新型低能耗正向滲透薄膜應用於海水淡化與發電程序

刊登日期:2014/2/13
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吸取液
McCuthcheon等人則使用適當的氨氣(NH3)及二氧化碳(CO2),添加氫氧化胺(NH4OH)及碳酸氫胺以提升在水中的溶解性,確保此吸取液能提供高滲透壓並擁有高回收率。近年來,有研究使用合成材料、金屬粒子、奈米微球做為吸取液,其中親水性的磁性奈米顆粒被視為新興的吸取溶質。這種磁性材料主要是藉由溶質的超順磁特性,根據顆粒大小及特性利用簡單的磁場、超過濾及電場等方法進行移除(圖三),獲取所需溶液,取代化學的移除方式。


圖三、超順磁之親水性磁性奈米顆粒應用於正向滲透吸取液

正向滲透薄膜
薄膜在正向滲透程序當中扮演相當重要的角色,除了需有能夠產生高滲透壓的吸取溶液之外,還需有好的薄膜提供良好的阻擋特性,避免吸取端的溶質透過至進料端,造成兩端的有效滲透壓下降,進而使得正向滲透程序的效能降低。另外,薄膜也必須具備良好的流體透過特性,提升正向滲透程序的操作。因此兼顧高阻擋率及高透過量的性質,是目前薄膜設計及製備上最重要的課題。傳統的逆向滲透薄膜為了克服滲透壓所施加的壓力,導致薄膜較厚以提供足夠的機械性質,然而應用於正向滲透時,面臨嚴重的內部濃度極化(Internal Concentration Polarization; ICP)問題。此現象會造成薄膜兩端的滲透壓差下降,進而導致正向滲透效能低下。針對薄膜進行改質或設計以克服內部濃度極化,乃是目前最重要的課題;為了提升水的傳遞速率,材料的選擇多以親水性材料為主,如醋酸纖維素、親水化聚丙烯、嫘縈及聚醯胺複合薄膜等。

壓力延遲滲透
相較於目前眾多綠色能源衍生的相關問題,如生質酒精可能與民搶糧、開採頁岩石油的環境汙染、火力發電會排放溫室氣體、風力發電會影響候鳥遷徙等,壓力延遲滲透發電相對是對環境友善的綠能技術。而這樣的壓力延遲滲透技術到底是如何發電的呢?透過荷蘭學者Van’t Hoff所提出的公式計算溶液滲透壓,該公式計算結果與實驗測量高度一致。海水通常含有3.5%的鹽分,此濃度的滲透壓大致相當於240公尺的水位差。換句話說,如果在淡水和海水之間放置一片半透膜,那麼其間的水壓相當於建造一座兩百多公尺的大壩。

壓力延遲滲透技術發電就是經過預處理的淡水進入半透膜區域,半透膜的另一側是海水(圖五)。絕大部分的淡水在滲透壓的作用下穿過半透膜。穿過後水壓大增,目前能夠獲得的壓力已達理論值的一半,相當於一百多公尺的水位差。這些水一部分推動渦輪發電,另一部分則做為循環水將海水引入半透膜區域,造成位差。正常運行條件下,半透膜裝置能夠使用7~10年,比一般逆向滲透薄膜的壽命長。


圖五、壓力延遲滲透應用於發電程序示意圖

濃度極化現象
1. 外部濃度極化現象
此現象在傳統逆滲透薄膜中可謂常客。最早使用整體都是緻密的對稱膜進行正向滲透分離時,緻密的一端在面對進料端時,進料中的溶質會因為緻密層的阻擋而截留至緻密層外側,造成溶質不斷累積,使薄膜面對進料端的滲透壓上升;此現象稱為濃縮式的外部濃度極化現象(External Concentration Polarization; ECP)。而另一側面對吸取端的選擇層,則因為溶質從進料端的流體流至吸取端,造成溶質的稀釋,進而使吸取端的滲透壓下降,此現象稱為稀釋式的外部濃度極化現象。若要解決外部濃度極化可以透過……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:洪維松、曾冠銘、李魁然、賴君義 / 中原大學化工系
★ 本文節錄自「工業材料雜誌326期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=11652


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