正向滲透

正向滲透(Forward Osmosis)
國立臺灣大學環境工程學研究生 許中俊

滲透是早已被人們熟知且廣泛利用的物理現象，其可以定義為經由滲透壓差的驅動，使水通過一個選擇性半透膜的淨移動作用，而半滲透膜顧名思義，能夠在排除其他溶質分子與離子的同時讓水通過。如今許多領域，像是水處理、食品加工、發電甚至控制藥物釋放都能夠利用滲透現象來達到，而日常生活中最常見例子的就是逆滲透 (Reverse osmosis, RO) 淨化水質，對進流水施以額外的水壓，使水分子由滲透壓高傳輸至薄膜滲透壓低的另一側生成純水的方法；相反地，正向滲透 (Forward osmosis, FO) 即直接利用溶液相對之滲透壓（由低至高）來驅動水的傳輸，使進流水濃縮、稀釋高濃度的提取液 (Draw solution)。

圖一、正向滲透 (FO) 水處理示意圖。（許中俊繪製）

正向滲透 (FO) 為不須施加而外壓力就可以進行的自然程序，透過半透膜兩側溶質濃度的不同，使水分子從進流側滲透過半透膜到達滲透側，進而造成進流水濃縮、滲透側提取液稀釋的結果，最後再經由提取液回收方式，把水分子分離出來，得到純水並同時將提取液濃縮再使用。

圖二、滲透作用示意圖。（許中俊繪製）

描述水在正向滲透中傳遞的通式為：

$$J_w=A(\sigma\Delta\pi-\Delta P)$$

其中 $$J_W$$ 為水通量，$$A$$ 為膜的水滲透常數，$$\sigma$$ 為反射係數，$$\pi$$ 表示溶液的滲透壓，而 $$\Delta\pi$$為滲透壓差，$$\Delta P$$ 為應用之壓力差 $$(P2-P1)$$。對於正向滲透，因沒有使用額外壓力所以 $$\Delta P=0$$，因此主要是滲透壓差來決定水通過薄膜的通量，也就是說，若要提升水通量，可以降低進流濃度或提升提取液濃度，使 $$\Delta\pi$$ 增加。

提取液 (Draw solution) 為滲透側的高濃度溶液，也是正向滲透驅動力的來源，依據處理之進流水，主要有兩個選擇的依據：必須有高於進流水之滲透壓以及後端再濃縮提取液技術的合適性。對於前項條件，滲透壓會根據選用的物質和濃度而有所不同，例如 MgCl₂、CaCl₂、NaCl、KCl、MgSO₄，而濃度與滲透壓成正比。對於後者，如以 NaCl 作為提取液，除了有高溶解性與濃度，且選用 RO 作為再濃縮的方式也不會造成膜的積垢問題。特別在海水淡化的應用上，其他化學物質如 SO₂、Glucose and Fructose、KNO₃、NH₃ and CO₂ 等等提取液被廣泛研究，來提升溶液穩定性、高滲透壓及回收率、減少鹽水排放，得到最佳出流水質。

正向滲透，目前已運用在水回收、脫鹽、食品與飲料、礦業、油和氣、發電等等工業應用，其主要優點為操作時不需（或甚低）水壓、溫度、有效排除大部分污染物和薄膜不易積垢的特性，且系統只存在流體通過薄膜時的阻力，使得設備簡單、問題減少且延長壽命。

參考文獻

1. International Forward Osmosis Association. http://forwardosmosis.biz/
2. Forward Osmosis Solutions — Hydration Technology Innovations. http://www.htiwater.com/technology/forward_osmosis/
3. Cath, T., Childress, A., & Elimelech, M. (2006). Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments. Journal of Membrane Science, 281(1-2), 70-87. doi:10.1016/j.memsci.2006.05.048
4. Shaffer, D. L., Werber, J. R., Jaramillo, H., Lin, S., & Elimelech, M. (2015). Forward osmosis: Where are we now? Desalination, 356, 271-284. doi:10.1016/j.desal.2014.10.031