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                                                                                                   Notes
                                                                                                   技術專文



 有帶電荷離子越多，則越易導電，導電度就越高，也表示  回顧水處理技術的發展，最開始的水處理技術是將自                                                                                             2.2   膜   技術                               2.2.1  薄膜蒸 技術(Membrane Distillation)
 水中含解離的鹽類越多。以水質的 度來看，水的導電度  然界的水資源淨化成飲用水的過濾技術，而在某些水資源
                                                                                                                                                    雖然逆滲透膜水處理技術被各項領域廣泛應                        薄膜蒸 技術為一種結合蒸發法與薄膜法的脫鹽技術。其原理
 越高，解離態的鹽類多，即可能發生腐蝕或是沉積等反應  缺 的地區必須利用 水，因此將 水淨化成淡水的水處


                                                                                                                                                用，但隨著環保意識增強，科學家不斷找尋可更                      為利用通過疏水性薄膜兩側的流體其蒸氣壓差做為驅動力，以高溫
 ，可能對輸送管路的維護、  水生生物生存與農業灌   理技術需求就相應產生。 水淡化其實也是一個脫鹽的過
                                                                                       Semipermeable                                            加節能與可處理更高濃度進流水的薄膜材料與技                      使水蒸汽透過薄膜輸送置產水側，將水與鹽類分離，如 圖3 。相
                                                                                                                                                                                                                                          [10]
 等有影響，因此導電度越高代表水質越不好。目前公司各  程，最開始是透過蒸發的方式，將 水加熱  ，收集起            Osmosis               membrane

                                                                                                                                                術。近十年來，薄膜水處理技術的演進越發成熟                      較傳統蒸 技術之優點為 : 使用薄膜蒸 可透過薄膜材料設計增加
 廠區所產生的廢水導電度大約在4,000~12,000µs/cm這個  來的凝結蒸 水就是淡化水，但為了節約能源，可以把第



                                                                                                                                                與多元化，本文將介紹幾種具發展潛力的技術 :                     蒸散的表面積，也因此在相同 地面積下，薄膜蒸 設備可處理的
 範圍，各廠間差異源自於製程使用的化學品種類與用量及  一次加熱出來的蒸氣用來加熱第二次的 水，把第二次加                            Dilute      Concentrated
 回收系統的回收水量；一般而言，廢水中的導電度主要來  熱產生的蒸氣用來加熱第三次，最後把所有的冷凝水收集                            solution        solution                                       以蒸氣壓差異作為驅動力的薄膜蒸 (Membrane                  水量更多。
                                                                                                                                                Distillation, MD)，以電化學方式處理的電透析法                目前常見的薄膜蒸 系統設計有四種，分別為直接接 式
 源有兩個：一為製程機台排水，因主要為晶圓清洗水，通  起來便是所生產的淡化水，這就是多效蒸發法(Multi-effect
                                                                                                                                                (Electro dialysis, ED)與電容脫鹽法(Capacitive    (DCMD)、間 式(AGMD)、空氣 流式(SWMD)與真空式(VMD)薄
 常會混雜製程中使用的氨水、硫酸、氫氟酸等化學品，故  Distillation, MED)的原理 。類似的蒸發技術還有多級 化
                              [6]
                                                                                                                                                Deionization, CDI)，及低能耗的正滲透技術              膜蒸 ，如 圖4     [10][11] ，其中以真空式薄膜蒸 具有高通量與低熱能
 某些機台排水的導電度就會較高；再者為廠務系統使用物  法(Multi-stage Flash, MSF)與蒸氣壓縮法(Thermal Vapor
                                                                                                                                                (Forward Osmosis, FO)。                     損耗的優點，為四種設計中最具商業化應用潛力的設計，如 表3。
 化處理所貢獻，在水中加入化學品處理廢水，同樣也對排  Compression, TVC)，此三種方式的原理都大同小異，而
                                                                                       Osmotic
 放廢水的導電度有一定程度的貢獻。了解廢水導電度的主  與多效蒸發法不同的地方是多級 化法因加熱區與回收區                                  pressure
                                                                                       Po
 要貢獻來源，我們需要更進一步找到能夠改善的機會點及  有區隔所以較不易結垢沉積，因此操作較為有彈性，另一            Osmotic pressure
 可適用的處理方式，在兼顧水回收的同時，也將污染防   方面蒸氣壓縮法則是利用電能將蒸氣壓縮，減少蒸氣的使
 的效果提升。    用需求。三種以熱作為能源的脫鹽技術，因其能耗較高且
                                                                                 Dilute      Concentrated
            地面積計較大的原因，到了1960年代逐漸被薄膜技術取                                           solution        solution
 2.1    電度技術(  技術)
           代。
 探討目前工業界常用與應用較為成熟廣泛的降導電度  利用薄膜技術分離鹽類與水的發展 史，如 圖1所呈
             [7]
 技術，因應各式各樣水質條件、處理需求、場地限制或能  現 。                                                                   P Po
 源使用的考量等，發展出許多不同的技術與應用層面。所
                                 現象
 謂降導電度的技術，用簡單一點的方式說明即是-將水中之  1748       法國物理學家 ean Antoine Nollet(1700-1770)-發現並提出「滲透，Osmosis」
 具導電性的鹽類去除的方法，亦被稱為脫鹽技術(Desalina-  1827  法國生理學家Henri Dutrochet(1776-1847)-說明並定義滲透現象  Reverse osmosis
 [5]
 tion Technology)，若依照分離機制，如 表2中文獻分類    理論基礎
           1865  德國生理學家Adolf Fick(1829-1901)-第一張硝化纖維有機膜 : 探討分子擴散
 : 可分為將水分離(Water Separation)與將鹽去除(Salt                                           Dilute      Concentrated
           1827       德國生化學家Moritz Traube(1826-1894)-第一張人造無機膜 : 探討滲透             solution        solution
 Removal)兩大種類，其中若以製程特性分類，又可細分為  1887  荷 物理化學家Van t Hoff(1852-1911)-建立完整滲透壓理論
 蒸發法(Evaporation)、結晶法(Crystallization)、過濾法  實務研發
           1907  德國化學家Heinrich Bechhold(1866-1937)-發明大孔洞硝酸纖維膜製備技術
 (Filtration)、離子過濾法 (Ionic Filtration)、離子遷移法   1949       UCLA, Prof. Gerald Hassler( 水脫鹽)、Prof. Charles Reid(並鹼水脫鹽)  [8]
 (Ionic Migration)等，脫鹽技術方法多達十多種，但每個技  1962       UCLA, Prof. Samuel Yuster, Dr. Sidney Loeb and Dr. Srinivasa Sourirajan-  圖2、滲透與逆滲透原理示意圖

