TWI804074B - 隔離膜構件及具有隔離膜構件的氣體捕捉裝置 - Google Patents

隔離膜構件及具有隔離膜構件的氣體捕捉裝置 Download PDF

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Abstract

一種隔離膜構件及具有隔離膜構件的氣體捕捉裝置，隔離膜構件包含：至少一半透膜層、一硝酸溶液層及一固定部，半透膜層允許氣體通過，硝酸溶液層披覆於半透膜層，固定部設置於半透膜層的外圍。本發明還提供一種氣體捕捉裝置，具有一第一瓶體、連接管路及前述的隔離膜構件。本發明的隔離膜構件及具有隔離膜構件的氣體捕捉裝置可防止金屬與大顆的氣膠逃逸，使氣體通過變困難，因而促進氣體捕捉的反應速率。

Description

隔離膜構件及具有隔離膜構件的氣體捕捉裝置
本發明係關於一種隔離膜構件及具有隔離膜構件的氣體捕捉裝置，更特別的是關於一種高效且精準的隔離膜構件及具有隔離膜構件的氣體捕捉裝置。
工業用的氣體無論是反應前或反應後，皆需要進行成份測量，特別是確認氣體中是否夾帶對環境會產生污染的重金屬或不溶解的奈米顆粒。因此需要取一段氣體作為樣品以捕捉其所含的重金屬或奈米顆粒，再利用感應耦合電漿質譜儀(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS)等儀器測定所捕捉到的物質的成分。
然而，樣品氣體中含有未知成分，與捕捉用溶液(例如氫氟酸溶液)可能產生劇烈反應，以至測定實驗並不安全。若為了安全考量改以減壓的方式混合樣品氣體與捕捉用溶液，則可能混合不充分，待捕捉成分未與捕捉用溶液產生反應即逃逸，則導致分析不準確。
因此，為解決習知的氣體捕捉裝置的種種問題，本發明提出一種高效且精準的隔離膜構件及具有隔離膜構件的氣體捕捉裝置。
為達上述目的及其他目的，本發明提出一種隔離膜構件，其包含：至少一半透膜層，該半透膜層允許氣體通過；一硝酸溶液層，披覆於該半透膜層；以及一固定部，設置於該半透膜層的外圍。
於本發明之一實施例中，該硝酸溶液層為王水。
於本發明之一實施例中，該半透膜層為PFA半透膜。
於本發明之一實施例中，該半透膜層的數量為二，該硝酸溶液層設置於該二半透膜層之間。
本發明又提出一種氣體捕捉裝置，其包括：一第一瓶體，具有一第一容室及連通該第一容室的一第一進氣口及一第一出氣口；一連接管路，一端連通該第一出氣口；以及如前所述之隔離膜構件，該固定部連接於該第一瓶體的內壁。
於本發明之一實施例中，該固定部具有一穿孔，該第一瓶體的一進氣管路貫穿該穿孔。
於本發明之一實施例中，更包括一氣體稀釋器，設置於該第一進氣口，該氣體稀釋器包括一樣品氣體輸送管路及一保護氣體輸送管路，該保護氣體輸送管路的末端位於該第一容室中，該樣品氣體輸送管路的末端位於該保護氣體輸送管路中。
藉此，本發明的隔離膜構件僅允許氣體通過，防止金屬與大顆的氣膠逸出，硝酸溶液層還可進一步捕捉易揮發的元素，故可有效而精準地執行氣體捕捉，提高氣體捕捉的反應速率。
100:氣體捕捉裝置
1:第一瓶體
11:第一容室
12:第一進氣口
13:第一出氣口
2:第二瓶體
21:第二容室
22:第二進氣口
23:第二出氣口
3:連接管路
4:氣體稀釋器
41:保護氣體輸送管路
411:保護氣體輸送管路的末端
411a:保護氣體輸送管路的末端
41a:保護氣體輸送管路
42:樣品氣體輸送管路
421:樣品氣體輸送管路的末端
421a:勻氣室
42a:樣品氣體輸送管路
4a:氣體稀釋器
5:隔離膜構件
51:半透膜層
