本發(fā)明系關(guān)于一種過濾裝置，特別是一種利用壓電薄膜通電以過濾流體中的雜質(zhì)之壓電薄膜過濾裝置。

背景技術(shù)：

水，雖覆蓋了地球約百分之七十一的面積，其中不可以直接使用的海水占了約百分之九十七，因此，人們可以直接使用的水資源可說是少之又少，尤其是對于許多島嶼型國家，因為地形關(guān)系不易留住可使用的水資源，作好水資源的管理、如何省水以及重復使用被視為相當重要的課題。

在臺灣，高科技產(chǎn)業(yè)的形成與半導體產(chǎn)業(yè)具有相當大的關(guān)聯(lián)性，科學園區(qū)中具有數(shù)個半導體工廠，例如，每日每間半導體所需耗費的廢水超過七百立方公尺以上，尤其是半導體制程中的化學機研磨(Chemical-Mechanical Polish，CMP)所使用研磨液、酸蝕刻(Etching)中清洗化學液后的混和液以及保養(yǎng)機臺所需要的高純潔凈水(DIW)等，造成工業(yè)會產(chǎn)生大量的廢水。

因此，有許多用于過濾工業(yè)廢水的技術(shù)及設(shè)備產(chǎn)生，例如，目前許多半導體廠商回收CMP廢水的方式，采用混凝沉淀后，再利用超過濾(Ultra-Filtration，UF)膜來處理CMP廢水中的各種微粒，以達到次級用水的標準來回收。但，因為CMP廢水的懸浮物極為細小，在超過濾膜的過濾制程上，常因為堵塞而進行在線清洗、反洗或是需要停機以進行更換膜管，而降低水的回收效果，進而增加處理上的成本。

因此，本發(fā)明有鑒于上述的困擾，提出了一種壓電薄膜過濾裝置，可以有效改善以及提高廢水過濾的處理效率，并降低處理回收的成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的系在提供一種壓電薄膜過濾裝置，在壓電薄膜進行過濾時，同時對壓電薄膜施予電壓，因逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生形變，斷開電壓時，薄膜又恢復原狀，藉此反覆的進行以使壓電薄膜產(chǎn)生振動。當壓電薄膜振動時，壓電薄膜表面形成的濃度極化區(qū)會因為壓電薄膜的表面粗糙度增加，而使流場的條件改變，在靠近壓電薄膜表面處，產(chǎn)生一流速劇變而產(chǎn)生一剪力面，而使?jié)舛葮O化區(qū)的厚度變薄，同時由上端流速較快的地方，將原本貼附在濃度極化區(qū)的微粒帶走，而增加了壓電薄膜過濾時純凈液體的流通量。因此，當流體流進壓電薄膜過濾裝置時，可以透過作為超過濾膜的壓電薄膜過濾流體中的雜質(zhì)或是較大的粒子，主要將較純凈的液體過濾出去，藉由壓電薄膜的快速振動以將壓電薄膜上過濾液體的孔洞上的雜質(zhì)或粒子掃開，以避免液體過濾的通量變小及過濾速度變慢。

本發(fā)明的另一目的系在提供一種壓電薄膜過濾裝置，當施予電壓時，可以依照需過濾流體中粒子的電荷特性，調(diào)整壓電薄膜表面的電極，使壓電薄膜表面帶有電荷，并使壓電薄膜表面與流體中粒子之電性相同，利用庫倫力的因素將帶相同電荷的粒子推斥而遠離壓電薄膜表面，形成相斥的情形，并且利用上述將原本貼附在濃度極化區(qū)的微粒帶走的同時，一并將被推斥的粒子帶走，減少因擴散因素而流到過濾液中，以增加過濾液的濃度。因此，流體中的懸浮粒子則不易沉積在壓電薄膜的表面，以降低粒子沉積而形成堵塞的情形、提高壓電薄膜的通量、減少壓電薄膜進行在線清洗及反洗的次數(shù)以及因通量提高而降低單位產(chǎn)水的成本。

