高浓度过氧化氢水溶液之处理方法与流程

本发明涉及一种过氧化氢水溶液之处理方法；特别是指一种高浓度过氧化氢水溶液之处理方法。

背景技术：

目前一般在电子业的半导体制程中，过氧化氢(h2o2)为一种常用的化学品。因此在半导体制程中所产生的废水，占有一定比例是高浓度的过氧化氢水溶液，部份过氧化氢水溶液浓度更高达10％以上。由于高浓度过氧化氢水溶液具有较强的反应性及腐蚀性，必须有效降低过氧化氢水溶液浓度，以利于后续储存及其他附属物质回收再利用。

上述化学式中，其反应热可达到98kj/mole，由于会放热衍生高温及产生氧气的特性，因此目前业界无法有效且快速安全处理大量高浓度之过氧化氢水溶液。

现有含过氧化氢排水之处理装置公开一种即使为含有％级的较高浓度的过氧化氢的排水，亦可连续运转且进行安定且有效率的处理之构成简易且较为小型的过氧化氢水处理装置。过氧化氢水处理装置，使被处理水与过氧化氢分解触媒接触，将被处理水中的过氧化氢分解成氧与水而得处理水的过氧化氢水处理装置，其特征为具有：过氧化氢分解反应器，具有被处理水的导入口与处理水的排出口，在内部被填充有过氧化氢分解触媒；及气液分离器，被导入过氧化氢分解反应器的流出水，气液分离器由在上部连接排气配管、在下部连接排水配管的筒状容器所构成，在筒状容器的侧部被导入前述流出水。

案所采用的过氧化氢分解触媒，将铂族金属担载在载体而成。铂族金属为平均粒子径1～50nm之铂族金属的奈米胶体粒子。载体为离子交换树脂。又排水的过氧化氢浓度则为0.1～5重量％。惟该案之处理方式仍只能局限用于浓度较低的过氧化氢水溶液，对于高浓度的过氧化氢水溶液还是一样束手无策。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高浓度过氧化氢水溶液之处理方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高浓度过氧化氢水溶液之处理方法，其中高浓度过氧化氢水溶液为单位体积水中包含有0.5％～36％过氧化氢之水溶液，而该方法所使用之硬设备包括一半批式(semi-batch)反应器，一连设于半批式反应器之冷却统，一连设于半批式反应器之过氧化氢酶储槽以及一连设于半批式反应器之过氧化氢水溶液储槽；高浓度过氧化氢水溶液之处理方法，包括下列步骤：a.于一定容量之半批式反应器内预先置入过氧化氢酶；b.于半批式反应器内持续加入高浓度之过氧化氢水溶液，而形成系统反应溶液；c.系统反应溶液中的高浓度过氧化氢水溶液与过氧化氢酶进行化学反应；以及d.利用冷却系统针对高浓度过氧化氢水溶液与过氧化氢酶进行化学反应之系统反应溶液以循环冷却水进行温度管理。

本发明之上述及其他目的与优点，不难从下述所选用实施例之详细说明与附图中，获得深入了解。

当然，本发明在某些另件上，或另件之安排上容许有所不同，但所选用之实施例，则于本说明书中，予以详细说明，并于附图中展示其构造。

附图说明

图1是本发明高浓度过氧化氢水溶液之处理方法所使用之硬件设备示意图。

图2是本发明半批式反应器之剖视之示意图。

图3是本发明处理过氧化氢水溶液步骤之流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明高浓度过氧化氢水溶液之处理方法之较佳实施例，为避免赘述，下文各较佳实施中所称之高浓度过氧化氢水溶液指单位体积水中包含有0.5％～36％过氧化氢之水溶液；请参阅如图1所示，高浓度过氧化氢水溶液之处理方法所使用之硬设备包括一半批式(semi-batch)反应器1、一连设于半批式反应器1的冷却统2、一连设于半批式反应器1的过氧化氢酶储槽3以及一连设于半批式反应器1的过氧化氢水溶液储槽4。