52:硝酸溶液層
53:半透膜層
54:固定部
541:穿孔
61:外管
62:恆溫構件
63:保溫管
64:清潔氣體輸送管路
7:取樣構件
71:控制單元
72:控制閥
721:上游控制閥
722:下游控制閥
73:U形管
74:測重單元
75:溫度控制單元
76:液面高度偵測單元
8:勻氣構件
a:距離
b:距離
圖1係為根據本發明實施例之氣體捕捉裝置之示意圖。
圖2A係為根據本發明實施例之隔離膜構件之立體示意圖。
圖2B係為根據本發明實施例之隔離膜構件之組裝示意圖。
圖3係為根據本發明另一實施例之氣體稀釋器之示意圖。
為充分瞭解本發明，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明。本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的目的、特徵及功效。須注意的是，本發明可透過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，在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的申請專利範圍。說明如後：如圖1所示，本發明實施例之氣體捕捉裝置100，其包含：一第一瓶體1、一連接管路3及一氣體稀釋器4。
第一瓶體1具有一第一容室11及連通第一容室11的一第一進氣口12及一第一出氣口13。第一瓶體1較佳為氣密瓶，例如是台灣專利號I586588的自我壓力密封蓋與瓶身之結合。這樣的氣密瓶可以防止氣體不預期地外洩，且結構輕巧、組裝方便。
氣體捕捉裝置100還可以選擇性地包括一第二瓶體2。相似地，第二瓶體2具有一第二容室21及連通第二容室21的一第二進氣口22及一第二出 氣口23。第二瓶體2亦較佳為氣密瓶，例如是台灣專利號I586588的自我壓力密封蓋與瓶身之結合。這樣的氣密瓶可以防止氣體不預期地外洩，且結構輕巧、組裝方便。在本實施例中，第二瓶體2用於容置來自第一瓶體1的氣體，故在其他實施例中第二瓶體2為非必要，第二出氣口23也為非必要。在其他實施例中，第二瓶體2可不具有第二出氣口23，而僅具有第二進氣口22。
連接管路3一端連通第一出氣口13，另一端連通第二瓶體2的第二進氣口22，以使氣體由第一出氣口13進入到第二容室21。
氣體稀釋器4設置於第一進氣口12。氣體稀釋器4包括一樣品氣體輸送管路42及一保護氣體輸送管路41，保護氣體輸送管路41的末端411位於第一容室11中，樣品氣體輸送管路42的末端421位於保護氣體輸送管路41中，使樣品氣體輸送管路42所輸送的樣品氣體被保護氣體輸送管路41所輸送的保護氣體包覆並稀釋。
在本實施例中，保護氣體輸送管路41所輸送的保護氣體為氬氣，然而本發明不限於此，保護氣體可以為其他惰性氣體或氮氣等化性不活潑之氣體，或上述氣體之組合。
接下來說明本發明的氣體捕捉裝置100如何執行氣體捕捉。
第一瓶體1的第一容室11裝有捕捉用溶液，在本實施例中為氫氟酸溶液，實際上捕捉用溶液的成分可以視捕捉需要而改變。
待捕捉的樣品氣體(以代矽烷樣品為主，為含重金屬的半導體工業用之特殊氣體，然而不限於此)由樣品氣體輸送管路42輸送，同時保護氣體輸送管路41也輸送保護氣體。
如圖1所示，樣品氣體輸送管路42的末端421位於保護氣體輸送管路41中，保護氣體輸送管路41的末端411位於第一容室11中且位於捕捉用溶液的水平面下，因此樣品氣體離開樣品氣體輸送管路42的末端421後先被保護氣體所包覆、稀釋，才進入氫氟酸溶液並反應生成反應混合物。樣品氣體中無法與氫氟酸溶液進行反應的成分才離開液面，由第一出氣口13排出並進入第二瓶體2的第二容室21。
