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崔图门
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1 北台灣學報第 32 期 2009 年 3 月 ISSN 應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌光觸媒之自動殺菌垃圾桶 1 蔡彥欣 2 李後德 3 陳亮羽 4 林岳昇蔡佩真 1-4 北台灣科學技術學院電機工程系國立台灣大學電機工程系摘要本研究主要是以改善傳統垃圾桶會產生惡臭滋生蚊蟲細菌等缺點為核心目標, 研究出一種具有自動消毒殺菌除臭與芳香等多功能的垃圾桶, 奈米光觸媒在吸收發光二極體紫外光 (Ultraviolet-light emitting diode, 以下簡稱 UV-LED) 後會產生類似植物的光合作用原理, 可有效殺菌抑菌和除臭等功能, 並可選擇添加個人喜好芳香劑達到芳香的效果當垃圾投入後, 控制系統會自動噴灑光觸媒液, 同時啟動定時控制 UV-LED 照射, 發揮自動除臭殺菌的功能本研究成果之自動掀蓋除臭殺菌垃圾桶, 內部電路設計包括 : 以交流電 110V 變壓使用,6V 直流電控制紅外線感應自動掀蓋系統, 光觸媒噴霧器馬達與 UV-LED 使用同一 V 直流電, 相當省電本研究經測試, 殺菌率 4 小時即可達 9999% 以上, 極具實用價值與市場潛力未來可將其原理與概念應用開發其他相關產品, 在生活品質的提升與環保概念的動機下, 我們研究創作出一個結合應用原有成熟的技術與創意的科技產品應用 UV-LED 與光觸媒之自動掀蓋除臭殺菌垃圾桶關鍵詞 : 光觸媒垃圾桶垃圾桶紫外線 LED 殺菌殺菌揮發性有機物 1

2 應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌垃圾桶 AUTOMATIC STERILIZATION TRASH-CAN with APPLICATION of UV-LED and PHOTOCATALYTIC OXIDATION AUTOMATIC STERILIZATION TRASH-CAN with APPLICATION of UV-LED and PHOTOCATALYTIC OXIDATION 1 Yen-Hsin Chai, 2 Hou-Te Lee, 3 Liang-Yu Chan, 4 Yue-Sheng Lin, Christine Peijinn Chai 1-4 Electrical Engineering, Technology and Science Institute of Northern Taiwan Electrical Engineering, National Taiwan University Abstract The main purpose of this research work is to make the traditional trash-can not distribute odor and not be approached by mosquitoes and bacteria, and to modify other shortcomings We are going to design a multi-purpose trash-can which can provide functions such as sterilization, deodorization, giving out fragrant, and so on The photocatalytic oxidation, after absorbing ultraviolet-rays from the illumination light emitting diode (abbreviated as UV-LED), is able to use the principle similar to the plant's photosynthesis, but it sterilizes, restrains the bacterium, and deodorizes more effectively Besides, we can choose at our own will to increase the quantity of the aromatic compound so as to provide the fragrance After some garbage is thrown in, the time-controlling UV-LED turns on at the same time, and it brings the automatic deodorization and sterilization to work The principles of raising the lid to deodorize itself, the sterilization trash-can, and the internal circuit design include: It uses the 110V AC (alternating current) and then transformer, using 6V DC (direct current) to control infrared radiation to raise the cover of the system The light catalyst spray motor and UV-LED use the same V DC, so it is quite power saving After testing, we obtain that the sterilization efficiency is up to 9999%, so the system has large practical value and market potential In the future, we may apply the principle to other correlation products At the motive of life quality promotion and environmental protection, we do research whose goal is to combine original mature technology with the creative product automatic sterilization trash can with application of UV-LED and photocatalytic oxidation Keywords: Photocatalytic oxidation Trash-can UV-LED Sterilization Volatile organic compounds 2

