薄膜蒸餾水處理技術與薄膜材料之應用

刊登日期:2014/12/5
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薄膜蒸餾(Membrane Distillation; MD)技術於1963年 Bodell首次以專利發表問世,且 Bodell與 Weyl積極將薄膜蒸餾應用在脫鹽程序上Findley 於1967年發表首篇論文探討薄膜熱傳與質傳現象,伴隨著高分子薄膜材料研發與製造技術的進步,於1980年代初期,薄膜蒸餾逐漸受到矚目,相關的發表文獻也逐年增加。至1985年,Goreand Associates(USA)、Enka AG(Germany)與Swedish Development Co.公司嘗試將薄膜蒸餾技術商業化,但仍未能研發出具工業規模的薄膜蒸餾程序,主要受限於具備相關特性且符合成本的薄膜材料尚未商品化。在眾多薄膜脫鹽與分離的技術中,讓物質透過膜的驅動力( Driving Force )包括壓力差、濃度差、電位差及溫度差等,圖一為不同驅動力下,脫鹽系統的處理機制與性能示意圖,其中驅動力就是促使溶液分子往薄膜方向移動的力。


圖二、
薄膜蒸餾原理示意圖

薄膜蒸餾之裝置型式
薄膜蒸餾裝置主要可區分為直接接觸式( Direct Contact Membrane Distillation;DCMD )、空氣間隙式( Air Gap Membrane Distillation; AGMD )、空氣掃掠式( Sweep Gas Membrane Distillation; SGMD )及真空式( Vacuum Membrane Distillation; VMD )等,圖三分別為四種薄膜蒸餾裝置示意圖。其中 DCMD是利用兩相異溫度的水溶液直接接觸於薄膜兩側同向或逆向流動,藉由薄膜兩側的溫度差產生蒸氣壓差,驅動高溫側水溶液形成水蒸氣通過薄膜,並直接凝結在低溫水溶液中。AGMD 則是在薄膜與冷凝板間加入空氣間隙,高溫水溶液在流動中產生的水蒸氣透過薄膜直接凝結於冷凝板上,同時冷卻水在冷凝板的另一側流動帶走凝結熱,凝結後的滲透液可單獨收集。

SGMD 則是高溫水溶液在薄膜一側流動,在另一側注入流動的氣體,將水蒸氣帶走,帶離的水蒸氣再經由分離器進行分離並通過外部冷凝。VMD 則將流動氣體取代為真空狀態,使得薄膜兩側蒸氣壓差比其他型式的裝置更大,使水蒸氣更易進行傳輸,滲透通量更大,具有產水量較高的優點,但過程中必須持續維持真空,由於 DCMD 結構簡單、滲透通量大且操作容易,與 VMD 為較常被應用的兩種裝置。


圖三、薄膜蒸餾裝置示意圖

薄膜蒸餾應用與展望
目前國際上有許多公司投入薄膜蒸餾系統研發,較具代表性的包括 Fraunhofer ISE、Memstill® and Aquastill、Scarab AB及Memsys 等。本文針對 Fraunhofer ISE 與 Memstill® 進行介紹,其中,最早發表薄膜蒸餾模組的是 Fraunhofer Institute for Solar EnergySystem(ISE) 公司,其創新點在於採用螺捲( Spiral Wound )的設計,開發出空氣間隙式薄膜蒸餾系統,圖四為 Fraunhofer ISE 薄膜蒸餾模組圖,優點在於具備內部熱回收及最小的潛熱損失,顯著地減少系統熱能需求,於 2003年的產品,熱能消耗約 140~200kWh/m3,且每一單元中具有 5~14 m2 的薄膜面積,至 2011年,熱能消耗可低於 130kWh/m3。Memstill®薄膜蒸餾系統是由荷蘭的 TNO( Netherlands Organisation for Applied Scientific Research )與比利時的 Keppel Seghers 共同開發,並於 2006年正式發表具備能源效益的空氣間隙式薄膜蒸餾系統,圖五為 Memstill® 的薄膜蒸餾模組圖,並進行長時間連續操作,搭配廢熱的狀況下,可有效節省能源成本,製水成本約為每噸……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:黃盟舜/工研院材化所 
★完整內容請見下方檔案。

延伸閱讀:薄膜蒸餾技術


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