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新淨化系統每年減少數億元損失

蜂巢式載體上有許多通風小孔道,每個小孔道表面都可塗布光觸媒。而把光纖嵌入載體中的設計可讓光線照射至中後段的光觸媒,讓光觸媒達到最大的利用價值。
 
 
 
臺灣大學化學工程學系吳紀聖教授和土木工程學系張陸滿教授的研究團隊應用光催化反應開發的「光纖內照明陶瓷蜂巢式載體反應器」(fiber-illuminated honycomb reactor, FIHR),是一種把光纖與蜂巢式光反應器結合的創新設計,可用以降低有機汙染物至十億分之一的超低濃度。

對半導體業者來說,生產晶片的良率須達95%以上才能獲利,萬一發生差錯,可能會產生數億到數十億元的損失。而晶片受損的重大原因,與飄浮在廠房空氣中很難偵測到的十多種有機汙染物有關。倘若汙染物沾到晶片電路接頭,電路就會短路;沾到晶片銅線,會造成傳導不良或斷線;沾到微影銳利的鏡頭表面,會造成微影蝕刻作業時精準度不佳,以致產出大量不良品,因此淨化廠內揮發性有機汙染物的工程相當重要。

目前半導體業者大都以化學濾網淨化,可是建置費用太高,每年另需花費數千萬至數億元更換濾網,因此一直在尋找降低淨化費用的方法。

所謂光催化反應是指:把光觸媒如二氧化鈦或錳/二氧化鈦等物質塗布在載體反應器上,再以波長約365奈米的紫外光照射,當紫外光驅動光觸媒生成超氧分子或自由基時,一旦遇到汙染物,自由基或超氧分子就會與汙染物行氧化反應,經一連串的化學反應後變成水、二氧化碳與少量其他化合物。

因為光催化反應具有與化學濾網相同的效果,可節省龐大耗材費用並延長設備壽命,所以研究團隊開發了陶瓷蜂巢式載體反應器。而在設計時也掌握了二個方向:一是被氧化消除的有機汙染物須愈多愈好,二是被氧化的有機汙染物即使最後仍產生極少數含氧的有機化合物,其量也只是可溶於水的十億分之一的極微濃度,因此這系統的後段作業可用水洗處理也不致造成問題。

此外,系統的載體也很重要。研究團隊成員吳怡亭博士表示,以陶瓷製造的蜂巢式載體比表面積大,空隙度高,可承載更多的觸媒,惟載體的通道孔徑較小,使光源無法照射到中後段的光觸媒。為充分利用光觸媒,須把光纖插入載體通道中以延長光線穿透的路徑。俟後的實驗更證實,這系統可消除有機汙染物達90%以上。

蜂巢式載體還有降低壓降損耗的節電優勢,因為送風機經風道把外界空氣吸入後,經過反應器時會有阻力,所以須加強鼓風機的送風力量。但蜂巢式載體因結構特性致使壓降損耗較小,因此可節省鼓風機的耗電量。

由於二甲苯是半導體廠最難消除的有機汙染物之一,研究團隊以錳/二氧化鈦為觸媒,以內嵌光纖的蜂巢式載體反應器進行200 ppb二甲苯光催化反應,可提高汙染物變成二氧化碳的比率,提升去除率至96.5%。而且使用72小時的錳/二氧化鈦仍保有82%的二甲苯去除率,且可以再生恢復活性。

綜合上述可知,光纖內照明陶瓷式蜂巢式載體反應器系統可在室溫下進行光催化反應,具有很高的汙染物去除率,對於未來潔淨室內空氣淨化的應用極具潛力。這個系統已完成測試,且由知名半導體業者處理後續作業,可能是下世代半導體工廠汙染防治的主力設施。
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