 術各自有其適合應用的產業，後續將針對其適用性做比較                第一張非對稱型 酸纖維素逆滲透膜
           1960 s      示 : Go to the moon and make the desert bloom  20世紀中，科學家持續研發薄膜材料並應用於水處理
 與討論。
                                                             ，製作出孔徑小可分離水分子和離子，且同時需兼顧高通
                        圖1、薄膜脫鹽技術發展 史       [7]
                                                             量與可耐受逆滲透高壓的半透膜材料，Loeb和Sourirajan
                                                             兩位研究者於1960年成功開發出第一張高性能的非對稱型
               由19世紀初科學家發現與定義滲透現象(Osmosis)，並
                                                              酸纖維素逆滲透膜，由於這項研發成果促使逆滲透膜商
           製作出人工的無機滲透膜，並於1887年由荷 的物理化學
                                                             業化的夢想實現，開啟了薄膜分離科學和工程研究的新紀
           家- 德  (Van t Hoff)建立完整的滲透壓理論，說明滲
                                                             元，美國化學學會特地在1980年的年度大會中，  表揚
           透程序是以壓力差為驅動力的薄膜過濾，當一張半透膜隔
                                                             對人類生活深具影響的 大貢獻。後續逆滲透膜在水處理
           開稀薄溶液和濃溶液時，由於兩端溶液濃度的差異，稀薄
                                                             上被廣泛應用，主要的差異在於鹽類阻絕率、操作壓力和
           溶液端的溶劑會通過半透膜擴散至高濃度端，這一現象稱
                                                             透水率的不同，可分為：飲用水的淨化、水回收再利用、
           為滲透。當溶劑擴散達兩端平衡時，高濃度端所增加的液
                                                             電子級超純水的製備，以及  水與 水脫鹽四大應用方
 2.  文獻探討  壓差稱為滲透壓。反之，如果反向在高濃度端加壓，使施                         向 [7][9] 。
           加壓力大過滲透壓，則高濃度端的溶劑反而會往低濃度端
 水溶液的導電度，其物理意義為溶液的導電能力，而  流動，這種強迫反向的滲透程序就稱為逆滲透，逆滲透水
 導電能力和溶液中離子之有無、離子之濃度、離子移動性
           的製作就是利用這樣的原理，如 圖2 。
                                        [8]
 、價數、離子間之相對濃度及溶液溫度有關係。當水中含

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 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。


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