高效水濾材脫鹽應用–正滲透薄膜
海水淡化為現今脫鹽程序中最具代表性的應用範疇，而現有海淡技術能耗高，故開發新穎的海淡技術以降低產水能耗是未來必經之路。正滲透脫鹽技術具備低能耗、操作容易且不易薄膜結垢等優勢，其原理雖與成熟技術逆滲透脫鹽原理相似，但在薄膜效能上仍有很大進步空間。正滲透薄膜必須符合高脫鹽率、高水通量、高耐化性及具有相當的機械強度，故其設計方向與逆滲透薄膜大不相同。
本文將從以下大綱，以近幾年國際間發展的正滲透膜作為介紹標的，使國內產業能對於新穎脫鹽技術正滲透膜材有一定概念。
‧前言
‧薄膜結構型態
‧正滲透薄膜
‧商售正滲透薄膜
‧工研院研發之正滲透薄膜
‧結論
【內文精選】
前言
受到氣候變遷及工業發展帶動，全球用水需求日益增加。為解決水資源問題，脫鹽技術係取得淡水水源最直接之方法，如何從含鹽分的水中分離鹽質及水，是世界各國都投入加強研發的技術項目。相對於熱蒸發技術，薄膜(Membrane)脫鹽技術的發展為另一突破，尤以最為普遍使用的逆滲透技術，藉由壓力的驅動，使水透過逆滲透薄膜與鹽質分離，能量需求僅為熱蒸發法的50%。
正滲透(Forward Osmosis)脫鹽技術在近幾年被視為最具潛力的薄膜脫鹽技術。其原理為藉由高滲透壓的提取液驅動低滲透壓含鹽水，使水通過正滲透膜而離子被膜片阻擋，後續再分離提取液與水分取得淡水，正滲透脫鹽技術程序如圖一所示。2006年美國耶魯大學教授Menachem Elimelech正式提出正滲透技術應用於海水淡化的可行性，並以理論計算推論出正滲透技術應用於海水淡化能降低能耗至2.0 kWh/m3，其值僅為逆滲透法的一半，此舉引發學術界廣泛研發正滲透技術與相對膜材。
圖一、正滲透脫鹽技術
正滲透膜與逆滲透膜都為半透膜，因系統操作原理的不同，使膜材特性有所差異。逆滲透程序驅動力為施加外壓，因此逆滲透膜必須抗壓，同時抗污為逆滲透膜必須具備的特性，因外壓將強制使污染物嵌入膜材內部，會造成不可逆結垢問題。而正滲透技術則是利用自發的滲透壓驅動力，無外壓的情況下，可大幅降低不可逆結垢的問題；相對的，為了讓滲透壓驅動力最大化，則必須考量離子於膜材內的擴散現象。薄膜內部濃度極化現象是正滲透膜必須面對的問題，如圖二所示，當離子於薄膜多孔層內移動速度過慢，將會於膜片內部產生濃度下降現象，導致有效驅動力降低。
正滲透薄膜
由於正滲透分離程序所產生之驅動力是要靠薄膜兩側的掃流來達到，所以薄膜下游端因為薄膜結構不連通導致鹽類交換不容易，進而造成濃度極化現象，因此中層之結構連通性以及親疏水性均會影響濃度極化現象之程度。表一為常用之中層材料之表面張力以及接觸角。
為了要克服正滲透薄膜之濃度極化現象，中層超過濾層結構型態也為重要因素之一。圖五(a)為典型超過濾膜之薄膜結構型態，其在指狀孔洞內壁為較為平滑且孔洞較少；而經過造孔後為圖五(b)，指狀孔洞內可觀測到較多的小孔，可幫助正滲透程序中提取液之掃流，且可讓內部濃度極化現象降低，使通量可達到較高的水準。
圖五、超過濾層薄膜結構，(a)典型；(b)造孔後
商售正滲透薄膜
1990年HTI (Hydration Technology Inc.)公司接受美國政府計畫支持，朝向軍用緊急救援水過濾系統研發，因而開發出適用在FO技術內的膜材，並應用於產品內（救命水袋—HydroPack）。
HTI公司推出的膜材在薄膜分類上被歸類為多孔非對稱薄膜，基礎材料使用三聚醋酸纖維(Cellulose Triacetate; CTA)，具有極好的親水性。薄膜結構如圖六所示，在膜材極薄的情況下(50 μm)，為了提供薄膜足夠強度，其為將聚酯織布嵌入膜材內。製作的膜材親水性高且厚度低，符合正滲透薄膜需求。然而，該膜材在工業上使用，材料本身的耐化性及耐酸鹼特性仍有待加強，醋酸纖維會在強酸或強鹼條件下水解，膜材適用的pH範圍僅在4~9。
工研院研發之正滲透薄膜
正滲透薄膜與逆滲透薄膜有決定性的差異，所以薄膜設計方向大不同，目前較為著名的商品膜為HTI系列的薄膜，而其效能較好的薄膜結構為下方使用織布，且厚度為約50 μm。工研院研發之薄膜厚度也在此範圍。然而不織布以塗佈的方式成膜，會有高分子漿料下滲的問題，導致不織布有部分孔洞被塞住，而工研院研發之薄膜可克服此缺點。如圖七所示，藉由奈米碳管層交錯且具備內穿孔隙特性...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：鍾立涵、林冠佑／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」388期，更多資料請見下方附檔。