王鈞逸、何佳樺、劉柏逸 / 工研院材化所
近年來，氣候變遷與極端氣候影響日趨嚴重，全球多國為減緩此效應，皆以零碳排為重要技術發展指標，而綠色低碳能源即為其中重要技術發展方向。壓力遲滯滲透技術(PRO)係以半透膜兩側之鹽度差為驅動力，使水通過薄膜後產生水壓，進一步驅動渦輪進行產能的綠色低碳發電技術。本文將針對PRO技術過去到現在的發展做探討，包括薄膜、模組程序與PRO的應用，並兼論PRO技術的現況與未來趨勢，包括單獨程序運作與結合其他程序皆有詳細的說明。PRO技術持續在材料、程序與薄膜方面開發以提高其功率密度，將提升未來之應用潛力。
【內文精選】
PRO技術原理
在PRO系統中，半透膜放在進料端與提取液端之間，通常進料需要經過前處理以避免薄膜結垢。PRO開始運作後，在提取液端施加壓力，平衡兩邊滲透壓差，此時沒有水流過膜。當施加的外壓慢慢降低時，少量的水會通過半透膜到提取液端，使得提取液濃度變淡，進料濃度上升。當薄膜兩側沒有滲透壓差時，系統達到平衡。學理上來說，系統做功產生的最大能量為混合自由能(Gibbs Energy of Mixing)，PRO利用過膜的水通量以及膜兩側的壓力差來產能，簡單PRO程序產電裝置如圖一所示。
圖一、簡易的PRO產電模組示意圖
複合型PRO程序
傳統海淡RO為高耗能、高薄膜阻塞率的技術，同時會產生高濃度的鹽水，當PRO結合RO程序時，首先，高濃度鹽水能作為PRO的提取液端，而海水可當作進料端，最後，PRO產生的能量可供應RO運作。2014年，Achilli團隊建置模廠來驗證PRORO程序，如圖二所示，經過測試，此模廠可產出1.1~2.3 W/m2的功率密度。這套程序的建置成本較高，然而在長期的運轉成本上具有競爭力。
圖二、PRO-RO模廠程序示意圖
PRO薄膜發展
薄膜的研究成果對於PRO程序的效能至關重要，良好的薄膜材料需要具備下列條件：①高水通量、②低鹽逆擴散、③高阻鹽率。早期的PRO薄膜使用商用RO薄膜來做測試，例如Loeb團隊使用杜邦公司的Permasep B-10中空纖維膜作為PRO的薄膜，在壓力差為31 bar時，其最高功率密度為1.74 W/m2。
相對於RO，PRO程序的條件要求其實更接近FO，包括高水通量、低逆擴散和低內部濃度極化效應。Statkraft團隊在PRO程序中，使用醋酸纖維膜，壓力控制在10~13bar，功率密度為1.3 W/m2。Achilli使用醋酸纖維FO膜來探討提取液濃度對產生功率的影響，35與60 g/L氯化鈉溶液分別產生2.7與5.1的功率密度。FO膜為了減少內部濃度極化，因此厚度低，其機械強度無法承受高壓的PRO程序。
近年開發的PRO薄膜主要有兩種：複合薄膜平板膜型式與複合薄膜中空纖維膜型式。平板膜的好處為製造容易且改質方便，Yib團隊比較三種不同的平板膜後處理方法，分別為①沒後處理、②浸泡1,000 ppm次氯酸鈉1小時再浸泡0.1 M NaOH 16小時、③浸泡2,000 ppm次氯酸鈉2小時再浸泡0.1 M NaOH 62小時，測試結果顯示最佳條件為第二種方法，功率密度9.2/m2。平板型薄膜在進料端需要墊片來增進薄膜的質量傳輸，但這些墊片減低了加壓時的效果，進而減少能量輸出，而且在加壓時，墊片易造成薄膜變形。使用中空纖維膜可解決墊片造成膜變形的情形---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》427期，更多資料請見下方附檔。