廢水回收的魔法棒：薄膜技術

Posted on 2016/04/21 in 反思, 環境教育, 環境能源, 環境能源管理, 管理與應用：科技、工程、政策 with 尚無留言 2,734 views

廢水回收的魔法棒：薄膜技術 (The Magic Wand of Waste Water Recycle : The Membrane Technology)
臺電綜合研究所研究專員傅弼豊

前言

因為地球暖化造成全球極端氣候，使得水資源的旱澇不均現象更加明顯，另外也因為工業文明的普遍發展及生活水平的提升，全球對於水資源的需求日益增加和迫切，所以對於水資源如何有效的應用及回收再利用，已經變成近年來全世界上相當熱門的議題。

薄膜技術特點

常用於廢水回收的薄膜法，為近年來逐漸成熟的技術，其作用原理便是依靠薄膜上的孔洞，利用孔洞大小的特性，使特定的物質才能通過，達到純化的目的。相較於傳統使用的化學沉澱法，薄膜法不須額外添加藥劑，也不會產生額外的化學反應，單純依靠物理特性來達到水質淨化的目的，符合目前所追求的節約能源的目標。

薄膜技術常見分類

各種薄膜的孔洞大小和可濾除的物質如圖一所示，其孔洞大小從大至小依序為砂濾、微濾膜、超濾膜、奈濾膜及逆滲透膜等。從圖一中可知，若想要濾除細菌類的物質至少要用到超濾膜或奈濾膜，而如果要去除大部分的離子，則要考慮使用到逆滲透膜。近年來隨著薄膜技術的日益成熟，成本大幅降低，工業界已廣泛應用各種薄膜來進行水回收再利用，以下針對各種薄膜做介紹。

圖一各種薄膜的孔洞大小和可濾除的物質（來源：本文作者傅弼豊繪圖）

1. 微濾膜 (MF, Micro Filter)
微濾膜是較常用的薄膜，可用於初步過濾，如作為逆滲透膜組前置過濾器的 5 微米和 1 微米過濾器。

2. 超濾膜 (UF, Ultra Filter)
超濾膜則是用來進行水回收的薄膜，可初步過濾病毒、細菌等，也可做為奈濾膜、逆滲透膜的前處理。

3. 奈濾膜 (NF, Nano Filter)
奈濾膜則是用來進行水質軟化的薄膜，可針對薄膜進行適當的改質，使其可以有效的分離一價離子與二價離子。

4. 逆滲透膜 (RO, Reverse Osmosis)
逆滲透膜經常作為水處理程序的核心，如海水淡化及濃縮等用途。

一般而言逆滲透法有下列特性：

1. 出水水質良好及濃縮減量效果良好。

2. 處理設備構造簡單，操作維護容易。

3. 對有機、無機成份皆有良好去除效果。

對大型 RO 系統而言，海水淡化回收效率60~75％，半鹼水淡化可達 75％以上。由於 RO 的水道間隔為篩網且較窄，故進水要求較嚴，前處理考量很重要。

整合離子交換樹脂與薄膜技術：連續電去離子化 (CDI, Continuous Deionization)

連續電去離子化裝置原理如圖二，其中的混床型離子交換樹脂夾在陰陽離子交換膜之間，一般這些膜都是製成片狀，皆具選擇性，即只允許相反電性的離子通過，而無法讓水通過。而在全填型 (all-filled) 的模組中，產水側 (product) 和排水側 (reject) 皆含有離子交換樹脂。

圖二連續電去離子化裝置原理示意圖（來源：本文作者傅弼豊繪圖）

飼水進入產水側後，其中的離子即會被混床型樹脂所移除，另外因為施加電流的緣故，陽離子會向陰極移動，而陰離子會向陽極移動，最後皆會通過選擇性膜而造成分離的效果。

產水側的水質在過程中漸漸變純淨，在流程的後端可能因直流電壓的關係使水分子發生電解的現象，將水分子分解為氫離子和氫氧根離子，因為這兩種離子具有再生混床型離子交換樹脂的能力，如此即可使離子交換樹脂隨時連續再生，令水質能維持在良好的狀況，而無需再添加化學藥品以進行再生。

薄膜技術的整合應用:以電廠的鍋爐洩水回收為例

圖三為以薄膜程序回收（200噸/天）鍋爐洩水之試驗設備，處理程序為冷卻器、5 微米／1 微米過濾器、逆滲透模組 (RO)、0.2 微米過濾器、連續電去離子模組 (CDI) 及混床樹脂 (MB)，其中混床樹脂係用以保障產水的水質可維持在良好的狀況。此完整程序的產水水質電阻率可達 16 MΩ-cm 左右，可作為發電系統補給水之用。實際運轉的狀況是每小時可處理 8 噸的鍋爐洩水，經處理後每小時可回收 6 噸的純水作為系統補給水之用。