本发明高浓度过氧化氢水溶液之处理方法之处理方式如下。于一定容量之半批式反应器1内预先置入过氧化氢酶。利用半批式反应器1之内部具有一定容量之特性，其中，过氧化氢酶的添加量为半批式反应器1之容量的0.01vol％至0.1vol％之间(本说明书中vol％之单位指体积百分比)。同时半批式反应器1另外配置有一连接至过氧化氢水溶液储槽4之过氧化氢水溶液输入端11、一系统反应溶液排放端12、一抽气端13、一压力传感器14、一温度传感器15以及一连接至过氧化氢酶储槽3之过氧化氢酶输入端17、过氧化氢浓度传感器18。其中过氧化氢水溶液输入端11，供输入高浓度之过氧化氢水溶液，经与过氧化氢酶混合后而于半批式反应器1中形成系统反应溶液。系统反应溶液排放端12供排放半批式反应器1内经处理后的系统反应溶液(含少量的过氧化氢酶及过氧化氢)。抽气端13则将化学反应过程中所生成之氧气等气体抽离，抽气端13并进一步设置有一释压阀(图中未示)，以防止半批式反应器1内之压力过大而发生危险。压力传感器14随时侦测半批式反应器1内之压力，于侦测到半批式反应器1内之压力达到设定工作压力(预设为14.7psia)之120％时(17.64psia)，压力传感器14会自动控制整个处理程序停止，直到压力降回至预设的安全值时才能以手动(manualreset)方式继续进行处理程序。本发明之较佳实施例中，半批式反应器1内部较佳之工作温度范围为15℃～45℃。温度传感器15则随时侦测半批式反应器1内之温度，当温度传感器15侦测到半批式反应器1内之温度达到设定温度之120％时，会自动控制整个处理程序停止，直到温度降回至安全值时才能以手动覆归(manualreset)方式继续进行处理程序。例如设定温度为30℃当温度传感器15侦测到半批式反应器1内部之温度达36℃时，系统即会自动停止所有处理程序。过氧化氢浓度传感器18，藉以侦测半批式反应器1内之过氧化氢浓度，当半批式反应器1内之过氧化氢浓度达到0.25％时(较佳的浓度控制在0.125％以下)，过氧化氢浓度传感器18会自动控制整个处理程序停止。请参阅如图1与图2所示，半批式反应器1进一步设置有一系统反应溶液出口162以及一系统反应溶液入口161，系统反应溶液出口162与系统反应溶液入口161通过一循环管路163互相连通，其中循环管路163设置于冷却系统2中。系统反应溶液出口162将高温的系统反应溶液带离半批式反应器1，于循环管路163中经冷却系统2冷却后，再经由系统反应溶液入口161回流进入半批式反应器1中，而于半批式反应器与冷却系统间形成有一系统反应溶液之循环流量。冷却系统2设置有一冷却液入口21以及一冷却液出口22，冷却液入口21将低温(约15℃)的冷却液送入冷却系统2中，而冷却液出口22将冷却系统2中，经热交换升温后之冷却液(约25℃)带离冷却统2。

请进一步参阅如图3所示，本发明之较佳实施例中，处理的过程包含下列步骤：a.于一定容量之半批式反应器1内预先置入过氧化氢酶；b.于半批式反应器1内持续加入高浓度之过氧化氢水溶液，而形成系统反应溶液；c.系统反应溶液中的高浓度过氧化氢水溶液与过氧化氢酶进行化学反应以及d.利用冷却系统2针对高浓度过氧化氢水溶液与过氧化氢酶进行化学反应之系统反应溶液以循环冷却水进行温度管理。其中步骤a之过氧化氢酶的添加量为半批式反应器之容量的0.01vol％至0.1vol％之间，且步骤b之高浓度过氧化氢水溶液的添加量，依半批式反应器之容量以每分钟0.001vol％至2vol％之间的速率进行添加。本发明最大特点在于处理所述高浓度过氧化氢水溶液之前，直接将过氧化氢酶置入半批式反应器1中，而无须先加定量水体于半批式反应器1中，并可于添加高浓度过氧化氢水溶液于半批式反应器1后，即刻开始化学反应，缩短高浓度过氧化氢水溶液之处理时程。上述步骤就反应程序而言上大致上可区分为以下两阶段：

第一阶段：以半批式反应器1内部空间3000公升为例，于半批式反应器1中预先加入2公升过氧化氢酶，进料高浓度过氧化氢水溶液(浓度为15％)，其中进料高浓度过氧化氢水溶液的流量设定为0.1公升/分钟，且进料高浓度过氧化氢水溶液之温度为25℃，若系统之反应温度设定为33℃，即半批式反应器1中之系统反应溶液进入冷却系统2之温度为33℃，经热交换处理后之系统反应溶液离开冷却系统2之温度为25℃；循环冷却水进入冷却系统2的温度为15℃，而升温后之循环冷却水离开冷却系统2的温度为25℃，配合以下公式：

系统反应溶液离开半批式反应器进入冷却系统之循环流量＝{[(高浓度过氧化氢水溶液进料流量×高浓度过氧化氢水溶液浓度/高浓度过氧化氢水溶液分子量)×高浓度过氧化氢水溶液反应热/转换因子]-[高浓度过氧化氢水溶液进料流量×高浓度过氧化氢水溶液比热×(系统反应溶液设定之反应温度-高浓度过氧化氢水溶液之进料温度)]}/[(系统反应溶液于进入冷却系统前的温度-系统反应溶液离开冷却系统后的温度)×(系统反应溶液比热)]；以及

