高通量超濾膜技術與應用

 

刊登日期:2020/5/5
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張書噥、呂坤宗、朱文彬/工研院材化所
 
全球目前再生水商機高達6,000億美元,每年以5%速度持續成長。我國配合污水廠的處理量,預定2031年回收與再利用水資源須達到每日132萬噸,占公共供水系統的10%。緣此,工研院著手研究濾膜相關技術,開發出高通量和具有奈米級孔洞的超濾膜,並依據廠商的需求實際應用在國內各個產業,努力實現政府制訂的目標,期望未來能帶動經濟市場與濾膜的周邊產業鏈。
 
【內文精選】
水處理超濾膜概述
早期濾膜的價格昂貴,且仰賴國外廠商製作與進口,受限於成本考量,多數應用於分離高價值產品上。但近年國內的製膜技術與設備不斷優化,使得濾膜的價格下降、產量擴增,加上政府提倡的循環經濟水資源政策與水污染防治觀念的普及,大幅提升了後端使用者對濾膜的接受度,因而能順利地將濾膜導入民生用水製備、農畜牧業和工廠廢水處理等領域。
 
超濾膜材質的選用
濾膜可分為有機膜(Organic Membrane)與無機膜(Inorganic Membrane)兩大類。適用於製作有機膜的高分子如表二,而無機膜的材質多為金屬、陶瓷與沸石,材料與製程成本高於有機膜許多,因此目前以有機膜的使用較常見。
 
聚碸(PSU)擁有優異的機械強度、剛性與良好的耐熱性,玻璃轉化溫度約187˚C,長期使用溫度可達160˚C,但後端加工性較差。而聚醚碸樹脂(PES)是英國ICI公司所開發的熱塑性高分子材料,同樣具有不錯的耐熱性,在高溫下連續使用,或溫度急劇變化的環境中仍可維持穩定性,常見於製作水處理中的超濾膜以及微濾膜。此外,聚偏二氟乙烯(PVDF)為一種獨特的熱塑性含氟聚合物(圖三),擁有良好的耐化性、耐磨性、優異的耐候性、可在高溫130˚C下連續使用、材質韌性佳、可焊接與加工等優點,也適用於濾膜的製作。
 
超濾膜的成型機制與製造技術
製作超濾膜的方式大致上有:燒結(Sintering)、拉伸(Stretching)、蝕刻(Track Etching)與相分離(Phase Separation);考慮到製程簡易度、需求時間與設備成本,相分離為商業化超濾膜所採用的製作方式。而相分離技術又可再細分成四種:熱致相分離(TIPS)、蒸氣誘導式相分離(VIPS)、溶劑蒸發誘導相分離(SIPS)和非溶劑誘導式相分離(NIPS),製備流程詳見圖四。
 
工研院透過自行開發的塗佈模具與R2R連續式塗佈設備,製作的平板超濾膜樣品如圖八。該濾膜的表面光滑且平整,奈米級的孔洞尺寸分布集中,通量/產水率優於市售的競爭商品,並可被加工成多種濾心型式與膜組,例如:板框式、螺旋捲式、褶層濾蕊式與圓片間隙動態式。
 
圖八、超濾膜樣品與性能比對表
圖八、超濾膜樣品與性能比對表
 
市場需求與超濾膜的應用案例
超濾膜能被廣泛應用在膜生物反應器(Membrane Bioreactors; MBR)、海水淡化預處理以及城市生活污水過濾。本研究團隊實際走訪國內產業界,貼近廠商的需求深入了解其使用目的與遇到的問題,成功將超濾膜應用於以下場域。
1. 應用場域一:民生飲用水
工研院研發的超濾膜因具有較高的孔洞密度及連通性,除了能提升產水的通量,過濾程序中不需仰賴動力或能源,憑藉高低差的位能與重力作為過濾的驅動力,是一種零能耗的過濾產品。該技術產品首次應用於柬埔寨的污水純化,改善當地居民長期飲用洞里薩湖的水質,去除了鐵鏽、重金屬膠體、藻類、泥沙等雜質,也減少微生物、細菌、病毒對人體造成的危害。
 
3. 應用場域三:畜牧業
研究團隊將超濾膜應用於新竹縣湖口、新豐的養豬場進行田間測試,其成效良好,除了能過濾畜牧污水中的固形物,還能有效地將化學需氧量(COD)降低至300 mg/L以下,遠低於放流水的法規標準(600 mg/L),同時阻絕污水中的細菌與大腸桿菌等,大幅降低病菌的傳播範圍。
 
6. 其他應用場域
超濾膜還可應用於先進國家的全屋式淨水設備,延長家庭用水設備、水管、熱水器等使用壽命,確保水質純淨,無鐵銹與污染物殘留,改善清潔、沐浴、肌膚感染等用水衛生。綜合上述,將超濾膜的應用案例歸納如圖十…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十、工研院超濾膜的應用案例
圖十、工研院超濾膜的應用案例
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》401期,更多資料請見下方附檔。
 

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