正滲透技術國際發展趨勢與應用

刊登日期:2016/2/3
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方峙翔、劉柏逸、鐘琍菁、洪仁陽/工研院材化所

正滲透技術(Forward Osmosis;FO)是一低耗能脫鹽程序,透過滲透壓差使水分子從低鹽濃度(低滲透壓)透過半透膜移動至提取液端(高滲透壓),其技術關鍵在於提取液(Draw Solution)與薄膜。國際間積極投入研究,在提取液開發上朝易分離特性設計,包含磁性式、壓力式、加熱式等分離方式。

另一方面,薄膜開發上朝低結構參數(Structural Value)設計,以及薄膜支撐層之親水化,目的是減少薄膜內部濃度極化(International Concentration Polarization;ICP)之影響,另外,新世代仿生薄膜亦是研發重點之一。FO技術可應用於實際廢水處理、濃鹵水處理、壓力輔助滲透(Pressure Assisted Osmosis;PAO)等,目前以 FO-RO 結合程序為主流,國際間規劃時程(Road Map)則是在五年內實廠規模達 1,000 m3/day。

一、前言
正滲透技術近期在脫鹽技術領域中備受關注,因不需額外施加壓力,是一種低耗能脫鹽技術。FO 技術原理為利用滲透壓差使水分子從進水端(低滲透壓)透過半透膜移動至提取液端(高滲透壓),如圖一所示,再藉由分離技術將提取液及過膜水分離與再生回用。FO 技術具低耗能與低積垢傾向,因此應用於水處理上能大幅提升功能穩定性及成本效益。

FO 技術之關鍵核心在於薄膜與提取液材料,材料的特性決定 FO程序之成效,目前習知的影響因素可分為薄膜內部濃度極化(Internal Concentration Polarization;ICP)、逆溶質擴散(Reverse Solute Diffusion)和薄膜積垢(Fouling)。以薄膜來說,高選擇性之活性層(Active Layer)可減少溶質擴散進而降低薄膜積垢,而增加薄膜支撐層(Support Layer)之孔隙率則有助於減少 ICP 的影響。

另一方面,提取液的選擇若為較小的離子則有助於質傳減少ICP的影響,但會增加逆溶質擴散,而大分子則能減少逆溶質擴散,但會影響滲透壓,使得提取液的選擇更為重要。因此在薄膜及提取液的特性上常需要 Trade-Off,目前各國持續投入研發中。

本文將概要介紹國際間對於提取液的開發、薄膜材料創新與FO技術應用之發展現況,期望藉由上述主題的介紹,讓國內產業界了解 FO 技術的最新進展。




圖一、正滲透技術原理示意圖

二、正滲透之提取液發展趨勢
提取液(Draw Solute)為 FO技術關鍵材料之一,理想的提取液特性包括: ①產生高滲透壓、②低逆溶質擴散、③無毒性、④與薄膜相容性、⑤易於分離。其中,又以提取液的分離最為重要。因此,目前國際上在設計提取液材料時,會將易於分離特性列為優先考量---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖二、第二代四級胺鹽類

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