吸附式水回收技術與材料介紹

 

刊登日期:2014/12/5
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隨著全球人口增加與經濟成長,人類每年淡水需求量約以 2%比率增加,預計 2030年之淡水年需求量將達 6.9兆立方米。然而,自然界水循環可供利用之淡水資源僅約 4.2兆立方米,顯與需求量有一巨大落差,面對此一困境,除積極開發新興水資源外,落實節水措施與設法回收廢(污)水再利用,亦為解決水資源短缺問題之重要措施。

吸附式水回收技術(Adsorption Desalination;AD)為一新興廢(污)水回收技術,圖一為吸附式水回收系統示意,本技術將廢(污)水導入蒸發器使其蒸發為水氣,藉由填充吸附劑(通常為矽凝膠 (Silica Gel))之吸附床將水氣吸附(此時吸附床處於吸附狀態),並於一定吸附時間後,將吸附床加溫使水氣自吸附劑脫附(此時吸附床切換為脫附狀態),脫附出高溫、高壓水氣引流入冷凝器冷凝成淡水回收,而脫附後吸附床則繼續切換成吸附狀態進行水氣吸附,重複交替前述程序。本技術最主要優勢在於關鍵材料—吸附劑不與廢(污)水直接接觸,無被污染與積垢堵塞問題,加以矽凝膠低溫即可脫附水氣(脫附溫度 55~140˚C),可利用工廠廢熱與太陽能做為脫附熱源,水回收成本可大幅降低。

水氣吸附劑介紹
吸附劑為吸附式水回收技術之關鍵材料,其水氣吸附能力與脫附條件對本技術之廢(污)水回收成效有重要影響。矽凝膠為本技術常用之水氣吸附劑,一般常見水氣吸附劑尚有活性碳、沸石與氯化鈣等,相關吸附劑特性與吸水能力分別簡介如下。

1. 矽凝膠
矽凝膠為一非晶形二氧化矽( SiO2 •xH2O),表面具有 OH基與不定量的水分子,可藉由不同製造程序調整其孔洞結構。於室溫狀態下,矽凝膠因表面存在大量 OH基,屬親水性物質,然當溫度升高時,表面 OH基被熱脫除形成矽氧鍵結,則逐漸呈現疏水特徵,如圖二所示。由於溫度差異可造成矽凝膠表面親疏水性顯著改變,並影響其水氣吸附與脫附能力,由於材料本身熱穩定性佳、化學性質安定與機械強度高,使得矽凝膠常見各種需要反覆吸脫附水氣的應用場合。


圖二、矽凝膠表面水合與脫水作用

國內材料研發現況
如前所述,目前應用於吸附式水回收技術之矽凝膠主要為日本與韓國產品,國內尚未有類似規格矽凝膠可供本技術應用,若能建立我國自主材料供應,將有助於我國發展本技術之相關應用。中空纖維吸附劑( Adsorbent Hollow Fiber )於 2005年由 University of Bath、Chemical Engineering 於 The Seventh World Chemical Engineering Congress 提出於環境之應用,其利用單層紡絲頭經不同高分子的相轉變過程,製得吸附劑含量達 75 wt%以上之中空纖維型態吸附劑,應用於揮發性有機氣體( VOCs )吸附,具有比傳統顆粒吸附材更良好的吸附特性。由於中空纖維吸附材之質傳區( Mass-transfer-zone )較顆粒吸附材( Pellets )或蜂巢結構( Monolith )為短,且流體流經所產生之壓損低,對需要利用吸附劑反覆吸脫附回收有價物質之應用,具有一定之優勢。

工研院材料與化工研究所為協助我國水科技產業於吸附式水回收技術開發與應用時,能有自主之關鍵材料,已利用矽凝膠粉末(粒徑小於 10 μm)混合高分子黏著劑,製作出低成本、高效能之中空纖維矽凝膠。圖四為工研院開發之中空纖維矽凝膠外觀與電子顯微鏡照片。圖五與圖六為不同矽凝膠產品於特定條件下之水氣吸附與脫附速率測試結果,其中矽凝膠( F )為 Fuji 公司型號 RD2060 產品、矽凝膠(M)為 Merck公司型號 Grade 10181產品、中空纖維矽凝膠為工研院自製產品(矽凝膠含量84 wt%),各矽凝膠產品之表面特性與室溫飽和吸水率結果整理如表二。測試結果顯示力……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖四、工研院開發之中空纖維矽凝膠外觀與電子顯微鏡照片

作者:徐樹剛、游舒媛、戴清智、張昭君/工研院材化所
★完整內容請見下方檔案。


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