薄膜蒸餾(MD)技術發展現況與其應用：材料世界網

何佳樺／工研院材化所；陳慶隆／明志科技大學

薄膜蒸餾技術是一種熱驅動的薄膜分離程序，透過疏水性薄膜兩側流體接觸面的蒸氣壓差為驅動力，使進流端溶液所產生的蒸氣分子經由高溫側薄膜孔洞傳輸到低溫側，並凝結成液體。相較於傳統逆滲透脫鹽程序，薄膜蒸餾因具備較不受待處理液濃度影響、可常壓/低壓操作、高產水純度、高水回收率與可整合廢熱或再生能源等特點，使薄膜蒸餾技術於水資源、環境與化工等領域的應用備受重視。因此，本文將針對薄膜蒸餾技術之近期發展與其於水回收、脫鹽、液體濃縮、水中氨脫除等應用進行詳細探討。

【內文精選】

前言

隨著科技急速發展，全球對於水資源、能源與物料資源需求與日俱增。在極端氣候影響、循環經濟與環保意識抬頭下，永續水資源、永續能源與永續物料的技術需求已是人類須正視的挑戰。面對全球水資源缺乏的議題，脫鹽(Desalination)是共同解決之道，其技術可分為熱法脫鹽、薄膜脫鹽、滲透壓驅動脫鹽、電驅動脫鹽與熱驅動薄膜脫鹽技術。熱驅動薄膜法的薄膜蒸餾(Membrane Distillation; MD)技術是可整合廢熱或再生能源的脫鹽技術，於1963年以專利發表問世迄今已半世紀，早期主要應用在製程產品濃縮程序上，近年於脫鹽、淨水處理與有價資源濃縮(Concentration)或回收方面亦漸漸受到重視。

薄膜蒸餾技術原理

MD的原理是利用具微孔洞疏水性薄膜隔開高溫與低溫溶液，傳輸機制中乃高溫進水溶液移動到疏水且非濕性的薄膜表面，以溫度梯度造成薄膜兩側流體接觸面的蒸氣壓差(Vapor Pressure Difference)為驅動力，使蒸氣分子經由高溫側薄膜孔洞傳輸到低溫側，然後在低溫側凝結成液體，如圖一所示。不同於傳統薄膜脫鹽法，MD的程序中僅氣相分子能通過薄膜，達到脫鹽目的。

Lawson等人將MD裝置依低溫產水端的技術差異，直接分為直接接觸式薄膜蒸餾(Direct Contact Membrane Distillation; DCMD)、空氣間隙式薄膜蒸餾(Air Gap Membrane Distillation; AGMD)、空氣掃掠式薄膜蒸餾(Sweeping Gas Membrane Distillation; SGMD)與真空式薄膜蒸餾(Vacuum Membrane Distillation; VMD)。其操作示意如圖二所示，其原理分別詳述如下。

圖二、薄膜蒸餾裝置示意圖

薄膜蒸餾應用

MD技術因具備較不受待處理液濃度影響、可常壓/低壓操作、高產水純度、高水回收率與可整合廢熱或再生能源等特點，使其近年來於水資源、環境與化學等領域的應用備受重視。其中，於水資源應用主要為水回收、海水淡化、鹵水濃縮、薄膜結晶、近零液體排放及氨氮廢液處理與回收。

1. 水回收應用

針對鋼鐵業之廢水，工研院藉由VMD技術（圖三）並透過整合廢熱，採用PTFE疏水薄膜進行導電度4,000~8,000 μS/cm之廢水進行脫鹽水回收評估。系統於進流水80˚C與真空操作壓力65 cmHg等操作下，通量約5~6 LMH，系統產水量達1.0 CMD，系統水回收率約15%。產水經由水質分析，產水導電度為25 μS/cm，脫鹽率>99%。