3 北台灣學報第 32 期 2009 年 3 月壹緒論 ISSN 目前市面上的垃圾桶有些沒有蓋子, 有的雖然有蓋子, 但還要用手或腳掀開蓋子才能把垃圾丟進去, 實在很麻煩尤其有許多的垃圾會繼續發臭滋生蚊蠅或細菌微生物, 對環境衛生及空氣品質產生很大的影響特別是居家廚房飲餐食品營業場所診所醫院等地方, 更是迫切需要有自動掀蓋殺菌抑菌除臭芳香的多功能的垃圾桶提升生活品質與永續保護環境是每個人的責任, 凡是需求不汙染手不方便用手丟垃圾, 或是容易產生臭味微生物病源的場所, 都有使用應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌垃圾桶產品的需求揮發性有機物在室內環境中幾乎是無所不在, 造成室內空氣品質不佳揮發性有機物的暴露對人體造成許多不良的健康影響以及引起所謂的病態建築症候群光觸媒對於大部分室內揮發性有機物有效, 且能在室溫下將揮發性有機物完全分解成水及二氧化碳, 因此成為近年來發展最快且應用最廣之室內空氣清境技術然而, 光觸媒反應產生若干中間產物會造成觸媒活性之下降其反應之揮發性有機物轉換率及二氧化碳產生出率隨揮發性有機物之濃度增加而減少, 但其氧化速率之趨勢則相反光觸媒反應之中間產物的殘餘量隨著流進之揮發性有機物濃度減少而降低所以我們將市面採用紅外線感應為主的垃圾桶產品, 加以修改設計電路及變換空間的擺設, 使它變成更方便又節能的自動掀蓋功能垃圾桶產品而現有市場完全沒有可以殺菌抑菌除臭芳香的多功能環保垃圾桶, 所以做一個紅外線感應自動掀蓋殺菌抑菌除臭芳香的多功能的垃圾桶, 就成為我們研究的主軸, 同時我們也將此系統配置在鞋櫃及環保筷裡作測試, 同樣具有殺菌除臭的功能, 環保筷的設計以 UV-LED 為主軸來做殺菌, 所以選用波長為較短的 UV-LED 貳研究研究方法垃圾積放垃圾桶過久, 本身會發酵或被細菌微生物分解, 會產生許多揮發性有機物, 而形成發臭的困擾問題奈米光觸媒 ( 主要成分為 TiO 2 ) 是目前市面上發展最快應用最廣之空氣清淨技術之一, 它能在室溫下將大部份揮發性有機物 (a varity of volatile organic compounds, 以下簡稱 VOCs) 的臭味直接分解成水及二氧化碳根據歐美國家權威實驗室測試, 每 1cm 2 的光觸媒脫臭能力, 為高效能纖維活性碳的 10 倍選用奈米光觸媒的另一個原因, 是因為它在 UV-LED 作用下, 可以產生的殺菌抑菌及脫臭的功能特別好, 而且經美國 FDA 食品檢驗中心認可 TiO 2 為一安全物質對人體並無傷害, 所以 TiO 2 為各行各業使用之添加物此外光觸媒在吸收紫外光後會產生氫氧自由基, 氧化威力比臭氧負離子更強, 具備活性碳所沒有的殺菌的功效, 其捕捉殺除空氣中的浮游細菌 ( 大腸桿菌綠膿菌葡萄球菌霉菌化膿菌白癬菌黴菌等 ) 能力達 99997% ( 以通過 TiO 2 清靜處理機的空氣為例 ) 光觸媒主要優點如下 : 3