得到的反應混合物的液體是高基質的溶液，可進一步在受控溫度和壓力條件下減壓蒸發，待至接近乾燥的狀態，所剩餘之物可利用ICP-MS分析其成分。
綜上所述，本發明的氣體捕捉裝置100利用保護氣體先行包覆、稀釋樣品氣體，才輸送至捕捉用溶液進行反應，使欲捕捉的重金屬或不溶解的奈米顆粒滯留於捕捉用溶液中。本發明的氣體捕捉裝置100相對先前技術更為安全，且瓶體內為對外氣密且高壓，在保障安全的同時更一併確保效率與準確度。
進一步地，在本發明實施例中，如圖1所示，樣品氣體輸送管路42套於保護氣體輸送管路41中，保護氣體輸送管路41的末端411至第一瓶體1的瓶底的距離為a，樣品氣體輸送管路42的末端421至第一瓶體1的瓶底的距離為b，又a大於零且b>a。如此可使樣品氣體離開樣品氣體輸送管路42時被保護氣體所包覆，且樣品氣體必定先被保護氣體包覆、稀釋才接觸捕捉用溶液。在本發明實施例中，a為1.5公分，b為4公分，然而本發明不限於此，可根據元件的尺寸及配置而相應地調整改變。
進一步地，在本發明實施例中，連接管路3、樣品氣體輸送管路42及保護氣體輸送管路41較佳為鐵氟龍製的硬管，每個管路皆為雙層管，同時兼具化性低與高機械強度的特性，並可防止氣體外洩。
進一步地，在本發明實施例中，第一瓶體1的體積小於第二瓶體2的體積，較佳為第二瓶體2的體積是第一瓶體1的兩倍以上，以使第一瓶體1的壓力增加時，第二瓶體2仍較能維持常態的壓力，使氣體從第一瓶體1自然流向第二瓶體2。
進一步地，在本發明實施例中，第一出氣口13的口徑小於第一進氣口12的口徑。其目的是為了使第一容室11的壓力增加，氣體容易進第一容室11但相對難離開第一容室11。讓氣體與液體多次碰撞才能自第一出氣口13逸出，以提高樣品氣體與捕捉用溶液的反應效率。第一進氣口12所插設之管(圖1中為氣體稀釋器4)的管徑例如為1/8”，則第一出氣口13所插設之管的管徑例如為1/16”。
如圖1至圖2B所示，本發明還提出一種隔離膜構件5，設置於第一容室11中。隔離膜構件5包括至少一半透膜層51及一硝酸溶液層52，硝酸溶液層52披覆於半透膜層51。半透膜層51僅允許氣體通過，金屬與大顆的氣膠不會逸出，硝酸溶液層52還可進一步捕捉易揮發的元素，例如汞、鉛及硼等。半透膜層51較佳為四氟乙烯一全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(Polyfluoroalkoxy，PFA)半透膜，然而本發明不限於此，亦可以為其他種類的半透膜。硝酸溶液層52為含硝酸之溶液，也可以加入其他種類溶液而形成硝酸基底的混合物，例如王水。
本發明提出的隔離膜構件5並不僅限用於氣體捕捉裝置100，也可應用在其他需要防止氣體逃逸的裝置。換句話說，隔離膜構件5可自成一體單獨使用。
進一步地，在本發明實施例中，隔離膜構件5還可進一步包括二半透膜層51、53及一硝酸溶液層52，硝酸溶液層52設置於二半透膜層51、53之間而上下皆被半透膜層所包覆。二半透膜層51、53與硝酸溶液層52的構造可更防止金屬與大顆的氣膠逃逸，使氣體通過變困難，因而導致第一容室11壓力變大而促進捕捉反應的速率。硝酸溶液層52被夾於二半透膜層51、53之間也可提高操作的安全性。
進一步地，在本發明實施例中，如圖2A及圖2B所示，隔離膜構件5還包括至少一固定部54，固定部54連接於第一瓶體1的內壁。固定部54的數量可為至少一(環繞半透膜層51)或為二(設置於半透膜層51的兩側)，或數量為更多，固定部54的數量與形態可視第一瓶體1做調整。
