滲透技術系列（三）— 藍能驅動下的綠色發電新契機

壓力遲滯滲透技術（Pressure Retarded Osmosis, PRO）是一種利用淡水與鹽水間鹽度差所產生的滲透壓，透過半透膜驅動水流並轉換為壓力能而發電的綠色低碳技術，PRO產電模組示意圖如圖 1所示[1]。自 1954 年首次提出概念以來[2]，PRO經歷了從實驗室驗證到模廠應用的技術演進。早期應用多採用商用逆滲透（RO）膜，但受限於高成本、低功率密度不足及膜結垢等問題，應用範圍有限。

圖 1 PRO產電模組示意圖

為提升能效與經濟性，近年來PRO 正朝向跨技術整合與複合化方向發展，結合逆滲透（RO）、膜蒸餾（MD）或正滲透（FO）等技術，形成多元應用架構，如：RO-PRO[3]、RO-MD-PRO[4]及FO-PRO[5]等系統，這些整合方案不僅能回收高鹽度濃水中的能量、降低海水淡化能耗（最高可減少 38% RO 能源消耗[6]），同時提升水回收率並減少環境衝擊。在國際應用方面，日本已建置百萬噸級 RO-PRO 廠(如圖 2所示[3])，韓國亦推動RO-MD-PRO 計畫(如圖 3所示[4])，兩者分別實現 13.8 W/m² [7]與 7.5 W/m² [8]的功率密度，展現出「藍能（Blue Energy）」應用的實質潛力。此外，FO-PRO 架構可有效減緩膜結垢，並透過新型低能耗提取液回收技術，進一步降低系統運行成本。

圖 2日本百萬噸級的實廠示意圖[4]

圖 3韓國RO-MD-PRO程序示意圖[5]

國內方面，工研院團隊已開發出專用之PRO高壓水輪機(如圖 4所示)，測試結果顯示系統在高壓30 bar，50 CMD流量條件下，最大發電量可達450 W。
展望未來，PRO技術的發展將聚焦於高通量、低逆擴散、抗污染的薄膜研製，並朝向多程序模組化與可再生能源耦合的方向邁進，以提升整體能源利用率與經濟競爭力。隨著薄膜製程技術進步與成本持續下降（預估可由 5 €/m² 降至 2 €/m²[9]），PRO 有望在海水淡化、工業廢水處理與「藍電」發電等領域發揮更關鍵的角色，成為實現減碳與能源回收的重要技術選項。

圖 4 工研院PRO水輪發電機測試設備

參考文獻
[1] M. Tawalbeh, A. Al-Othman, N. Abdelwahab, A. H. Alami, A. G. Olabi, Recent developments in pressure retarded osmosis for desalination and power generation, Renew. Sustain. Energy Rev. 138 (2021), 110492-110511.

[2] R. E. Pattle, Production of electric power by mixing fresh and salt water in the hydroelectric pile, Nature 174 (1954), 660.

[3] A. Achilli, J. L. Prante, N. T. Hancock, E. B. Maxwell, A. E. Childress, Experimental results from RO-PRO: a next generation system for low-energy desalination, Environ Sci Technol, 48 (2014), 6437-6443.

[4] S. Lee, J. Choi, Y. G. Park, H. Shon, C. H. Ahn, S. H. Kim, Hybrid desalination processes for beneficial use of reverse osmosis brine: current status and future prospects, Desalination 454, (2018), 104-111.

[5] Z. L. Cheng, X. Li, T. S. Chung, The forward osmosis-pressure retarded osmosis (FO-PRO) hybrid system: a new process to mitigate membrane fouling for sustainable osmotic power generation, J Membr Sci, 559 (2018), 63-74.

[6] M. H. Sharqawy, S. M. Zubair, J. H. Lienhard, Second law analysis of reverse osmosis desalination plants: an alternative design using pressure retarded osmosis, Energy, 36 (2011), 6617-6626.

[7] K. Saito, M. Irie, S. Zaitsu, H. Sakai, H. Hayashi, A. Tanioka, Power generation with salinity gradient by pressure retarded osmosis using concentrated brine from SWRO system and treated sewage as pure water, Desalin Water Treat, 41 (2012), 114-121.

[8] E. J. Jeon, Y. J. Sim, J. H. Lee, Development of thin-film composite PRO membranes with high power density, Desalin Water Treat, 57 (2016), 10093-10100.

[9] K. Touati, F. Tadeo, Green energy generation by pressure retarded osmosis: state of the art and technical advancement—review, Int J Green Energy, 14 (2017), 337-360.

撰寫人：許皓翔
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