為了達到上述的目的，本發(fā)明提供一種壓電薄膜過濾裝置，包含：一殼體；至少一壓電薄膜，該至少一壓電薄膜裝設(shè)于該殼體中，該壓電薄膜系過濾流通于該殼體中的流體；及一電源供應(yīng)器，該電源供應(yīng)器電性連接該至少一壓電薄膜的二面，該電源供應(yīng)器分別提供電壓至該至少一壓電薄膜的該二面，以使該至少一壓電薄膜產(chǎn)生形變，當該電源供應(yīng)器停止提供該電壓時，該至少一壓電薄膜則會恢復原狀，該電源供應(yīng)器可反覆的開啟及關(guān)閉以傳輸該電壓并使該至少一壓電薄膜產(chǎn)生振動，并使該至少一壓電薄膜與該流體中的粒子之電性相同，以排開該流體中的該粒子。

在本發(fā)明中壓電薄膜的二面都設(shè)有一導電體，當壓電薄膜接收電壓時，則藉由導電體使壓電薄膜產(chǎn)生形變，進而使壓電薄膜產(chǎn)生振動。

在本發(fā)明中壓電薄膜產(chǎn)生形變的方式，往壓電薄膜的長度或是寬度之方向延伸，而使壓電薄膜變薄；往長度或是寬度的方向收縮，而使壓電薄膜變厚；甚或是使壓電薄膜產(chǎn)生彎曲狀。且電源供應(yīng)器也可藉著改變電壓的極性，以使壓電薄膜進行延伸或收縮。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易了解本發(fā)明之目的、技術(shù)內(nèi)容、特點及其所達成之功效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)分解示意圖。

圖2為本發(fā)明使用之壓電薄膜的側(cè)視圖。

圖3 a為本發(fā)明使用之壓電薄膜正面的示意圖。

圖3b為本發(fā)明使用之壓電薄膜反面的示意圖。

圖4為本發(fā)明第二實施例的立體示意圖。

圖中：

10 壓電薄膜過濾裝置

12 殼體

14 壓電薄膜

142 導電體

144 電源接點

16 電源供應(yīng)器

18 間隔元件

20 壓電薄膜過濾裝置

22 殼體

24 壓電薄膜

26 電源供應(yīng)器。

具體實施方式

本發(fā)明系利用聚二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜作為過濾用的超過濾膜，并利用壓電薄膜具有逆壓電的效應(yīng)，于壓電薄膜兩面通電以造成膜的形變，進而使其振動增加掃流速度，且同時因為通電產(chǎn)生電場，與流體中需過濾的粒子因電性相斥以產(chǎn)生推斥的作用，并可將需過濾的粒子暫時不附著在壓電薄膜過濾液體的孔洞上，以使孔洞堵塞，較純凈的液體則會可以先行過濾，提高過濾的速度及通量。

首先，請先參照本發(fā)明第一圖所示，一種壓電薄膜過濾裝置10包含一殼體12，在本實施例中殼體12系為圓柱形的殼體，但本發(fā)明并不限制殼體12的形狀或樣式；殼體12中裝設(shè)有至少一壓電薄膜14，其系為PVDF壓電薄膜，本實施例系以兩片壓電薄膜14為例，壓電薄膜14系可卷曲環(huán)設(shè)在殼體12中，而兩片相鄰的壓電薄膜14之間可以再插設(shè)一間隔元件18；一電源供應(yīng)器16系電性連接兩片壓電薄膜14的二面，以分別提供電壓至兩片壓電薄膜14的二面，在本實施例中，電壓系為直流電。

承接上段，本段將更詳細說明壓電薄膜14的結(jié)構(gòu)，并請同時參照本發(fā)明第二圖、第三a圖及第三b圖所示，壓電薄膜14的二面上皆更設(shè)有一導電體142及電源接點144。請同時再參照第一圖，壓電薄膜14的二個面上的電源接點144會分別電性連接電源供應(yīng)器16的正極及負極，以使壓電薄膜14接收電源供應(yīng)器16所提供之電壓。