4 應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌垃圾桶 AUTOMATIC STERILIZATION TRASH-CAN with APPLICATION of UV-LED and PHOTOCATALYTIC OXIDATION 1 以近紫外光 (near UV, 波長為 300~370 nm) 即可激發, 可避免使用具傷害性的紫外光 (UV 波長 237 nm), 亦可使用部分日光光源 2 該光觸媒為無毒性屬較安全的材料 ( 牙膏中含有 TiO 2,TiO 2 與 ZnO 也被用作防曬材質 ) 3 其氧化反應的氧來源為氧氣或空氣 4 不產生光溶解現象 (photocorrosion) 價格便宜產量豐富光觸媒在吸收紫外光後會產生分解細菌的功效, 其捕捉殺除空氣中的浮游細菌能力達 99997% 通常把紫外線依波長分為三類, 第一類 UV-C 波長為 100~280 nm, 第二類 UV-B 波長為 280~31 nm, 第三類 UV-A 波長為 31~400 nm 過度的紫外線照射會導致白內障皮膚癌眼膜炎灼傷老化皮膚厚化等症狀, 其中尤以波長 280 nm 以下的更為顯著經實驗顯示波長 20~260 nm 的紫外線, 會破壞染色體, 對生物威脅很大, 當然醫學界也利用這個特性來消毒殺菌, 如自來水消毒用的紫外線波長是 237 nm 目前市面上較多為燈管型的紫外光 ( 也稱為黑燈管 ), 燈管型的波長各種都有, 但是燈管型的礙於需要裝安定器 ( 佔空間 ) 外, 在線路的配置方面也不方便, 且燈管不小心的話很容易去摔破所以我們決定使用 UV-LED 來取代燈管型,LED 型的最大特點在於 : 無須暖燈時間 (idling time) 反應速度快 ( 約在 10-9 秒 ) 體積小用電省耐震強污染低適合量產但在波長方面目前還無法突破到 330 nm 以下再來就是我們用來測試的菌種, 以下為本研究所使用的菌種資料及測試方法 : 1 使用菌種 :Escherrichia coli strain JM109 ( Ampr), 轉殖具抗 ampicillin 能力之質體 2 培養基 :Luria-Bertani broth, 並添加抗生素 ampicillin (0µg / ml) 以防止污染, 固體培養基另添加 agar (1%) 3 培養條件 : 所有培養皆在 37 下進行, 液體培養的方式如下, 於容積為 20 ml 之玻璃管中添加 2 ml 培養液後振盪培養 (Shaking rate = 140 RPM) 4 待測細菌培養方式 : 將培養於固體培養基上之大腸桿菌落挑起, 於液體培養基培養 16 小時後, 以 1:100 的比例稀釋至新鮮的培養液中, 培養 3 小時後, 可得到位於對數生長期之細菌, 菌體密度約為 :60000 ml -1, 此時細菌生理狀況正常, 適合進行實驗將菌液取 01 ml 滴於無菌圖畫紙上, 於垃圾桶中進行照射, 處理完成後, 將圖畫紙以 PBS 懸浮後, 進行序列稀釋後塗於固體培養基上, 培養 16 小時後計算菌落數 4

北台灣學報第 32 期 2009 年 3 月参數據數據結果結果研究研究與探討 ISSN-1819-0278 目前我們是設定在蓋子蓋下來的時觸動微動的開關,

與光觸媒之自動殺菌垃圾桶, 其結構與元件如圖一與圖二 : 圖一元件說明 1 垃圾桶蓋 2 垃圾桶蓋盒 3 控制噴霧馬達 4 計時器 1 計時器 2(

5 北台灣學報第 32 期 2009 年 3 月参數據數據結果結果研究研究與探討 ISSN 目前我們是設定在蓋子蓋下來的時觸動微動的開關, 使紫外線發光二極體燈啟動亮燈, 同時控制齒輪帶動馬達, 使噴霧器開始噴出主要成分為 TiO 2 的光觸媒液本研究設計的應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌垃圾桶, 其結構與元件如圖一與圖二 : 圖一元件說明 1 垃圾桶蓋 2 垃圾桶蓋盒 3 控制噴霧馬達 4 計時器 1 計時器 2( 控制照光時間 ) 6 垃圾桶蓋盒下蓋 7 光觸媒液填充灌 8 抽水系統 9 掀蓋馬達 10 紅外線感測器 11 掀蓋控制電路 12 紫外線 LED 13 噴頭圖一垃圾桶結構圖圖二各元件配置圖

應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌垃圾桶 AUTOMATIC STERILIZATION TRASH-CAN with APPLICATION of UV-LED and PHOTOCATALYTIC OXIDATION 光觸媒殺菌力雖強卻需要光的照射

