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面對經濟發展與環境保護的雙重挑戰，台灣積極推動「永續水質計畫–氨氮削減示範計畫」，逐步加嚴廢水排放標準，守護河川水質。對產業而言，這不只是環保責任，更是轉型契機。若能以「循環經濟」的思維，將廢水與廢棄物中的有價資源加以回收、純化與再利用，不僅能有效減少污染，也能讓原本的高風險元素重新成為製程中的有用資源。同時，回收再生水更能降低對原料與自然資源的依賴，真正實現減廢與循環的雙贏目標。

氨氮廢水的處理方式，會依廢水中氨氮的濃度而有所不同 (見圖1)，後續還需考量用地、成本及操作的便利性等因素。若能進一步從廢水中回收有價物質，例如硫酸銨、氯化銨、磷酸銨鎂或氨水，不僅能減少污染，更能創造資源再利用的價值。其中，氨水是一項相當具潛力的回收產品，可作為化學原料或低碳能源替代方案。

在眾多分離技術中，「薄膜蒸餾」因佔地小、操作簡單、容易客製化，特別受到重視。本研究團隊提出一項以薄膜分離為核心的創新程序，能將氨氮廢水直接轉化為氨水。這項技術不僅能有效回收氨，同時也能讓排放水符合環保標準，展現出兼顧效率與永續的雙重價值。

圖1、不同氨氮濃度之處理與回收技術分布圖 [資料來源：工業技術研究院]

這項技術利用「薄膜蒸餾」的原理，透過穩定的氣液接觸面積與可堆疊模組設計，有效降低設備占地。經過 pH 調整後，廢水中的氨氮可轉化為氨氣，穿過薄膜後被分離出來，達到降低氨氮濃度的目的。

在這個過程中，「透膜通量」與「選擇性」是關鍵指標，兩者會直接影響氨氮去除率與回收氨水的濃度。由於薄膜模組種類眾多，不同型式與操作條件之間會相互影響，因此團隊建立了一套「數值模擬方法」，用以預測薄膜的效能與最佳操作參數。這不僅能協助設計更高效的系統，也為未來的程序優化提供明確依據。

本研究以「薄膜蒸餾法」為核心技術，透過膜兩側的溫度差，產生蒸氣壓差來驅動氨氣的分離。在適當的條件下，廢水中的氨會汽化並穿過疏水性薄膜，最後被酸液（如硫酸、鹽酸或磷酸）吸收，或以冷凝方式回收。本計畫的目標產物是氨水，因此採用「真空薄膜蒸餾」作為主要操作模組。

為了更精準掌握整個過程，我們運用數值模擬進行分析。這需要同時考量薄膜中的「質傳」與「熱傳」現象：由於膜孔徑約在0.1至0.5微米之間，氣體傳輸會同時受到Knudsen擴散與Poiseuille流動的影響；而熱的傳遞則分為進料端、膜層區與真空端三個區域來計算。整個模擬運算以Matlab程式進行多次迭代，並設定迴圈的相對誤差值為10^-4，模擬流程如圖2所示。

圖2、數值模擬運算流程圖 

在初步研究中，團隊以中空纖維膜進行真空式薄膜蒸餾的氨水純化模擬，透過Matlab反覆運算，成功得到氨氣通量、水通量與選擇比等結果。研究同時評估了不同薄膜條件與操作參數對通量的影響，結果顯示，當進流氨氮廢水濃度為2000mg/L時，壓力變化下的通量相對誤差為7-10%，溫度變化下則為7-13%，這代表初步的數值模擬模型已具良好準確度，後續將結合實驗數據持續修正與優化，以建立更完善的薄膜模組分析基礎。

圖3、不同操作溫度及不同操作壓力下對總通量及氨氣/水氣選擇比的影響
 

在進行氨氮廢水轉製氨水的系統測試之前，團隊先透過數值模擬，推算薄膜模組的最佳操作條件及氨氣選擇比，再以此操作條件進行氨水回收測試。
以自配氨氮廢水濃度約14000mg/L為例(參考某貴金屬回收廠之氨氮廢水濃度)，比較導入數值模擬前後之回收氨水濃度差異，如圖4所示，結果顯示，當系統操作導入薄膜數值模擬運算所推算的最佳參數設定後，回收氨水濃度可明顯提升，約19%。

在未來應用部分，真空式薄膜蒸餾模組的操作參數眾多，且依據不同薄膜模組特性而有所差異，因此，系統導入前若能先透過數值模擬預先取得適合的操作參數範圍，不僅可減少試誤的次數，後續如再導入運算控制，將可進一步提升回收氨水濃度的穩定性。
 

圖4、導入數值模擬前後之回收氨水濃度比較

參考文獻

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2. Scheepers, D. M., et al., 2020, Vacuum membrane distillation multi-component numerical model for ammonia recovery from liquid streams. Journal of Membrane Science, 614, 118399.

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撰寫人：黃韻璇
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