說明完本發(fā)明的結(jié)構(gòu)后，接著詳細說明本發(fā)明的使用方式，請同時參照本發(fā)明第一圖所示。本發(fā)明的壓電薄膜過濾裝置10可以過濾流體，例如一般工業(yè)廢水中的含微粒之廢水、薄膜生物反應(yīng)器之廢水或化學機研磨(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)廢水等，流體可以如第一圖中箭號所示的方向自殼體12中流通，當流進殼體12時，會再通過壓電薄膜14，此時壓電薄膜14可以過濾流體中的雜質(zhì)或懸浮粒子等，使超過壓電薄膜14中過濾孔洞大的雜質(zhì)或懸浮粒子被隔絕，而過濾出較為純凈的液體，本實施例中不限制壓電薄膜14的過濾孔洞的孔徑，可以依照使用者的需求作調(diào)整。此時，電源供應(yīng)器16提供電壓至壓電薄膜14，由于壓電薄膜14具有逆壓電的效應(yīng)，當壓電薄膜14的表面被施加電壓時，會因為電場作用時電偶極矩被拉長而產(chǎn)生變化。因此，當壓電薄膜14被電源供應(yīng)器16施加電壓時，壓電薄膜14會因為表面上的導電體142而產(chǎn)生形變，例如往壓電薄膜14的長度或是寬度之方向延伸而變薄、往壓電薄膜14的長度或?qū)挾戎较蚴湛s而變厚或是使壓電薄膜14產(chǎn)生彎曲狀；當電源供應(yīng)器16停止提供電壓時，壓電薄膜14則會恢復原狀。因此，使用者可以藉由電源供應(yīng)器16以反覆的開啟及關(guān)閉以傳輸電壓，并使壓電薄膜14產(chǎn)生振動，開關(guān)電壓的動作越是頻繁快速，壓電薄膜14的振動速度亦會跟著加快，且使用者可以經(jīng)由電源供應(yīng)器16改變電壓的極性以使壓電薄膜14進行延伸或是收縮，例如，當傳輸正電至壓電薄膜14之特定一面時會進行延伸的形變，反覆的開關(guān)電壓會造成壓電薄膜14快速地進行延伸及恢復原狀的振動，此時把傳輸?shù)綁弘姳∧?4之特定一面的電壓改為負電時，則會改變壓電薄膜14形變的變化方式，而變成收縮的形變。使用者可以藉由改變電壓的供輸以及電壓的極性，來改變壓電薄膜14的振動變化，并藉由此一振動變化使原本平整的壓電薄膜14產(chǎn)生不平整的表面，當流體經(jīng)過不平整的表面時會產(chǎn)生湍流，以減緩壓電薄膜14表面的濃度極化之形成，壓電薄膜14表面形成的濃度極化區(qū)會因為壓電薄膜14表面的粗糙度增加，而使流場的條件改變，在靠近壓電薄膜14表面處，產(chǎn)生一流速劇變進而產(chǎn)生一剪力面，而使?jié)舛葮O化區(qū)的厚度變薄，同時由上端流速較快的地方，將原本貼附在濃度極化區(qū)的微粒帶走，而增加了壓電薄膜14過濾時純凈液體的流通量。

除此之外，流經(jīng)殼體12中的流體會因為所包含的粒子而產(chǎn)生特定的電性，例如流經(jīng)殼體12中的流體中的粒子帶有正電，而使用者則可以控制壓電薄膜14表面的電性，施以正電的電壓，以使壓電薄膜14與流體中的粒子之電性相同，以排開流體中的帶電粒子。此一作法的好處就是在過濾時與壓電薄膜14中過濾孔洞相似大小的粒子不會阻塞在壓電薄膜14的表面，而可過濾的液體則會自壓電薄膜14的表面往下沉淀并過濾出，而同極性帶電粒子被向上排開的同時，也會被振動時的湍流帶走，本發(fā)明不會像傳統(tǒng)過濾般都累積在薄膜表面附近以造成濃度極化，更加避免像一般傳統(tǒng)的過濾方式，需過濾的流體直接向下沉淀，容易很快使用于過濾薄膜堵塞住。本發(fā)明可以增加可以過濾時的流體量及增加可過濾的時間，并且可以減少在線清洗、反洗或是需要停機以進行更換膜管的維護成本。

