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廢水回收大多利用薄膜過濾，以獲得較佳水質的出流水，稱為再生水，但也同時產生導電度較高的濃排水。隨著水資源缺乏與環境保護議題受到重視，促使企業不僅需要進行節水，在濃排水及廢液處理方面也開始考量環境永續解決方案。

離子交換膜為一種可以使特定種類離子穿透的薄膜，如圖一所示，陽離子交換膜上帶有負電荷的官能基，而陰離子交換膜上帶有正電荷官能基，因此兩者可分別使陽離子和陰離子通過，但反電荷離子(counterion) 則被阻擋無法通過，搭配施加電場即可驅動水中離子朝特定方向移動，達到分離之目的。電透析(electrodialysis, ED)即為使用離子交換膜之技術，其將陰、陽離子交換膜交錯排列堆疊，離子經由電場驅動分離，產生脫鹽水與濃鹽水，此分離機制與逆滲透(reverse osmosis, RO)恰好相反，RO為水分子通過膜，ED則為陰陽離子通過膜，但兩者皆可達到離子與水分離之目的。

圖一、離子於離子交換膜內的移動機制^{(ASTOM Corp. 2013)}

如前所述，濃排水或及廢液需要永續解決方案，關鍵因素在於如何將水中離子進行回收。要達到高鹽廢液資源化再利用，可於前述之ED膜堆內導入功能性膜材-雙極膜，如圖二所示，雙極膜係由陰離子交換樹脂層、陽離子交換樹脂層及中間層組成，水分子可滲透進入中間層，在電場作用下，將H₂O解離成H⁺和OH^-，同時H⁺通過陽離子交換膜層往陰極，且OH^-通過陰離子交換膜層往陽極移動。

圖二、雙極膜組成與作用機制

結合雙極膜之ED系統，可將高鹽廢液轉化為可利用資源，膜堆膜片排列如圖三所示，將雙極膜、陽離子交換膜及陰離子交換膜以特定方式排列配置，廢液由中間腔室進入，藉由電場驅動水中陰、陽離子移動，同時透過陰、陽離子交換膜與雙極膜兩側對應產生的H⁺和OH^-形成HCl與NaOH。依據處理量可推疊形成數個鹽室、酸室與鹼室，可應用於水回收系統後的濃排廢液(ROR)、離子交換樹脂系統的高導電度再生廢液、蝕刻與電鍍的酸廢液進行資源化再利用，將廢液轉化為廠內可循環再用的酸及鹼，以降低酸鹼藥劑費用、減少廢棄物清運成本，並達到環境永續之目標。

圖三、雙極膜電透析系統^{(Strathmann, 2010)}

參考資料

1. Luo, T., Abdu, S., & Wessling, M. (2018). Selectivity of ion exchange membranes: A review. Journal of membrane science, 555, 429-454.
2. Pärnamäe, R., Mareev, S., Nikonenko, V., Melnikov, S., Sheldeshov, N., Zabolotskii, V. & Tedesco, M. (2021). Bipolar membranes: A review on principles, latest developments, and applications. Journal of Membrane Science, 617, 118538.
3. Strathmann, H. (2010). Ion-exchange membrane processes in water treatment. Sustainability Science and Engineering, 2, 141-199.

撰寫人：黃馨儀
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編輯/校稿：張王冠