電容脫鹽(CDI)技術發展現況及其在脫鹽之應用

 

刊登日期:2020/7/5
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鄭茲瑀、鐘琍菁、劉柏逸、洪仁陽/工研院材化所
 
電容脫鹽(CDI)是一種利用電吸附程序去除水中離子的技術,具有省水節能的特性,有機會作為新興水源開發的重要方法。本文將介紹電容脫鹽技術原理與發展現況,並針對其應用方向進行整理。過去十年中,國內外積極投入CDI研究,多以電極開發為主,進而產生不同CDI形式,例如:MCDI、FCDI、Hybrid CDI等。目前以模組系統與應用測試為研究重點,改善模組設計與優化參數,針對不同的應用性進行系統配置。CDI技術可應用於廢污脫鹽、水回收及選擇性去除特定離子等,在水回收脫鹽方面,可利用ROCDI結合程序作為工業用超純水系統,能耗比既有技術低且提升RO水回收率;在選擇性去除方面,可藉由電極修飾使CDI對水中微量污染物或有價物質具有選擇性,因而達到特定污染物去除及有價資源回收。
 
【內文精選】
電容脫鹽技術原理
電容脫鹽技術(CDI)是以電吸附(Electrosorption)方式去除水中離子,利用多孔材料作為電極,並於電極施加電場驅動水中帶電離子向電極靠近,電極表面會形成電雙層(Electrical Double Layer; EDL),故稱電容脫鹽,如圖一(a)所示,若電場消失或施加反向電場,電極表面的離子會脫附,使電極達到再生。與薄膜程序相比,CDI未使用薄膜且無外加壓力,因此操作成本低,又無薄膜結垢問題;與電化學程序相比,CDI僅使用<2 V電壓,能耗相對較低。除此之外,CDI的水回收率高(65%~75%),在現今節水標準嚴格與現有技術無法突破的情況下,CDI具有極大的應用潛力。
 
圖一、不同形式CDI機制。(a) CDI;(b) Membrane CDI;(c) Flow-electrode CDI
圖一、不同形式CDI機制。(a) CDI;(b) Membrane CDI;(c) Flow-electrode CDI
 
電容脫鹽技術發展現況
CDI 研究發展至今已十多年, 為了提升去除效能與能源效率,CDI從傳統的Flow-by形式演變出許多種形式。如圖二所示,近五年研究統計顯示,以傳統Flow-by CDI研究為大宗,其次是MCDI (Membrane CDI),第三為FCDI (Flow-electrode CDI)。MCDI結合了離子交換膜與傳統CDI,於兩側電極加上陰陽離子交換膜,如圖一(b)所示,薄膜可阻擋同性離子(Co-ions)的吸附,有效增加脫鹽效能,且脫附時可避免離子吸附於對電極,有利於吸附離子完全釋放,亦可保護電極材料,降低電極與液體產生氧化還原反應,如圖三所示。FCDI則是使用流動式碳材作為電極,碳材吸附飽和後流動到外部儲槽,脫附後再循環回模組中,如圖一(c)所示,有別於其他CDI形式使用固定式電極具有飽和吸附量,FCDI隨時補充新的碳材,可連續式去除水中離子,因此有很好的脫鹽效能,適合用於處理高濃度的水質。考量脫鹽效能與應用性,許多學者認為MCDI及FCDI是最具商業化可行性之形式。
 
CDI脫鹽應用範疇
雖然RO具有高能耗、薄膜結垢與水回收率低的問題,但優異的脫鹽效能使其在脫鹽領域占有舉足輕重的地位,CDI要作為取代RO應用於脫鹽領域,短期內較無法達成。但CDI可彌補RO的缺點,因此有學者結合了兩種脫鹽技術,針對不同應用性發展出兩種模式:①純水製造:RO-CDI Pass System(CDI處理RO的淡水)(圖四);②高水回收率之水處理:RO-CDI Stage System(CDI處理RO的濃水)(圖五)。
 
許多產業對超純水的要求愈趨嚴格,包含電子業、藥廠等,現今以Two-pass RO系統達到高純度的水質,但能耗相當高,所以開發出RO-CDI Pass系統,以脫鹽效能良好、能耗較低的CDI處理RO的淡水,取代第二段RO。P. Dorji等人以RO-MCDI Pass系統於海水淡化過程中去除溴化物,由於澳洲規定飲用水的溴酸鹽需低於20 μg/L,結果顯示,以TDS 100 ppm、200 ppm、300 ppm(溴化物分別為192、382、561 μg/L)的RO淡水進行MCDI測試,產水溴化物分別為8 μg/L、14 μg/L、74 μg/L,符合飲用水標準;MCDI能耗部分,計算為0.05~0.21 kWh/m3,比第二段RO能耗更低,如圖六所示,RO-CDI Pass系統節能又可製造高純度水質。工研院材化所團隊開發CDI模組,以AC/TiO2複合電極進行進水導電度300 μS/cm的脫鹽測試,結果如圖七,25對未改質AC電極的脫鹽率為94%,改質的AC/TiO2複合電極只需10對即可達到96%脫鹽率,此結果亦說明了…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖六、RO-MCDI Pass系統進行海淡並去除溴化物與MCDI於不同進水濃度的能耗
圖六、RO-MCDI Pass系統進行海淡並去除溴化物與MCDI於不同進水濃度的能耗
 
★本文節錄自《工業材料雜誌403期,更多資料請見下方附檔。

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