許皓翔、顏嘉亨、蔡翼澤、劉柏逸 / 工研院材化所
逆滲透系統作為全球海水淡化的主流程序，儘管薄膜材料不斷地更迭出新，具有更好的滲透性和抗垢性，以及高效率能量回收裝置的使用，但仍無法避免其高能耗、高碳排之問題。而透過結合綠色能源的形式是近年來國際間努力的方向，但光能、風能和地熱等往往受地域所侷限，是故以海淡系統濃排鹵水進行鹽差發電之「藍電」更具有應用之潛力。
【內文精選】
海淡廠現階段低碳化節能措施
海水淡化係目前全球解決水資源缺乏的方案之一。其中，以逆滲透海水淡化系統作為最主要的處理技術，但在其營運過程中之高能耗、高碳排放，以及對海洋環境會造成一定衝擊之情況下，勢必要針對處理系統進行優化，即降低產水過程之能源消耗，進而達到低碳化(Low Carbonization)之目的。而逆滲透海水淡化系統中，高壓泵、逆滲透膜和能量回收裝置是對節能效益影響較為顯著之因子，以下則針對各種節能措施進行說明。
具潛力之海淡廠低碳化技術
1. 綠電
為進一步降低海淡技術之能耗，除了材料的改質及輸送泵的節能優化外，利用再生能源如風能、地熱及太陽能等所產生之電力，亦稱為綠電(Green Electricity)，可部分供給海淡設備運用，減少或取代海淡系統中以石化燃料供應之電力，進而降低碳排放量。目前，有許多太陽能光電(Photovoltaics; PV)結合逆滲透海淡系統之案例。多數太陽能光電對於海淡系統都能達到降低整體操作成本，以及減少碳排之效益，例如：埃及曾於2022年建置一座太陽能海水淡化廠，其中，海淡設備之產水規模為2,000,000 m3/day，而太陽能預計能產生400 MW的電力。
2. 藍電
由於綠電多受限於地形、氣候等因素而僅能間歇運轉產電，因此，基於綠色能源技術輔助海淡廠之路徑方向，近年來逐漸轉往藍色能源技術(Blue Energy Technology)或稱藍電(Blue Electricity)發展。藍色能源主要係藉由海水淡化廠濃排水之鹽差能來產生電能，亦屬於鹽差發電(Salinity Gradient Energy or Salinity Gradient Power; SGP)形式的一種。SGP原理係透過不同鹽濃度溶液間的化學電位差轉換成電能，故只要使用兩股具有鹽度差之水源進行鹽濃度交換即可產生鹽差能，示意圖如圖六所示。以球各種鹽度梯度進行估算，若能有效利用可以產生龐大之電力(1.4~2.6 TW/年)，因此被視為是世界第二大能源。目前，主流的鹽差發電技術包含：壓力遲滯滲透膜法(Pressure Retarded Osmosis; PRO)、反向電透析法(Reversed Electrodialysis; RED)，以及較新穎的電容反向電透析技術(Capacitive Reverse Electrodialysis; CRED)。
圖六、自然環境中的鹽差發電
(2) 反向電透析法(RED)
RED為目前發展相對成熟之鹽差發電技術之一，其模組建置組裝與電透析(Electrodialysis; ED)技術相同，但實際操作邏輯則是相反。電透析對模組施加一電場以誘發水中陰、陽離子分別往模組正極、負極方向移動，進而達到脫鹽目的；而反向電透析則是藉由陰、陽離子交換膜將高、低濃度溶液分隔成濃室及淡室，並以兩室之濃度梯度作為驅動力，使水中陰、陽離子分別通過陰、陽離子交換膜，而產生之離子流再透過電極端之氧化還原反應將離子能轉為電能。
(3) 電容反向電透析法(CRED)
由於RED技術需有特定電極液，即多為氰化鐵化合物，和電極會參與氧化還原反應，故會衍生如有害物質產生與電極發生不可逆之反應而造成產電效率下降等風險，因此，電容式反向電透析技術(CRED)進一步被開發。該技術如同RED，為由一至多組陰/陽離子交換膜所構成之堆疊式膜組，而每個膜單元亦包含了陰離子與陽離子交換膜，以及分別通入濃水與淡水之濃/淡室，其操作原理如圖十所示。
圖十、CRED產電機制
CRED透過週期性交換濃水與淡水流向，使離子在濃度梯度驅動下通過具有選擇性之薄膜，在每個膜單元上形成電位差，再利用累積之電位差來產生電能CRED與RED不同之處在於兩端電極之形式，CRED採用具電容特性之多孔性材料電極(例如：活性碳)，其電極上的孔洞具有提供離子吸附之空間，而電極之導電特性可將所吸附之淨電荷轉換成電子流，進一步於外部電路產出電能。由於不需透過氧化還原反應將離子能轉換為電能，故CRED能避免RED大部分之缺點，因此CRED被認為是新一代具高性能、節淨與安全之鹽差發電技術 ---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》457期，更多資料請見下方附檔。