循环冷却水进入冷却系统之流量＝{[(高浓度过氧化氢水溶液进料流量×高浓度过氧化氢水溶液之浓度/高浓度过氧化氢水溶液分子量)×高浓度过氧化氢水溶液反应热/转换因子]-[高浓度过氧化氢水溶液进料流量×高浓度过氧化氢水溶液比热×(系统反应溶液设定之反应温度-高浓度过氧化氢水溶液进料温度)]}/[(循环冷却水离开冷却系统之出口温度-循环冷却水进入冷却系统之入口温度)×(循环冷却水比热)]。

将下列参数导入前列公式：

高浓度过氧化氢水溶液进料流量:0.1公升/分钟

高浓度过氧化氢水溶液浓度:0.15(15％)(体积百分比)

高浓度过氧化氢水溶液之分子量:34

高浓度过氧化氢水溶液之反应热:98000joule/mol

转换因子:4.185cal/joule

系统反应溶液之比热:1cal/(g℃)

系统反应溶液设定之反应温度:33℃

高浓度过氧化氢水溶液之进料温度:25℃

系统反应溶液进入冷却系统2前之入口温度:33℃

系统反应溶液离开冷却系统2后之出口温度:25℃

循环冷却水离开冷却系统2后之出口温度:25℃

循环冷却水进入冷却系统2前之入口温度:15℃

循环冷却水比热:1cal/(g℃)

可以计算系统反应溶液离开半批式反应器1进入冷却系统2之循环流量为1.191公升/分钟。亦可以计算出所需循环冷却水进入冷却统2之流量为0.953公升/分钟。

第二阶段：当反应系统的总溶液体积大于20公升时，调整系统参数如下:进料高浓度过氧化氢水溶液之浓度为15％，进料高浓度过氧化氢水溶液之流量为1公升/分钟，进料高浓度过氧化氢水溶液之温度为25℃，若系统反应温度设定温度为33℃，即系统反应溶液离开办梯式反应器1进入冷却系统2之温度为33℃，系统反应溶液离开冷却系统2之温度为25℃，循环冷却水的进入冷却系统2之入口温度为15℃，循环冷却水的离开冷却系统2之出口温度为25℃。

将下列参数导入前列公式：

高浓度过氧化氢水溶液之进料流量：1公升/分钟

高浓度过氧化氢水溶液之浓度：0.15(15％)(体积百分比)

高浓度过氧化氢水溶液之分子量：34

高浓度过氧化氢水溶液之反应热:98000joule/mol

转换因子：4.185cal/joule

系统反应溶液比热：1cal/(g℃)

系统反应温度：33℃

高浓度过氧化氢水溶液之进料温度：25℃

系统反应溶液进入冷却系统之入口温度：33℃

系统反应溶液离开冷却系统之出口温度：25℃

循环冷却水离开冷却系统2之出口温度:25℃

循环冷却水进入冷却系统2之入口温度:15℃

循环冷却水比热:1cal/(g℃)

可以计算所需系统反应溶液于冷却系统2中之循环流量为11.91公升

/分钟。亦可以计算出所需循环冷却水进入冷却统2之流量为

9.53公升/分钟。

综上所陈，本发明确实至少具有下列之优点：

基于过氧化氢酶对过氧化氢之高催化特性，配合预先于一定容量之半批式反应器1内置入过氧化氢酶，然后添加浓度0.5％至36％之高浓度过氧化氢水溶液，配合控制高浓度过氧化氢水溶液的进料流量、系统反应溶液相对于冷却系统2之流量及进、出口温度与循环冷却水流量及进、出口温度，进而有效控制含过氧化氢酶之过氧化氢水溶液之系统反应温度低于45℃，藉以维持过氧化氢酶的活性(催化性)及系统安全性，以有效处理高浓度过氧化氢水溶液。

2、直接将过氧化氢酶置入半批式反应器1中，而无须先加定量水体于半批式反应器1中，并可于添加高浓度过氧化氢水溶液于半批式反应器1后，即刻开始化学反应，缩短高浓度过氧化氢水溶液之处理时程。

3、可配合降低冷却系统2之循环冷却水的入口温度及提高冷却系统之循环冷却水流量，进而提高过氧化氢水溶液处理流量。

4、可配合弹性调整半批式反应器1的容量，以因应待处理高浓度过氧化氢水溶液所需的处理速率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。