高效率水氣分離技術

 

刊登日期:2022/7/5
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賴宇倫、蔡金英、黃任廷、顏紹儀 / 工研院綠能所
 
本研究以氧化石墨烯薄膜開發了一種高效率水氣/空氣分離技術,簡稱為UWAW,能直接從你我呼吸的空氣中分離提取出乾淨純水;水是生活不可或缺的基本需求,目前已有國內業者技轉本技術應用於商品內,且開始投入打造高效率空氣造水設備,未來有望為世界提供生活所需的潔淨水源。
 
【內文精選】
技術說明
本研究開發一種高效率水氣分離技術—Ubiquitous Water Wand(UWAW),如圖二,當濕空氣通過薄膜模組時,可一次性地分離並提取出符合飲用水標準的潔淨水源,而相對乾燥的氣流還能輸送入建築物協助營造健康舒適的室內環境。UWAW內部配置多片可堆疊式的平板式薄膜模組,薄膜是由數以萬計的單層片狀氧化石墨烯(Graphene Oxide; GO)所堆疊而成。GO薄膜的水氣通透率高於10-5 mol/m2·s·Pa且水氣/空氣分離因子達106,是目前唯一同時具有雙重高性能的水氣分離膜。
 
圖二、高效率水氣分離技術—Ubiquitous Water Wand (UWAW)示意圖
圖二、高效率水氣分離技術—Ubiquitous Water Wand (UWAW)示意圖
 
本研究改良Hummer’s Method用以製作可穩定分散的GO漿料,先強力混合並攪拌石墨粉與特定體積比例的氧化劑(H2SO4/KMnO4/NaNO3),促使石墨結構的碳原子可氧化成如前述提到的含氧官能基團。由於石墨層間已被氧化,因此可促使擴增層與層之間的距離,再進一步透過超音波震盪及離心的方式,把具有不同層數的GO層片分離出來;本研究使用單層為主的GO來製作成漿料,再用以塗佈製作成薄膜。
 
疏水性主要來自於未被氧化的六圓環區域(sp2混成的石墨結構),可促使被薄膜表層親水性官能基抓住並引入薄膜內部的水氣排列成單層水分子,並以極低摩擦力快速通過薄膜,進而達到高的水氣通透率。此現象類似於在Nano Lett. 2011,11, 2173.所提到的奈米碳管之狀況,當管徑尺寸小至僅允許單一水分子通過時(約0.83 nm),水分子結構呈現Single-file Water Chain,此時水分子與壁面摩擦阻力較小,水通量的增益效果最大;當管徑尺寸可容許雙鏈或多鏈的水分子通過時,反而因為水分子之間的牽引作用力,導致水通量降低,如圖十。
 
圖十、奈米碳管內的水通量增益現象
圖十、奈米碳管內的水通量增益現象
 
薄膜性能
GO薄膜的水氣通透率為P = (mwater/Δt)× 1/(MwAmΔpwater),其中mwater:抓水量g;Δt:時間s;Mw:水分子量18 g/mol;Am:薄膜面積m2;Δpwater:水氣壓差Pa。而空氣通透率則是參考ISO 15105-1方法進行測試,再依據水氣通透率及空氣通透率即可求得水氣/空氣分離因子。
 
目前已有不同的水氣分離薄膜被報導,例如美國國家實驗室Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)開發以沸石為主的分離膜,但因需先佈晶種再成膜、製作時間較長、易脆裂,因此無法有效放大製作;PNNL亦有開發GO薄膜,但是因為無支撐材、無進行層間距控制,導致薄膜無法長久運行且容易破損。
 
造水性能與水質分析
由於GO薄膜可高效率地分離水氣,因此真空側的水氣純度達99.999%以上,水氣分壓即趨近於真空壓力,例如1.5 kPa;當水氣經第一段真空泵壓縮至某壓力值,例如7.5 kPa(其對應水氣飽和溫度約為40˚C),壓縮比僅5.0,由等熵絕熱壓縮理論推估真空泵壓縮作功可被大幅降低;而當水氣在冷凝器中藉由水冷或空冷方式降溫至飽和溫度時,水氣即可被凝結成液態水而被收集,第二段真空泵(Pump II)僅需將少量未凝結的水氣及此狀態下不可凝結的空氣排出至大氣,如此將有利於大幅降低真空系統之能耗---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。

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