含量的示意圖。

圖2，係本發明水樣總有機碳含量的分析設備之執行排除水樣中的無機碳的示意圖。

圖3，係本發明水樣總有機碳含量的分析設備之執行分析水樣中的非揮發性有機碳含量的第一狀態示意圖。

圖4，係本發明水樣總有機碳含量的分析設備之執行分析水樣中的非揮發性有機碳含量的第二狀態示意圖。

圖5，係本發明水樣總有機碳含量的分析設備之執行分析水樣中的非揮發性有機碳含量的第三狀態示意圖。

圖6，係本發明水樣總有機碳含量的分析方法的第一流程示意圖。

圖7，係本發明水樣總有機碳含量的分析方法的第二流程示意圖。

Claims (10)

1. 一種水樣總有機碳含量的分析設備，係使用一非分散式紅外線分析儀分析一水樣的非揮發性有機碳含量，係包括：一設備本體，該設備本體的內部具有一溶液空間；一水樣導入模組，該水樣導入模組係連通該溶液空間，俾將該水樣導入該溶液空間中；一藥劑提供模組，該藥劑提供模組係連通該溶液空間，並對該水樣提供包含催化劑的藥劑而形成第一溶液，其中，該催化劑係包含過渡金屬離子；一氧氣提供模組，該氧氣提供模組係對該第一溶液提供氧氣而形成第二溶液；以及一UV光提供模組，該UV光提供模組係接收該第二溶液，俾對該第二溶液提供UV光，而透過該UV光的光照與該催化劑的催化，讓該氧氣與該水樣反應生成氫氧自由基，而透過該氫氧自由基氧化該第二溶液中水樣的非揮發性有機物以生成二氧化碳，而供該非分散式紅外線分析儀分析該水樣中的非揮發性有機碳含量，其中，該水樣中的非揮發性有機碳含量的分析結果，係用來判斷水樣總有機碳含量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之分析設備，還使用該非分散式紅外線分析儀分析該水樣的揮發性有機碳含量，其中：該氧氣提供模組係連通該溶液空間，俾對該水樣提供氧氣而釋出該水樣中的揮發性有機物；以及 該UV光提供模組還接收該水樣釋出的揮發性有機物，俾對該揮發性有機物提供UV光，而透過該UV光的光照讓該揮發性有機物反應生成二氧化碳，而供該非分散式紅外線分析儀分析該水樣中的揮發性有機碳含量。
3. 如申請專利範圍第1項所述之分析設備，其中，該UV光提供模組係對該第二溶液提供波長介於100至200nm之間與200至280nm之間的UV光；該藥劑提供模組所提供的藥劑還包含酸劑，以令該水樣的PH值小於1，使該水樣中的無機碳酸化而生成二氧化碳，並由該氧氣提供模組所提供的氧氣排除該二氧化碳，藉以排除該水樣中的無機碳。
4. 如申請專利範圍第1項所述之分析設備，其中，該氧氣提供模組還對該第二溶液提供氧氣，迫使該二氧化碳朝該非分散式紅外線分析儀流動，藉以分析該水樣中的非揮發性有機碳含量。
5. 如申請專利範圍第1項所述之分析設備，還包括一純水提供模組，該純水提供模組係連通該溶液空間，以對該溶液空間提供純水，而對該溶液空間的水樣進行稀釋，以調整該溶液空間水樣的濃度至適當值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之分析設備，其中，該設備本體還包括一底部排液模組、一過量排液模組、一定量排液模組與一溶液定量儲存模組；該底部排液模組係連通該溶液空間的底部，俾自該溶液空間的底部，排出該溶液空間中的溶液；該過量排液模組係連通該溶液空間，俾排出該溶液空間中過量的溶液；該定量排液模組係連通該溶液空間，俾排出該溶液空間中部分的溶液；該溶液定量儲存模組係連通該溶液空間，俾將該溶液空間中定量的溶液儲存。
7. 一種水樣總有機碳含量的分析方法，係包括以下步驟： (i)提供一水樣；(ii)提供一藥劑，以製備包含該水樣及該藥劑之第一溶液，其中，該藥劑係包含催化劑，而該催化劑係包含過渡金屬離子；(iii)在步驟(ii)期間或之後的任何時間，在該第一溶液中加入氧氣以形成第二溶液；以及(iv)在步驟(iii)期間或之後的任何時間，對該第二溶液提供UV光，而使該第二溶液反應生成氫氧自由基，而透過該氫氧自由基氧化該第二溶液中水樣的非揮發性有機物而生成二氧化碳，藉以分析該水樣中的總有機碳含量。
8. 如申請專利範圍第7項所述之分析方法，其中，在步驟(i)期間或步驟(ii)期間之前的任何時間，在該水樣中加入酸劑，以令該水樣的PH值小於1，使該水樣中的無機碳酸化而生成二氧化碳，藉以排除該水樣中的無機碳。
9. 如申請專利範圍第7項所述之分析方法，其中，在步驟(iv)期間或之後的任何時間，在該第二溶液中加入氧氣，迫使由該水樣的非揮發性有機物氧化所生成二氧化碳離開該第二溶液，藉以分析該水樣中的非揮發性有機碳含量。
10. 如申請專利範圍第7項所述之分析方法，其中，還包括以下步驟：在該水樣中加入氧氣以釋出該水樣中的揮發性有機物，而後對該揮發性有機物提供UV光，而讓該揮發性有機物反應生成二氧化碳，藉以分析該水樣中的揮發性有機碳含量。