固定部54還具有一穿孔541，保護氣體輸送管路41貫穿穿孔541而延伸至液面下。
如圖3所示，本發明還提出另一種氣體稀釋器4a，其形態異於圖1所示的氣體稀釋器4，可直接替換圖1的氣體稀釋器4。
氣體稀釋器4a包含一保護氣體輸送管路41a、一樣品氣體輸送管路42a及一勻氣構件8。
樣品氣體輸送管路42a的一段為勻氣室421a，勻氣室421a的下游連通一氣體捕捉瓶(即圖1的第一瓶體1)的第一進氣口12。
保護氣體輸送管路41a為沿一方向(如圖箭頭所示)輸送保護氣體的管路，保護氣體輸送管路41a的末端411a連通於勻氣室421a，也就是說，樣品氣體輸送管路42a所輸送的樣品氣體在勻氣室421a中與保護氣體輸送管路41a輸送的保護氣體相混合。
勻氣構件8設置於勻氣室421a中，勻氣構件8可為具有葉片的風扇，可為有動力地主動旋轉加速樣品氣體與保護氣體的混合，也可以是無動力式的，利用保護氣體輸送管路41a穩定地輸送保護氣體作為動力而旋轉。然而本發明不限於此，勻氣構件8可以為其他適於幫助樣品氣體與保護氣體混合的構件。
藉由本發明的氣體稀釋器4a，利用充分混合的保護氣體先行包覆、稀釋樣品氣體，才輸送至捕捉用溶液進行反應，使欲捕捉的重金屬或不溶解的奈米顆粒滯留於捕捉用溶液中。相對先前技術，利用本發明的氣體稀釋器4a更為安全，在保障安全的同時一並確保效率與準確度。
進一步地，在本發明實施例中，勻氣室421a的截面積大於樣品氣體輸送管路42a的其他段，使得勻氣室421a有足夠的空間與時間讓樣品氣體與保護氣體混合、稀釋。
進一步地，在本發明實施例中，保護氣體輸送管路41a的截面積大於樣品氣體輸送管路42a進入勻氣室421a之前的段的截面積，使樣品氣體可以以高壓、少量的方式進入勻氣室421a中，而確實地被保護氣體混合、包覆。較小的截面積也有利於精準控制樣品氣體進入勻氣室421a的總量。
進一步地，在本發明實施例中，氣體稀釋器4a更包括一外管61及一恆溫構件62，外管61包覆勻氣室421a，恆溫構件62位於外管61及勻氣室 421a之間。恆溫構件62用以對勻氣室421a加熱，以增加氣體分子的運動速率及擴散效率。在本實施例中，如圖3所示，恆溫構件62為環形電熱件，然而本發明不限於此，在其他實施例中，恆溫構件62為填充於外管61及勻氣室421a之間的熱液層。熱液層(例如是熱水)經加熱後流入外管61中，以保持勻氣室421a內恆定的溫度。
進一步地，在本發明實施例中，氣體稀釋器4a更包括一保溫管63，保溫管63包覆外管61。保護氣體輸送管路41a及樣品氣體輸送管路42a較佳為鐵氟龍製的硬管，每個管路皆為雙層管，兼具化性低與高機械強度的特性，並可防止氣體外洩。外管61亦為鐵氟龍管，保溫管63則為聚丙烯管，用以保溫隔熱。然而本發明不限於此，在其他實施例中，保溫管63可為其他隔熱材質所製成。
進一步地，在本發明實施例中，氣體稀釋器4a更包括一取樣構件7。取樣構件7包括一控制單元71、一對控制閥72及一連通樣品氣體輸送管路42a的U形管73。
控制閥72包括上游控制閥721及下游控制閥722，分別設置於U形管73的上下游兩端。U形管73的上游連通樣品氣體源，U形管73的下游連通樣品氣體輸送管路42a。上游控制閥721及下游控制閥722用以控制樣品氣體的輸入。
控制單元71分別訊號連接上游控制閥721及下游控制閥722。控制單元71可控制上游控制閥721及下游控制閥722的開啟、關閉，而決定是否輸送樣品氣體至勻氣室421a、以及輸送多少量。控制單元71例如是控制晶片或控制電路。
