膜材於能源與水處理領域之應用發展現況(上)

 

刊登日期:2017/12/20
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李旋維、張書噥、林俊男、朱文彬、蔡麗端/工研院材化所

前言
ICOM (International Congress on Membranes and Membrane Processes)前身最早可追溯自1987年,在日本東京舉行的第一次國際薄膜大會(ICOM 87),之後,日本薄膜協會於1999年在加拿大多倫多所舉辦的ICOM 99中提案,建議ICOM國際薄膜大會應將全球區分成三大領域,後續則由日本薄膜協會(The Membrane Society of Japan, MSJ)、北美薄膜協會(The North American Membrane Society, NAMS)、與歐洲薄膜協會(The European Membrane Society, EMS)依續每三年輪流舉辦一場ICOM國際薄膜研討會。本屆ICOM 2017係由北美薄膜協會主導,在美國舊金山盛大登場。

ICOM 2017會議主要由北美薄膜協會及托萊多大學(University of Toledo)共同籌辦,歐洲薄膜協會及亞太薄膜協會協辦,參與人數突破千人,其中以美國為最多,其次為中國及韓國,台灣則有15位代表參加。本屆的ICOM主要探討議題涵蓋:水處理、氣體/液體分離、能源與環境、生物與仿生膜材、膜材製作及其性質驗證、二氧化碳捕捉、新型膜材開發及其製程等領域,並預期將薄膜相關技術導入生活與經濟體系中。

研討會重點內容/摘要
一、離子交換膜應用於水處理及能源部份
本研究由來自荷蘭的Wetsus研究機構及Wageningen大學共同合作研發,利用高分子(HPAM)能抓住不同價數的離子特性及電透析(Electrodialysis, ED)實驗,並經由PFPW(Polymer-Flooding Produced Water)使油水分離來提升油回收的方法,在循環的過程中將重新使用於黏性高分子溶液及水,從而降低水和高分子的消耗。當與一價陽離子相比時,溶液的黏度可以通過二價陽離子的存在而降低多達一個數量級,而電透析是一種耳熟能詳的技術去實現它。本實驗是通過用電透析處理,在不同組成及合成PFPW中實驗性的實現了二價陽離子的優先去除,在實驗室規模的電透析電堆中進行分批實驗,此電堆包含五個膜對,皆由商業陰離子和陽離子交換膜組成,在進料的過程中採取不同鹽及高分子含量的組成。

首先,我們可以由圖二觀察到合成PFPW的高分子存在,並不會影響電透析過程中脫鹽的速率跟陽離子的傳輸。其次,在這種設計之下,因高分子含有酸根離子,能優先與鈣離子相吸,鈣離子比起鈉離子能優先被除去,能夠增加稀釋液的鈉離子超過鈣離子比例的4.5倍。儘管以前已經有很多電透析脫鹽的案例,但此技術是首度在含高分子的PFPW中進行研究,顯示出儘管存在高分子電解質,但可以優先去除二價陽離子。因此,為了最小化PFPW中二價陽離子的濃度,在提升油回收的情況下,透過電透析及PFPW的應用在水和聚合物回收上是個有經濟效益的方法。

最後演講者被提問到是否有測耐久性及此系統是否能放大製備,他的回答是:因為膜會結垢,影響系統的速率,所以會把膜洗淨,因此未量測耐久性。至於放大製備他覺得並不易,主要的問題在於膜不能凹折,且膜材做大易有缺陷而無法使用,因此不易量產,很多日本廠都遭遇此問題。

圖二、(a).鈉離子與鈣離子的莫耳濃度相對於時間;(b).添加高分子並在ED實驗中,鈉離子相對於鈣離子的莫耳比例
圖二、(a).鈉離子與鈣離子的莫耳濃度相對於時間;(b).添加高分子並在ED實驗中,鈉離子相對於鈣離子的莫耳比例

此外,同研究機構的不同團隊,導入了具有增強多價滲透性的新型陽離子交換膜(CEM)以及作為淡水預處理的硬度去除技術(Donnan透析,圖三)。用FUJIFILM開發的新型多價滲透膜若存在二價陽離子,則將導致膜電阻增加。從淡水中除去二價陽離子,使用無化學和節能的預處理方法,經由Donnan透析預處理後進行可逆電透析堆疊分析是非常有效率的。研究發現,多價可滲透的T1陽離子交換膜能夠減少由於二價陽離子引起的膜電阻增加,與標準膜相比增強了可逆電透析淨功率密度,人造河水中的二價陽離子濃度(60%的鎂離子和鈣離子)可以使用Donnan透析在幾秒鐘內降低到5%,導致功率密度進一步提高。通過使用多價可滲透陽離子交換膜與Donnan透析預處理組合,可以改善使用含有二價陽離子的天然水進行可逆電透析回收的功能。

圖三、(左)多價滲透性的新型陽離子交換膜功用;(右)搭配Donnan透析預處理可去除水中的硬度
圖三、(左)多價滲透性的新型陽離子交換膜功用;(右)搭配Donnan透析預處理可去除水中的硬度

二、離子交換膜應用於燃料電池及能源部份
1. 陰離子交換材料開發
本研究由來自德國的Leibniz Institute of Polymer Research Dresden及Reutlingen大學共同研發。陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)在最近幾年已經進入研究的焦點,因為可------以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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