離子交換膜發展現況

刊登日期:2016/12/26
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蔡政修、李旋維、林俊男、蔡麗端/工研院材化所

前言
日前於日本奈良春日野國際論壇會議中心所舉辦的亞洲薄膜會議,是由亞太區薄膜協會(Aseanian Membrane Society;AMS)所主辦的第十屆研討會。受邀演講與參與會議的學者比往年大幅激增,此會議內容含 8場邀請演講、196場口頭報告、389篇壁報展出以及 12家業界廠商展覽。目前 AMS協會的成員包含日、韓、台、新、中、澳與紐西蘭等六國,其中,新加坡係首次以新加坡薄膜協會名義參與 AMS,中國大陸則因為薄膜相關協會過多,預計 2016年內會成立一整合型的中國薄膜協會,並以該名稱參與 AMS。
 
AMS10會議主要由亞太薄膜協會(AMS)、日本薄膜協會(MSJ)與神戶大學共同組織籌辦,議程內容主要涵蓋:水處理應用、氣體/液體分離應用、能源與環境應用、生物與仿生膜材應用、膜材製作及其性質驗證、新型膜材開發及其製程等。
 

 
圖一、AMS10會議主要討論議題分類

 
國際薄膜協會組織發展
在50年代末至60年代初,雖然薄膜科技應用在當時的視野還很小,且無較大規模的工業應用,但薄膜科技應用的發展潛力開始吸引越來越多的關注。1996年,美國教授 H. Gregor與義大利教授 A. M. Liquori 於義大利拉維洛(Ravello, Italy)成立了首個薄膜科學與應用的發展組織,該組織即為 NATO Advanced Study Institute,當時主要探討薄膜的傳輸現象。

至1978年,日本成立了日本薄膜協會(The Membrane Society of Japan),1982年,歐洲亦成立了歐洲薄膜協會(European Membrane Society and Technology),發展策略除了主要著重在將薄膜科學朝國際化發展與前瞻項目研發外,亦包括培育相關研發人才等。發展至今,目前全球已成立超過 10個以上的薄膜協會,並有其他更多新的薄膜相關研發組織正持續籌辦與建設中。其中包含了因人口激增而產生水資源問題與需求增加的印度,成立了其國內的薄膜協會(Indian Membrane Society),以及非洲薄膜協會。
 
此外,在推動薄膜科學發展與再生能源的結合上,阿拉伯聯合大公國的阿布達比(Abu Dhabi, United Arab Emirates)之 Masdar Special Projects - Renewable Energy Seawater Desalination Program 提及全球用水量正隨人口快速激增而在經濟與社會上產生嚴重之水資源與用水問題,且以乾旱區域尤為關鍵與迫切。

對於阿拉伯聯合大公國而言,由於其氣候乾旱與水資源短缺問題,該國被聯合國列為最缺水國家之一。該計畫目標主要為確定和實施產業規模和商業可行性的海水淡化技術,以確保可持續的區域供水。計畫目標主要分為兩階段:階段一(2013-2016)主要透過與廠商合作並建置示範運行試驗場,進行總容量每天達 1,500立方米的高能效海水淡化技術示範運行,該示範運行之試驗場包括位於阿布達比甘圖特的四家廠商,每個示範點將運行操作超過 18個月。階段二主要在繼續實施和技術精進,符合在商業規模預定義的標準發展。
 
研討會重點精摘
1. 中國清華大學
研討會中報告的離子交換膜應用於能源領域之現況,包含有燃料電池、液流電池等,另亦有應用於膜過濾/水處理方面,包含電透析、擴散透析、水或酸的回收等。




圖四、中國清華大學王教授團隊(Baoguo Wang) 的報告內容

離子交換膜以其離子傳導特性,作為離子傳導膜(Ion Conductive Membranes;ICM)已被廣泛研究應用於釩液流電池(Vanadium Redox Flow Batteries;VRFBs)。然而,在此類離子交換膜內,陽離子交換膜高分子結構之側鏈磺酸根(SO3-容易吸附五價的釩離子(VO2+),而此(VO2+)離子具強氧化性,易使磺酸根(SO3-)產生降解而失去離子傳導特性,另外,具 NR4+ 離子基團之陰離子交換膜於酸性環境下長時間運作之穩定性不佳。

中國清華大學的王教授團隊(Baoguo Wang)利用成核(Nucleation)與晶體成長(Crystal Growth)方式,利用溫度與時間控制結晶性高分子之結晶程度,製備具離子選擇性之奈米多孔 PVDF膜,其結果顯示,此類可導通質子之 PVDF膜具有高質子傳導性與化學穩定性,其團隊更放大製程規模至有效面積為---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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