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Tech
3. 研究方法
3.1 體廠 流 水 電度水質分析
研究整理了許多關於降低水中導電度的脫鹽技術，接
著我們需要了解廠區廢水水質特性以評估適用技術，期望
處理後可達降導的目標。以較成熟技術世代廠區廢水作為
研究目標並分析其水質，首先需 製出廠區廢水處理的流
程圖，再將水質與水量量測記錄下來，依循物質質量不滅
定理，確認污染物在廠區內的質量平衡，找到主要貢獻來
源之廢水。但導電度的物理意義為「溶液中含帶電離子的
濃度」，因此水溶液的氫離子濃度(pH值)對於導電度讀值
也有一定程度影響，在判斷極酸(pH<2)或極鹼(pH>11)的
溶液中所含有的鹽份濃度可能就會有所偏 。基於此考量
，本研究除了量測廠區各股廢水的導電度數據，並增加「
總溶解固體」(Total Dissolved Solid, TDS)量測，來減少氫
離子濃度對量測結果的影響，也同時探討導電度與總溶解
固體兩者的相關性。
以導電度與總溶解固體計算之質量平衡，可獲得貢獻
放流廢水導電度與總溶解固體之 比，如 圖8，可以發現
無論是以導電度或總溶解固體作為指標，主要貢獻來源為
四股水源 : CWD氨氮系統產水(CWD MD-33%/24%)、純
水系統樹脂再生廢水(UPW Regeneration-14%/23%)、氫
氟酸處理廢水(HF Effluent-26%/29%)與酸性回收系統逆滲
Cooling
Floor Drain Tower Drain
UPW 5% 1%
Regeneration
14%
CWD MD
33%
AWR ROR
21%
HF Effluent
26%
水 電度 獻度 比
Cooling
Tower Drain CCR ROR
1% Floor Drain 0%
9%
AWR ROR HF Effluent
13% 29%
UPW
Regeneration
23% CWD MD
24%
水TDS 獻度 比
圖8、廠區各股廢水導電度與總溶解固體貢獻放流水之分配圖
1 2 3 4 5 6 7 8
依照氨氮系統產水測試結果得知，單極膜電透析模組
較雙極膜模組能耗效率較好，因此陰離子樹脂再生廢水也
選用單極膜作為工程化模組。同樣以定電壓5V、 流速度
6cm/s與固定有效膜面積176cm 的單極膜電透析模組做降
2
導實驗，實驗結果如 圖14所示，可以發現在進流廢水與酸
鹼回收液體積比為1 : 1時，薄膜處理即達到提濃極限，因
產生的回收酸鹼導電度上升斜率已趨緩，若再執行第二個
批次的處理，所需的處理能耗會增加；另外，降導的成果
為三小時可降低92%導電度(由23,000us/cm降至2,000
us/cm)，可 的是所產生的回收酸、鹼濃度僅1.8%與1.1%
，受限於回收酸鹼的提濃極限，此股廢水的回收酸鹼效益
並不如預期。
另一方面，若以相同實驗條件(廢水降導率70%)比較氨
氮系統產水與陰離子樹脂再生廢水用單極膜電透析模組處
理的結果，可以發現在產生回收酸鹼的效益上是氨氮系統
產水的結果較好，如 圖15，產生的酸鹼濃度是樹脂再生廢
水的約兩倍，所花費的能耗也較低，若以回收酸鹼為目的
考量，氨氮系統產水的效益就相對較高。因電透析法也屬
於薄膜分離的技術，基於質量不滅定 ，當進流水的成分
越複雜，則分離的困難度越高，因此樹脂再生廢水利用單
極膜電透析法處理，雖可使得出流水的導電度降低至
2000us/cm，但產生回收酸鹼的處理卻也還是另一個待解
決的問題，因廢液導電度已高達100,000us/cm，建議後續
流程可使用熱處理方式將水與鹽類分離，以達到去除廢水
中鹽分的目的。
11 12 13 14 15 16 17 18
21 22 23 24 25 26 27 28
31 32 33 34 35 36 37 38
41 42 43 44 45 46 47 48
Notes
技術專文
透膜濃縮水(AWR ROR-21%/13%)。因此，本研究之策略 4. 結果與分析
為著重於這幾股廢水作進一步的處理。
由 表5水質分析數據結果，可發現CWD氨氮系統產水
另一方面，以導電度與總溶解固體數據進行迴歸分析
2-
水中離子主要是 離子(Na )與硫酸根(SO )，因此可預測
+
4
，如 圖9，可以發現兩者之間有近似於二次方程式的關係 回收後之酸鹼為氫氧化 (NaOH)與硫酸(H SO )為主；而
4
2
2
(R =0.92)；因總溶解固體量測方式不易且容易有誤差，我 純水系統樹脂再生廢水的離子組成主要為 (Ca )、
2+
們可透過此經驗方程式以導電度推估出總溶解固體。
