劉柏逸 / 工研院材化所
前言
2024年歐洲薄膜研討會(2024 EuroMembrane conference)是專注於薄膜材料科學和技術的大型國際會議，此次研討會的論壇主軸議題分為兩大項目：(1)水處理及(2)氣體，研究內容則包含有Membrane materials、Membrane processes、Theory of transport and modelling of membrane processes、Industrial application of membranes、Specifical uses of membrane及 New trends in membrane science and technology 等6大主題，整體研討會共分46個討論議題，口頭發表534篇及317篇海報參與人次約1,500人以上。本篇將針對薄膜應用於水處理的產電技術、資源化技術與水處理技術的新興應用等發展進行分類介紹。
研討會重點內容
一、薄膜應用於水處理的產電技術
在氣候變遷持續的影響下，全球勢必得面對水資源分佈不均及淡水資源匱乏等問題，開發穩定淡水資源為國際間需共同面對的關鍵議題。為降低產業及民生用水需求衝擊，海水淡化為目前全球解決淡水資源缺乏的方案之一。傳統海淡逆滲透技術(Seawater Desalination Reverse Osmosis; SWRO)為目前海水淡化最主要的處理技術，但在其營運過程中產生之高能耗及高碳排放問題，將對環境會造成一定衝擊。近年來，全球在面對淨零碳排放的急迫議題情況下，勢必要針對海淡處理系統進行優化，以降低產水過程中的能耗問題。以台灣為例，未來規劃的海淡總產水量將使每年用電量增加12.4億度，相當於台北市單月用電量，換算碳排放量每年將增加逾60萬噸CO2e。因此，如何透過海淡技術本身來衍生並創造節能效益，或是結合再生能源作為輔助手段，都將有助於提升未來海淡技術之發展優勢。
1. 瑞典Lund大學
鹽度梯度能(Salinity Gradient Energy; SGE)主要係利用淡水與海水交會時因濃度差所產生的能量。反向電滲析 (Reverse Electrodialysis; RED) 為一種利用薄膜的電化學反應，使用SGE因離子移動轉化為電能的技術。而RED技術發展關鍵之一，在於薄膜與Spacer材料優化。瑞典Lund大學研究團隊於瑞典的四個河口(三個來自波羅的海，一個來自北海)，評估RED技術於低鹽度水的傳導。為解決低鹽度水帶來高電阻問題，將模組流道內的非導電墊片以離子交換樹脂墊片取代，研究結果如圖一顯示，以傳統RED技術在瑞典的各河口獲得正淨能量並不具可行性，但以Amberchrome 50 WX8 樹脂取代傳統非導電墊片之cRED(導電RED)，則顯示出良好的結果。其透過加入離子交換樹脂降低河水阻力，顯著提高總功率密度和淨功率密度。這項研究不僅強調低鹽度水在瑞典的潛在應用，更開創了將 SGE-RED 擴展應用到具有類似鹽差條件的其他水質場域可行性。
圖一、RED模組、總功率密度與淨功率密度之比較
二、薄膜應用於水處理的資源化技術
2050淨零轉型是全世界的目標，也是台灣的目標，亦使產業的發展要素必朝向永續發展指標(SDGs)與符合企業ESG的永續發展策略。廢水處理的新思維，則由過去的廢水處理(Wastewater Treatment Plant; WWTP)朝向水資源回收(Water Resource Recovery Facility; WRRF)，以低污染(Low Pollution)、低耗能(Low Energy Consumption)、低成本(Low Cost)、低度空間使用(Low Space)及循環經濟(Circular Economy)等4L＋C前瞻處理技術方向邁進，促進產業轉型與技術創新發展。
1. 荷蘭Wageningen大學
食品工業中越來越多以電化學薄膜技術取代傳統化學方法處理廢水，其有助於提高操作效率、永續性和安全性等。荷蘭Wageningen大學研究團隊，以實際應用電化學薄膜技術於食品廢水處理，並針討論兩個不同的研究案例，第一個案例重點為使用薄膜電極(Membrane Electrode Assemblies; MEA)和固體聚合物電解質(Solid Polymer Electrolyte; SPE)生成綠色氧化劑，例如過氧化氫(H2O2) 和過氧乙酸，以去除廢水中的化學和生物污染物。透過使用，可以製造出無污染的產品。第二個研究案例則使用電透析雙極膜(Electrodialysis Bipolar Membranes; EDBM) 於廢水中回收硫酸鈉(Na2SO4) 的應用。研究結果如圖四所示，本系統在低濃度(1~5%)可產生的純 H2O2 濃度高達 14 wt%，能耗約為 5 kWh/kg H2O2，但若要保持在高濃度的穩定性，需要改進材料。另，在回收程序方面，在含有 Na2SO4 的溶液中可回收為 2.2 M 的NaOH及1.2 M 的H2SO4，生產鹼的效率為 65% 與生產酸效率為43%。
圖四、電透析雙極膜配置與模組試驗結果
三、水處理技術的新興應用
1. 德國Karlsruhe研究中心
消化液是沼氣生產中營養豐富的殘留物，但因高含水量阻礙其使用，導致需要機械和熱分離過程來濃縮營養物用於施肥。迄今為止沼渣利用的重點主要是營養物質的利用，但水回用作為農業供水的貢獻也將在未來發揮越來越重要的作用。德國Karlsruhe研究中心使用氨溶液從沼氣中捕獲二氧化碳，生產碳酸氫銨，並在正向滲透(FO) 和逆滲透(RO) 組合中作為提取溶液處理沼氣沼渣，且同時產水，從而解決 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。