接著請參照本發(fā)明第三a圖及第三b圖所示，以說明壓電薄膜14系如何產(chǎn)生形變的原理。壓電薄膜14會往長度或?qū)挾鹊姆较蜓由旎蚴湛s以及厚度產(chǎn)生變化，可以藉由下列的公式表示：

Δl＝ld₃₁V/t (1)

Δw＝wd₃₂V/t (2)

Δt＝td₃₃V/t (3)

上述的公式(1)系為長度變化時的公式，公式(2)系為寬度變化時的公式，公式(3)系為厚度變化時的公式。其中的參數(shù)Δl代表壓電薄膜14長度的變化量，參數(shù)Δw代表壓電薄膜14寬度的變化量，參數(shù)Δt代表壓電薄膜14厚度的變化，參數(shù)l代表壓電薄膜14的原始長度，參數(shù)w代表壓電薄膜14的原始寬度，參數(shù)t代表壓電薄膜14的原始厚度，參數(shù)d₃₁、d₃₂、d₃₃代表壓電應(yīng)變常數(shù)，參數(shù)V代表施加于壓電薄膜14的電壓。

本發(fā)明除了可以用于圓柱形殼體的管式過濾外，除了將壓電薄膜卷曲環(huán)設(shè)在殼體之外，另外也可以應(yīng)用在平板式過濾。請參考本發(fā)明第四圖所示，一種壓電薄膜過濾裝置20包含一平板狀殼體22、至少一壓電薄膜24及一電源供應(yīng)器26，此實施例亦是將壓電薄膜24裝設(shè)于殼體22之中，壓電薄膜24的二面再電性連接至電源供應(yīng)器26，以接收電源供應(yīng)器26所傳輸之電壓。除結(jié)構(gòu)上的差異，此一實施例的作動方式及原理皆與上一個實施例相同，故不再贅述。

本發(fā)明主要系在壓電薄膜過濾流體中的雜質(zhì)及懸浮粒子時，同時接收電壓以產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，造成壓電薄膜因形變而產(chǎn)生振動，除了加速掃流速度之外，并可因為電壓造成壓電薄膜與流體中帶電粒子的電性相同而產(chǎn)生推斥，以避免粒子阻塞在壓電薄膜的表面上，以提高過濾時的效能以及減低清洗維護的成本，壓電薄膜除了可以裝設(shè)在殼體中，亦可設(shè)置在過濾膜塊中，同時也可以利用電壓供電，以使壓電薄膜振動過濾。再者，本發(fā)明并不限制提供電壓的電源供應(yīng)器應(yīng)為直流電或交流電，可以依照使用者的需求作調(diào)整，可以使用直流電交錯開關(guān)而使壓電薄膜產(chǎn)生振動，或是提供不同頻率的交流電及改變電壓值而使壓電薄膜產(chǎn)生振動。當使用在管式過濾時，較常使用超過一片以上的壓電薄膜于殼體中，可以在兩片相鄰壓電薄膜中插設(shè)一間隔元件以避免兩片相鄰的壓電薄膜上的電性相互干擾，因此當壓電薄膜的數(shù)量系為N個時，當N≥2則會包含N-1個間隔組件位于N個壓電薄膜中，本發(fā)明也不限制所需要安裝的壓電薄膜數(shù)量，壓電薄膜之數(shù)量可依據(jù)實際使用狀況而選擇調(diào)整。

以上所述之實施例僅系為說明本發(fā)明之技術(shù)思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠了解本發(fā)明之內(nèi)容并據(jù)以實施，當不能以之限定本發(fā)明之專利范圍，即大凡依本發(fā)明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明之專利范圍。