+
-
2+
(Mg )、 (Na )、氯(Cl )、矽酸鹽(Silicate)等，成份較為
50,000 複雜，需進行適當前處理流程後才可進行電透析處理。
2
y = 2E-05x + 0.335x + 332.32
R² = 0.9244
40,000 4.1 CWD氨氮系統 水 電 析法 實驗結果
30,000
總溶 體(TDS, ppm) 2 以定電壓5V、 流速度6cm/s與固定有效膜面積176
20,000 cm 的單極膜與雙極膜電透析模組進行氨氮系統產水降導
10,000 實驗，實驗結果，如 圖12所示。由 圖12(a)可發現 : 在相
同條件下，若要達到70%脫鹽率雙極膜所耗費時間為單極
膜的兩倍，且在不同脫鹽率下電流效率也較單極膜低，如
0
0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000
導電度(us/cm) 圖12(b)，其原因為雙極膜模組內部因膜材數量較多，造成
阻抗提升，但兩者產生之NaOH濃度相近。根據實驗結果
圖9、導電度與總溶解固體(TDS)迴歸分析圖 ，選定使用單極膜電透析模組作為CWD氨氮系統產水處理
之工程化模組。
3.2 高 電度 水 處理與 估實驗 下一階段實驗為利用單極膜工程化模組，將氨氮系統
產水導電度 減70%並在考量能耗效率的條件下將回收酸
由上節的質量平衡分析得知，主要貢獻廢水導電度的 收酸鹼可提濃之極限，同時也需考量能耗、電流效率與膜
為CWD氨氮系統產水(CWD MD)、純水系統樹脂再生廢水 材耐受性；最後進行膜材鑑定分析，確認使用後膜材之膜 鹼濃度 可能的提濃，測試後得到的實驗結果為 : 當進料
(UPW Regeneration) 、氫氟酸處理廢水(HF Effluent)與酸 電阻與離子選擇性等。 廢水與酸鹼回收液體積比(Feed/Product)為5 : 1時，薄膜達
到提濃極限，如 圖13；可以發現連續進料運轉五個批次後
性回收系統逆滲透膜濃縮水(AWR ROR)這四股廢水，將其
，回收酸鹼的導電度逐漸趨緩，代表薄膜表面可能有滲透
水質水量分析後與放流廢水一同呈現，如 表6所示。本研
CCR ROR 壓產生或是有結晶物產生於薄膜，電壓不足以驅動離子透
0% 究針對CWD氨氮系統產水與純水系統樹脂再生廢水，與工
CMP Effluent 過薄膜，並且在第五個批次廢水降導率達70%的時間較第
研 水科技研究組合作進行降導處理評估實驗，因兩股廢
( 廢水) 一批次已增加至兩倍時間，雖然回收酸鹼的濃度還是有持
0% 水之pH值屬極酸或極鹼，選擇用電透析技術處理有機會可
續上升，但在能耗已大幅增加。綜合考量能耗與電流效率
達成同時回收水資源與回收酸鹼的雙重目標。
，建議使用單極膜電透析模組進行四個批次的處理，維持
3.3 高 電度 水 處理與 估實驗 70%以上的電流轉換效率，可將進料廢水降低至導電度約
7000us/cm，同時並產生回收7% 氫氧化 8.82CMD與9%
實驗流程，如 圖10所示，第一步將水質特性分析完以 硫酸11.3CMD，所需耗費能源為8.3kWh/kg。
後，設置兩種可行性測試模組：單極膜系統與雙極膜系統
(系統示意圖，如 圖11)；單極膜模組是由陰、陽離子交換 4.2 水系統 生 水 實驗結果
CMP
Effluent 樹脂薄膜與陰陽電極交錯排列組成，透過極室液(硫酸與氫 因純水樹脂再生廢水成份較為複雜，其水質評估結果
( 廢水) 氧化 溶液)持續循環帶走廢水中的陰陽離子，降低廢水導
1% 為 : 若將陰陽離子樹脂混和之再生廢水一起處理，前處理
電度；而雙極膜模組與單極膜不同處為靠近電極的薄膜替 的加藥將會貢獻更多廢水的導電度或總溶解固體，反而無
換為陰陽離子樹脂薄膜的複合材料能將水分解為氫離子與
法做到降低廢水導電度；但若將陰離子樹脂再生廢水獨立
氫氧根離子，其分別與陰、陽離子形成酸與鹼，離子去除 處理則可行性較高，透過化學混凝或電混凝方式去除矽酸
有機會可達90%以上，兩者皆可於去除導電度的同時回收
鹽之後，再使用電透析方法將導電度降低。因此本研究以
產生酸與鹼等有價物。第二步驟為以降導電度70%作為測
陰離子樹脂再生廢水降導處理為目標，透過電混凝進行前
試目標，探討電流、電壓、能耗與電流效率等相關操作參
處理去除矽酸鹽，實驗數據如 表7呈現，處理後廢水矽酸
數。第三步為工程化模組建立 : 由可行性測試結果選擇最
鹽可降至3ppm(去除率達99%)，水質達到可進電透析系統
佳操作參數(降導效率最佳與能耗最低)，以此條件測試回
降導電度的處理標準。
9 10
19 20
29 30
39 40
49 50