王鈞逸、何佳樺、陳意君、黃瓊慧、劉柏逸/工研院材化所
水資源匱乏的議題使得各國紛紛投入水科技研究來解決水資源問題。正滲透(FO)技術近期在脫鹽技術領域中備受關注,因不需額外施加壓力,是一種低耗能脫鹽技術。過去幾年FO技術已被廣泛探討應用於脫鹽、水資源純化、產能、食品加工等研究。本文將探討說明FO技術發展現況與未來趨勢。近3年來FO技術每年有約250篇相關論文發表,此趨勢與FO膜研究發展有關。此外,FO技術研究亦朝向多方面發展與應用,其中開發易於分離回收的提取液為FO主要議題之一,係因提取液的回收與過膜水的分離是降低FO技術能耗的關鍵重要因素。
【內文精選】
前言
正滲透(Forward Osmosis; FO)技術是一項新興膜技術,近幾年受到國內外關注。此技術是靠半透膜兩側進料(Feed Solution)端與提取液(Draw Solution)端滲透壓差當驅動力,有別於RO需施加額外的壓力。研究顯示,FO有比RO高的水回收率、較低的薄膜阻塞率以及較低的能耗。FO已被應用於許多領域,包括食品加工、廢水處理、脫鹽(Desalination)與發電,另外,一般以RO提濃進料端有其濃度限制,FO有機會導入進行二次提濃作業。
儘管具有高度的發展潛力,FO還有許多挑戰需要克服才能商業化。FO需要克服的問題包含高逆擴散、內部濃度極化(Internal Concentration Polarization; ICP)、薄膜的機械強度較弱、低水通量、提取液回收、過膜水與提取液分離能耗較高等,這些挑戰必須解決才能對產業界具有吸引力。FO技術能夠成功的關鍵在於改善整個程序的能源使用效率,包括FO薄膜特性、提取液以及結合其他技術的應用。近年常被引用的文獻討論FO程序應用於不同種領域,從廢水處理到食品加工業和脫鹽;另外,很多文獻專注於合成與製造高效能FO薄膜,以及開發易於分離回收之提取液材料。
FO主要議題
透過FO搭配的關鍵字可了解FO的主要議題,圖四為600個FO相關的關鍵字,圓圈大小代表關鍵字出現次數,關鍵字間的相關性越高則距離越近,總共分為3區(紅色、藍色、綠色)。左方紅色區域主要為FO程序之效能及應用相關,例如:系統、水處理、廢水、海水、去除、提取液。中上方藍色區域與薄膜結垢相關,關鍵字例如:結垢、結垢物、通量下降、薄膜表面。右方綠色區域則注重在FO膜的開發,關鍵字例如:層、特性、親水性、TFC膜、改質,顯示FO膜特性分析及製造相關的研究。這3個區域代表著FO研究的主要議題。在紅色區域,許多文獻顯示FO應用在廢水處理、營養物濃縮、資源回收、食品濃縮以及脫鹽的潛力。除了FO系統效能之外,FO程序的模型建立與模擬也用來預測FO程序,圖四顯示模擬與紅色區域的提取液、系統、水處理有高相關性,與藍色區域的產水、ICP有連結。
圖四、文獻作者關鍵字關係圖
國內FO技術開發現況
影響FO膜材效能主要的阻礙為ICP效應,中原大學的研究團隊在TFC膜材的支撐層使用垂直向孔洞基材,可減少ICP的影響並大幅提升水通量。除了膜材之外,開發易於分離的提取液材料亦是未來FO技術重點之一。近年來,正滲透之提取液朝向溫敏性材料發展,這些溫敏性材料,藉由溫度的調控在FO操作後達到與水分離的效果,有利於回收提取液與產生純水。
目前工研院自行開發一系列LCST特性離子液體,單磷的P1Mal與雙磷的P2TSO、P2TMBS,其相變溫度如圖六所示,其中P1Mal與P2TMBS可在室溫下相變如表二,而P2TSO則是接近40˚C。當溫度高於LCST時IL溶液形成相分離,產生提取液富相與水富相,提取液富相可直接回用,後續針對水富相進行濃縮與產水,如此可大幅降低FO提取液回收能耗。滲透壓為FO技術的主要驅動力,三種離子液體的滲透壓如圖七所示,疏水性較高的離子液體分子容易形成團聚,造成滲透壓降低,在雙磷離子液體中…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
表二、不同濃度P1Mal離子液體水溶液之相變特性
★本文節錄自《工業材料雜誌》403期,更多資料請見下方附檔。