水處理薄膜技術介紹，微米過濾(Microfiltration)、超過濾(Ultrafiltration)、薄膜蒸餾(Membrane distillation)、奈米過濾(Nanofiltration)、逆滲透(Reverse osmosis)、正滲透(Forward osmosis)--創新水科技研發服務網

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水處理薄膜技術介紹

許皓翔 2021-05-06 0 8401

目前薄膜分離技術被廣泛應用在能源、水資源、環保、醫藥等領域，因此未來人類永續生活勢必與薄膜科技環環相扣。隨著科技之發展，各產業所需用水量逐年增加而造成水資源短缺，因此水處理薄膜在目前及未來扮演很重要之角色。目前水處理薄膜技術依薄膜孔洞大小分成微米過濾(Microfiltration, MF)、超過濾(Ultrafiltration, UF)、薄膜蒸餾(Membrane distillation, MD)、奈米過濾(Nanofiltration, NF)、逆滲透(Reverse osmosis, RO)以及較新穎之正滲透(Forward osmosis, FO)程序。

在MF及UF程序中，薄膜分離機制是屬於篩分效應(Sieving effect)，其示意圖如圖1，MF及UF係以薄膜孔徑作為基準，當物質大小大於孔徑則會被膜材所阻擋，反之則可透過薄膜到另一端，可應用於固液分離、油水分離、醫藥工業、食品工業及廢水處理等應用。

圖1 MF及UF之篩分效應

MF膜常見的材質為聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF)及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)等材質，其孔徑範圍為0.1 μm至10 μm，而平常最容易看見之微米過濾膜為家用RO飲水機之前置濾心(大部分為5 μm過濾器) (如圖2所示)。

圖2 RO前置微米過濾濾心[2]

而UF膜主要材質為PVDF、PTFE、聚碸(Polysulfone, PSF)、聚醚碸(Polyethersulfone, PES)及醋酸纖維(Cellulose acetate, CA)等材質，其孔徑範圍為0.01 μm至0.1 μm，其依薄膜製備方式不同而可分為對稱膜(Symmetric)及非對稱膜(Asymmetric)，兩者差異如圖3所示，一般常使用之PVDF、PSF大多屬於非對稱式薄膜，而PTFE則屬於對稱式薄膜。在薄膜形式上又可分為平板(Plate)、管式(Tubular)、捲繞式(Spiral wound)及中空纖維(Hollow fiber)，以因應不同使用環境及限制。

圖3 對稱膜與非對稱膜之示意圖[1]

NF的膜分離機制包含篩分效應、道南效應(Donnan effect)，其薄膜屬於非對稱之複合膜(Composite membrane)，主要是以UF膜作為其支撐材(Support layer)並在UF膜表面製備一層較緻密之選擇層(Selective layer)，其孔徑範圍為0.001 μm至0.01 μm，而其道南效應主要是藉由選擇層的帶電性進行靜電作用力，可分離單價(Monovalent)離子與多價(Multivalent)離子(示意圖如圖4)，因此可應用於硬水軟化、染整廢水、食品工業、廢水回收等領域。

圖4 奈米過濾道南效應過濾機制示意圖

RO為目前普羅大眾最常聽到的水處理技術，主要用於海水淡化、家用淨水器。RO薄膜孔徑小於0.001 μm而可幾乎移除所有水合離子。目前商品化的RO膜與商品化的NF膜幾乎一樣，主要差異在於選擇層的原料不同。RO膜的聚醯胺結構皆屬於交聯結構(Crosslinked structure)，因此產生比NF膜更緻密的選擇層。逆滲透原理是透過半透膜，把高滲透壓溶液與低滲透壓溶液分隔開，並藉由外部壓力克服兩者溶液產生的滲透壓差，將水分子推動到低滲透壓側(意即淡水側)。

正向滲透(Forward Osmosis, FO)一樣是由半透膜分隔高滲透壓溶液(又稱汲取側，Draw side)及低滲透壓(又稱進料側，Feed side)溶液，而其操作不同於逆滲透，是藉由滲透壓差所產生的自然滲透現象，讓水分子自發性透過薄膜移動至汲取側，藉此達到濃縮進料側，正向滲透的操作是藉由自然的滲透作用驅動水分子移動，因此相較於逆滲透的高壓操作而言節能許多。正向滲透應用在水回收中，汲取側的汲取液(Draw solution)則扮演極為重要的角色。為確保汲取液可提供高滲透壓及高回收率，有許多學者使用高分子材料、金屬粒子、奈米微球及離子液體作為汲取液，其可藉由簡單之磁場、電場、過濾方式將水及[汲取液材料]分離，來達到水回收以及[汲取液]回收再利用的功效。

MD程序之分離機制有別於上述4種，其主要結合薄膜技術及蒸餾技術，透過疏水性微孔膜分隔高溫水溶液及低溫水溶液，藉由兩端水溶液的溫差梯度產生薄膜兩側的蒸氣壓差，使高溫側的蒸氣分子透過薄膜往低溫側移動，藉此達到廢液濃縮及水回收之作用。此程序之薄膜主要關鍵在於其疏水性及多孔性，以確保水蒸氣之流通性。一般常見的MD膜為PTFE及PVDF等高疏水性、耐高溫之高分子，而其常見薄膜結構為多孔型對稱薄膜，以減少水蒸氣之移動路徑及增加水蒸氣之質傳速率。MD操作模式可分為直接接觸式薄膜蒸餾(Direct Contact Membrane Distillation, DCMD)、空氣間隙式薄膜蒸餾(Air Gap Membrane Distillation, AGMD)、空氣掃掠式薄膜蒸餾(Sweeping Gas Membrane Distillation, SGMD)以及真空式薄膜蒸餾(Vacuum Membrane Distillation, VMD)，其差異如圖5所示。薄膜蒸餾技術目前發展於水回收、脫鹽、液體濃縮等應用。