媒液本身長期存放後會有沉澱的現象經測試結果效果欠佳在改用其他不會沉澱的光觸媒產品後採用的波長為 400 nm的led 測試結果亦沒有明顯的效果於是我們改換波長為 370 nm的led 很快的就有顯著的殺菌結果本研究之垃圾桶之外觀及

就有明顯的殺菌結果(參閱表二及圖六) 所以我們就採用波長為 370nm的UV-LED 表一 400 nm LED殺菌結果 Colony forming Time units log CFU (Hrs) (CFU) 0 606E+04 4782473 0

6 應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌垃圾桶 AUTOMATIC STERILIZATION TRASH-CAN with APPLICATION of UV-LED and PHOTOCATALYTIC OXIDATION 光觸媒殺菌力雖強卻需要光的照射才能起作用經本實驗測試結果一般日光燈管波長較長要徹底殺菌需要較長的時間光照強度停留時間與照光時間為影響光觸媒效率之關鍵因素之一其觸媒反應所需之停留時間約需數秒至數十秒照光時間則通常需數十分鐘後其去除效率才會逐漸增加起先我們採用的光觸媒液本身長期存放後會有沉澱的現象經測試結果效果欠佳在改用其他不會沉澱的光觸媒產品後採用的波長為 400 nm的led 測試結果亦沒有明顯的效果於是我們改換波長為 370 nm的led 很快的就有顯著的殺菌結果本研究之垃圾桶之外觀及 LED照射實驗如圖三與圖四圖三垃圾桶外觀圖圖四 LED實驗照射圖剛開始我們採用的波長為 400 nm的led照射測試結果必須到 1 個小時才有明顯的效果(參閱表一及圖五) 於是我們換成波長為 370 nm的led 效果大約在 4 小時就有明顯的殺菌結果(參閱表二及圖六) 所以我們就採用波長為 370nm的UV-LED 表一 400 nm LED殺菌結果 Colony forming Time units log CFU (Hrs) (CFU) 0 606E E E E E E+01 1 Survival curve 6 U 4 F 3 C 2 g o1 l Time (Hrs) 1 20 圖五波長為 400 nm LED 照射 6 2

7 北台灣學報第 32 期 2009 年 3 月 ISSN 表二 370 nm UV-LED 殺菌結果 Colony forming Time units (Hrs) (CFU) log CFU 0 606E E E E E E Survival curve 6 U 4 F 3 C 2 g o l Time (Hrs) 圖六波長為 370 nm UV-LED 照射本研究目的是利用光觸媒結合 UV-LED 的照射後, 可解決垃圾桶發臭殺死滋生細菌微生物的問題, 以改善環境衛生及空氣品質, 本研究在陽明大學微生物免疫所的協助下, 使用 370nm 的 UV-LED 照射在 TiO 2 四小時後, 即可達到 9999% 以上的殺菌效果因為紫外線光是點燃光觸媒反應的發電廠, 不需用光就可以作用, 那是騙人的, 目前光觸媒的技術, 需要波長約 300~400nm 的紫外線才能作用, 室內光源只有千分之一, 微弱光的環境還是不足, 本研究也嘗試利用可見光做試驗, 但可見光的效果僅能達到十分之一到百分之一肆結論與建議研究發現光觸媒氧化對於空氣中一般微生物的控制並不能達到良好的效果, 但對於表面微生物的確可以達到一定的成效由於發現二氧化鈦對於微生物控制效果的優劣是取決於激發光的強度及微生物與二氧化鈦接觸時間的長短傳統的抗菌方式常使用化學藥劑 ( 如酒精與漂白水等 ), 或是使用殺菌燈, 這些化學藥品及殺菌燈對於人體都有相當程度的危害性, 且化學藥品有一定的效期, 必須定期噴灑才能維持抗菌功能光觸媒則可利用室內燈光或日光光源, 來達成長效性抗菌的目的至於安全性方面, 當人體皮膚接觸到光觸媒時, 並不會有危害發生, 因為人體皮膚有角質層的保護, 不會受到光觸媒所產生活性物質的傷害在細菌繁殖旺盛時期, 光觸媒可利用其表面的去污功能分解細菌殘骸, 使得抗菌功效得以持續, 不會因受到髒污覆蓋而失去抗菌功能此外, 光觸媒不但可以殺菌, 並可以把細菌體內的毒素分解, 這是傳統抗菌劑所沒有的特性物體表面發霉是因為滋生黴菌的關係, 光觸媒本身的殺菌功能可以輕易解決這個問題, 本實驗室將光觸媒噴灑於垃圾筒內, 可以讓黴菌無繁殖的空間, 減少細菌滋生的機會, 也可將光觸媒塗裝於保存食物的蓋子或是牆壁, 讓保存的時間可以延長防止腸胃疾病發生, 減少中毒機會, 牆壁可常保清潔, 防止油汙灰塵附著清洗方便 7

