新穎資源化零排放技術介紹：材料世界網

吳旻珊、楊欣茹、李晨瑜、徐樹剛、林冠佑／工研院材化所

因應全球經濟快速成長及循環經濟議題，廢水零排放與資源化勢在必行，尤其是經由膜系統水回收後排放的鹵水，其中所含的有價資源皆為回收再利用的標的。然而，如何降低回收成本與能耗亦是大家關注的一環。本文介紹吸附式脫鹽以及共熔結晶兩種新興的脫鹽技術，說明如何以熱能和冷能分別達到分鹽及資源回收的目的。吸附式脫鹽可與多效蒸發結合，運用廢熱驅動達到降低能耗以及減碳的效果；而共熔結晶除了可以分離出高純度的硫酸鈉還可用於CO₂去除，兩種技術因其低碳特點逐漸在廢水零排放領域中受到關注。

【內文精選】

前言

全球蓬勃發展的工業及城市化趨勢，正對環境造成更大負擔。特別對於快速發展的新興經濟體，如印度及中國而言，因淡水資源有限，隨著經濟成長持續提升，在製程上需使用大量水源的企業，其面臨的供水壓力亦逐漸提升。世界經濟論壇(World Economic Forum)更將水資源議題列為全球風險因素。因此，如何將有限的水資源發揮最大使用功效，成為企業管理上的趨勢；同時，為因應如何對廢水排放之承受水體水質及生態造成的負擔最小化，以達到環境永續之目標，各國逐漸加嚴廢水排放之相關法規。上述背景因素即推動了全球零液體排放(ZLD)技術的發展。

ZLD係指針對廢水進行一系列的處理，包含前處理、濃縮及蒸發等程序，使廢水中的淡水達到全量回收再利用，故無廢水需排放至承受水體；而經前述程序處理後之固體殘餘物質，則以污泥之形式存在。依據文獻比較，以海水淡化為例，採ZLD程序可將97~98%之淡水回收；而如採EDRRO系統，可回收淡水最多僅可達到77%。ZLD程序除大幅提升可用水資源外，亦可透過搭配對應之分鹽單元，將廢水或海水中之有價資源純化及濃縮進行再利用，在循環經濟(Circular Economy)之全球發展趨勢下，ZLD技術的研究已成為全球水科技公司之發展重心。

吸附式脫鹽

吸附式脫鹽(AD)係為蒸發裝置結合吸附劑的熱處理技術，主要為靠吸附劑吸附廢水/海水蒸發的水蒸氣，進而將水資源與水中溶解或非溶解固體物分離。原水進料條件不受濃度限制，更適合高壓膜系統濃縮後之高濃度廢水(10~25 wt%)。除此之外，依據AD搭配之吸附劑及蒸發器設計，其具有可於低溫(<常溫)下操作之特性，同時達到資源化(Recycling)及低碳技術的目的。

AD技術原理主要以親水性吸附劑(如矽膠、沸石、金屬有機框架材料)吸附廢水中的水蒸氣，再進行脫附與冷凝回收淡水，同時達到物料濃縮甚至結晶的效果。AD技術主要由三個部分組成，分別為蒸發器、吸附床以及冷凝器，其運作可以被細分成四個步驟：蒸發、吸附、脫附和冷凝。首先，廢水於低溫低壓的蒸發器蒸發產生水蒸氣，水蒸氣進到吸附床被吸附劑吸附，同時，吸附過程會持續產生壓差有利於蒸發的進行，待吸附一段時間後，關閉蒸發器與吸附床的連通閥件，再通入熱水將吸附劑上的水脫附，脫附的水蒸氣再進到冷凝器進行冷凝，即可得到乾淨的蒸餾水。圖一為吸附式脫鹽技術示意圖。

圖一、吸附式脫鹽(AD)技術示意圖

共熔冷凍結晶

水在0˚C下的溶化熱為6.00 kJ/mol，它在100˚C的汽化熱則為40.65 kJ/mol，當水從0˚C升溫至100˚C需要能量7.54 kJ/mol。然而，當溶液改為鹽水時，每升溫鹽水1˚C所需提供能量卻遠大於純水。因此，基於能量觀點下，將水由混合溶液中分離使用冷凍技術相較蒸發技術具有一定優勢。冷凍脫鹽(Freeze Desalination)技術主要可分為兩大步驟：①從鹽水中讓水分子形成冰晶結構，過程中不斷讓溫度冷卻使冰晶成核及生長；②冰晶的分離與融化，最終可得到乾淨的純水。冷凍脫鹽技術流程如圖六所示。

共熔冷凍結晶(EFC)技術原理是利用共熔點(EutecticPoint)的存在，藉由溫度控制使溶液形成冰晶與鹽，此時冰晶會上浮而鹽會下沉，運用兩者密度不同而達到分離之目的。以氯化鈉水溶液為例，圖七中，Ice Line為水在不同氯化鈉溶液濃度下的結晶溫度(FreezingPoint)，當系統位於共熔點左邊時，結晶情形會以1→2→5形式存在，溶液會先形成冰晶與飽和氯化鈉溶液，由於冰的形成，溶液中的鹽濃度上升，導致凝固點下降，當系統持續冷卻即可達到共熔點（-21.2˚C，23.3 wt%）。反之，若系統位於共熔點右邊，則以3→4→5結晶形式存在，當溫度持續下降時，則形成固體鹽類與飽和氯化鈉溶液，直至溶液濃度降到共晶點；當溫度於共晶點以下時，冰晶與固體鹽類同時析出，鹵水則不再存在於系統中。EFC技術可應用於…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。