海淡鹵水資源化技術發展：材料世界網

王鈞逸、何佳樺、邵信 / 工研院材化所

海淡鹵水對海洋環境可能產生多種不利影響。從海淡鹵水中回收資源是一種極具吸引力的方法，不僅能減少對環境的影響，還能藉由創造收入來降低海水淡化的成本。然而，這些礦物的回收需考量多種因素，例如：能源考量、經濟性、可行性以及技術的各個層面。目前常用於從鹵水中回收貴重材料的方法包括：熱法、膜法、電化學法、吸附法和沉澱法，這些技術各有優勢，適用於不同的礦物回收需求。儘管近年相關技術蓬勃發展，但從鹵水中回收低濃度但高價值的礦物仍面臨挑戰，特別是高效、低耗能的技術需求。

【內文精選】

海淡鹵水資源化技術

從海水淡化鹵水中回收資源的技術，大致可以分為電化學、沉澱、熱法和薄膜技術，例如：太陽能或真空蒸發、電透析(Electrodialysis; ED)、膜蒸餾(Membrane Distillation; MD)/膜蒸餾結晶(Membrane Distillation Crystallization; MDC)，以及吸附/解吸/結晶都是鹵水資源回收(Resource Recovery)的主要方法。對於高濃度礦物(如鈉、鎂、鈣和溴）的回收，使用蒸發、電透析以及膜蒸餾/膜蒸餾結晶是合適的選擇；另一方面，吸附技術具有選擇性吸附礦物(如鋰、鍶、銣和鈾）的優勢，隨後可通過脫附和結晶回收。這些方法都利用了在過飽和點提高目標礦物濃度以誘導結晶的概念，儘管鹵水資源回收技術的成本較高，但預期未來的技術發展將能顯著降低成本。

3. 蒸餾法

海水和海水淡化的鹵水可以利用太陽能自然蒸發，形成高濃度的鹽溶液，隨著鹽分達到飽和點，便會發生鹽的結晶，數千年來，世界許多地區都使用這種方法從海水中提取鹽。這是適用於乾旱、蒸發率高、土地廉價且無需擔心礦物滲漏污染地下水的地方，一種實用且簡單的解決方案。但由於蒸發池必須較淺，因此需要大量土地。在土耳其的一項研究中，利用多次冷卻–蒸發過程從鹽湖中生成鹽類副產品和純氯化鈉。天然鹽水含有高濃度的鈉、鎂和鉀，但鋰含量較低，通常會採用如蒸發和結晶等預處理程序，從鹽水中去除大部分鈉和鉀，由此可生產低鈉、低鉀的鹽水用於鋰提取。

4. 電化學法

在電解過程中，使用選擇性電極從鹵水中分離離子，相較其他電化學過程，這是一個相對簡單的過程。膜電解採用離子交換膜分隔陰極和陽極，從鹵水中提取礦物質。在一項研究中，利用膜電解採用陽離子交換膜，從陰極提取氫氧化鎂，陰極室為深海水，而陽極室則為硫酸鈉溶液，硫酸鈉通過從陽極側轉移H⁺離子，抑制了陰極側OH^-離子的中和，此法使用了高濃度的硫酸鈉，因而限制了其在處理大量濃縮鹵水中的應用。Laila等人展示了一種兩步電解程序，用於選擇性地將鈣和鎂分離，分別以方解石(CaCO₃)和水鎂石(Mg(OH)₂)的形式析出，如圖四(a)所示。在第一步中，利用塗有二氧化鈦的石墨作為陰極和原始石墨作為陽極組成的電解槽，在2.5 V的條件下，鈣以方解石形式沉澱出來；當原始石墨被用作陰極，且施加的電壓增加到3.5 V時，電解槽能夠以水鎂石形式沉澱出鎂(第二步）。因此，通過兩步電解程序，可以相對較高的純度成功分離鈣和鎂。基於電解的資源回收程序與基於膜的電解程序相比，顯著降低了能耗與運營成本。然而，直接對海水或鹵水進行電解仍然是一個非常耗能的過程。

圖四、(a)選擇性沉澱方解石(StepⅠ)和水鎂石(StepⅡ)的電化學電池配置，(b)工作中的電透析設備照片，包括組裝完成的電池、電極和陽離子交換膜(CEM)在電池中的放置位置

海淡鹵水資源化應用案例

工研院結合目前國內面臨的工業煙道氣碳排與海淡鹵水兩個議題，透過使用煙道氣中CO₂與海淡鹵水中的鈣/鎂進行礦化反應，形成CaCO₃與MgCO₃之工業重要原料。由於鹵水中Mg²⁺約為Ca²⁺濃度3倍，且CaCO₃與MgCO₃生成條件相近，導致CaCO₃與MgCO₃分離不易，且純度難以提升，限制其於工業原料應用價值。工研院利用海淡鹵水中鈣/鎂與CO₂反應與分離條件的建立，如圖五與圖六，包括pH、溫度等，控制實際海淡鹵水在pH 8.5/35˚C下與CO₂反應，短時間反應下可產出純度96.1%的CaCO₃---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。