進一步地，在本發明實施例中，取樣構件7更包括一液面高度偵測單元76及一溫度控制單元75。液面高度偵測單元76及溫度控制單元75分別訊號連接控制單元71，U形管73的底部設置於溫度控制單元75中。溫度控制單元75提供冷浴，以乾冰或其他冷液冷浴U形管73的底部。控制單元71控制上游控制閥721開啟，使樣品氣體輸入至U形管73，樣品氣體在U形管73的底部被冷凝成液體。液面高度偵測單元76偵測液態狀的樣品氣體在U形管73中的高度，並至達到一預設的高度後，控制單元71控制上游控制閥721關閉，並接著控制下游控制閥722開啟、溫度控制單元75升溫使液態狀的樣品氣體全部蒸發回氣態，而輸送至樣品氣體輸送管路42a及勻氣室421a。藉此，可精準地控制樣品氣體進入樣品氣體輸送管路42a的總量。液面高度偵測單元76可以例如是應用光學原理的偵測單元，偵測預設的高度的光學折射/反射變化；也可以是應用浮力原理的偵測單元，當液面升高至預設的高度後使浮球觸發/被觸發，且本發明不限於此，任何一般技術手段的液面高度偵測單元76都可應用於本發明的氣體稀釋器4a。
進一步地，在本發明另一實施例中，取樣構件7更包括一測重單元74。測重單元74訊號連接控制單元71。與前一個實施例的差別在於，不以U形管73的液面高度計算樣品氣體的總量，而改以重量變化精準計算樣品氣體的輸出量。
詳細來說，溫度控制單元75提供冷浴，以乾冰或其他冷液冷浴U形管73的底部。控制單元71控制上游控制閥721開啟，使樣品氣體輸入至U形管73，樣品氣體在U形管73的底部被冷凝。而接著控制單元71控制上游控制閥 721關閉，並控制下游控制閥722開啟，溫度控制單元75升溫而使樣品氣體蒸發，進入樣品氣體輸送管路42a及勻氣室421a。
測重單元74較佳地設置於U形管73的底部，用於量測U形管73重量變化。因此控制單元71藉由測重單元74，可精確地計算有多少樣品氣體進入U形管73並冷凝，以及有多少樣品氣體離開U形管73，從而精確地控制輸入至勻氣室421a的樣品氣體的質量。
本發明在上文中已以實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
5:隔離膜構件
51:半透膜層
52:硝酸溶液層
54:固定部
541:穿孔

Claims (7)

  1. 一種隔離膜構件，其包含：至少一半透膜層，該半透膜層允許氣體通過；一硝酸溶液層，披覆於該半透膜層的重力方向上的上方；以及一固定部，設置於該半透膜層的外圍。
  2. 如請求項1所述之隔離膜構件，其中該硝酸溶液層為王水。
  3. 如請求項1所述之隔離膜構件，其中該半透膜層為PFA半透膜。
  4. 如請求項1所述之隔離膜構件，其中該半透膜層的數量為二，該硝酸溶液層設置於該二半透膜層之間。
  5. 一種氣體捕捉裝置，其包括：一第一瓶體，具有一第一容室及連通該第一容室的一第一進氣口及一第一出氣口；一連接管路，一端連通該第一出氣口；以及如請求項1至4任一項所述之隔離膜構件，該固定部連接於該第一瓶體的內壁。
  6. 如請求項5所述之氣體捕捉裝置，其中該固定部具有一穿孔，該第一瓶體的一進氣管路貫穿該穿孔。
  7. 如請求項5所述之氣體捕捉裝置，更包括一氣體稀釋器，設置於該第一進氣口，該氣體稀釋器包括一樣品氣體輸送管路及一保 護氣體輸送管路，該保護氣體輸送管路的末端位於該第一容室中，該樣品氣體輸送管路的末端位於該保護氣體輸送管路中。
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