8 應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌垃圾桶 AUTOMATIC STERILIZATION TRASH-CAN with APPLICATION of UV-LED and PHOTOCATALYTIC OXIDATION 利用光觸媒反應可以分解有機污垢, 它可以作為自潔材料若在物體上噴灑二氧化鈦光觸媒, 污垢只要接觸到光觸媒的表面就會被分解, 另外由於二氧化鈦照光之後具有超親水性, 因此只要沖水就可以除去污垢, 使用在任何物體上可產生自潔效果所以在容易產生臭味微生物病源的場所, 都需要使用應用 UV-LED 與光觸媒之自動殺菌垃圾桶的產品, 另外可以開發應用到有其相關功能的產品, 市場潛力很大參考文獻 1 Asahi, R, Morikawa, T, Ohwaki, T, Aoki, K, Taga,Y (2001) Visiblelightphotocatalysis nitrogen-doped titanium dioxides, Science, 293, pp Ao, CH, SC Lee, JZ Yu and JH Xu, (2004), Photodegradation of formaldehyde by photocatalyst TiO 2 : Effects on the presences of NO, SO 2 and VOCs Appl Catal B: Environ, 4(1), Bayer, CW, Black, MS (1989) Real-time On-line Chromatographic Determination ofvolatile Organic Emissions Design and Protocol for Monitoring Indoor Air Quality 4 Blount, M C, Falconer, J L (2002) Steady-state Surface Species During Toluene Photocatalysis, Applied Catalysis B: Environmental Dibble, L A, Raupp, G B, (1992) Fluidized-Bed Photocatalytic Oxidation of Trichloroethylene in Contaminated Air Streams, Environmental Science & Technology, 26, pp Echeverria, D, Fine, L, Langolf, G, Schork, A, Sampaio, C (1989) AcuteNeurobehavioral Effects of Toluene, Br J Ind Med 46, pp Sang, BK and CH Sung, (2002), Kinetic study for photocatalystic degradation of volatileorganic compounds in air using thin film TiO 2 photocatalyst Appl Catal B:Environ, 3(4), Saito, T, Iwase, T, Horie, J, Morioka, T (1992) Antibaterial Effect of Powdered TiO2with Photocatalystic Reaction on Streptococcus Mutans Strain AHT, J Dent Health36 pp Zhang, Y, Yang, R, Zhao, R (2003) A Model for Analyzing the Performance of Photocatalytic Air Cleaner in Removing Volatile Organic Compounds,Atmospheric Environment 37, pp 張慶源李佳香,(2006), 發光二極體結合改質光觸媒處理室內揮發性有機污染物之研究, 碩士論文, 國立台灣大學環境工程學研究所 11 李慧梅徐國賓,(2006), 以紫外光 / 臭氧程序增進光觸媒對室內揮發性有機物去除效率之研究, 博士論文, 國立台灣大學環境工程學研究所 8

<4D6963726F736F667420576F7264202D204BC3FEB2C4A440A6575FA6DBB0CAB1FEB5DFAF4DB0AEA4A7BE63C3FEB8CBB86D2E646F63>

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