楊欣茹、蔡翼澤、林冠佑／工研院材化所
為因應水資源短缺及永續發展需求，行政院再生水推動目標預期將於民國120年達每日132萬噸。在工業廢水回收再生領域因廢水來源複雜，採UF/RO做為再生水程序時常受加壓膜濾之限制，僅約有50%之回收水量；而EDR係以電場驅動水中帶電離子遷移透膜，其回收率可達80%以上。然EDR核心離子交換膜材掌握在國際大廠，使國內廠商在技術推廣及發展上備受限制，如何建立本土化離子交換膜材的設計製造及量產能力，將是國內拓展EDR產業的關鍵問題。
【內文精選】
前言
目前國內外工業廢水回收再生利用領域大多採用薄膜過濾技術，尤其以雙膜法—超濾(UF)結合逆滲透(RO)為主流，然而UF/RO技術在應用上常因工業廢水來源複雜且變異性大，使得在高壓驅動下的膜濾程序易發生膜面積垢堵塞，而衍生回收水量及水質下降問題，進而造成清洗頻率、藥品需求及膜材更換頻率上升而使整體操作成本增加。
做為雙膜法中關鍵組件的RO膜，在技術發展上由全球前三大廠商：美國陶氏、日本日東電工及東麗占了八成以上，且其技術與專利布局已相當全面，欲切入發展以尋求技術升級空間有限。為了解決關鍵膜材技術缺口問題，工研院近年來致力於發展具有競爭力之本土化自主電透析關鍵膜材，期能帶動我國電透析產業發展，提升產業技術競爭力。
EDR技術介紹與優勢
EDR與傳統膜濾技術最大差異在於其脫鹽驅動方式。傳統（如UF及RO）無論其脫鹽機制是屬於篩除、電荷相斥或吸附等，均使用壓力驅動直接對膜面施加垂直壓力的過濾模式進行操作；而EDR則是使用外加電場的方式驅動水中溶解性帶電離子，藉由電荷相吸及相斥原理，搭配特定離子交換膜材的排列，來達到脫鹽效果。如圖一電透析技術原理所示，於陰/陽兩極之間，依序排列只允許陽離子通過的陽離子交換膜(Cation-exchange Membrane; CEM)以及只允許陰離子通過的陰離子交換膜(Anion-exchange Membrane; AEM)，CEM/AEM各1片稱為1對膜，當給予系統外加電場時，水中溶解性帶電離子會往相反電荷的電極方向遷移，於移動過程中穿過相同電荷的離子交換膜，並被相反電荷的離子交換膜所阻擋，藉此在多對膜材之間構成脫去鹽分的淡水腔室，以及接收鹽分的濃水腔室。
圖一、電透析技術原理
國內自主離子交換膜材發展歷程
以電透析全系統而言，其核心模組即占了約46%之設置成本（圖三），顯見補足該技術缺口對建立本土化產業聚落之關鍵性。工研院近三年致力於建立離子交換膜材自主開發及生產能力，透過結構組成調控及合成製程的調整，成功聚合了具有離子基團的高分子，以發揮膜材離子選擇性及提高離子交換能力；同時提高離子官能基含量，增加膜材之耐化性及物性。藉由特色交聯劑的開發，提升開發膜材的結構強度及尺寸安定性。此外，在捲繞式傳輸製程(R2R)膜材製備方面，充分驗證不同塗佈製程之差異性，並藉由製程參數的調整，規劃適合塗佈膜材之程序，繼而克服膜材界面由後端熟化程序所產生的氣/液相之技術瓶頸，達成在大尺寸面積之製備持續優化，進而成功開發與製作規格化的離子交換膜。
圖三、EDR全系統占比分布
市場需求
針對離子交換膜而言，其形式與應用範疇多元，遠比傳統以膜孔孔徑或親/疏水性為過濾機制的膜材複雜，應用範圍更為廣泛。依據MarketResearch市場調查，全球離子交換膜市場產值至2024年將達到360億美元，其中又以亞太地區為離子交換膜材最大市場，除了應用於水處理外…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料》雜誌397期，更多資料請見下方附檔。