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對於微溶物質而言，例如：碳酸鈣、氟化鈣、磷酸鈣、砷酸鈣等，因在水溶液中之溶解度很低，通常每100克水僅可溶解小於1克溶質¹。運用此現象，結晶與沈澱都是利用在廢水中加入適當離子產生低溶解度化合物的特性，再藉由固液分離，達到去除水中特定離子的目的。當過量加藥，反應產生極高的過飽和度，此種程序稱為沈澱，若適量加藥以控制低過飽和度，則稱為結晶，因此與沈澱方法比較，結晶方法的藥劑添加量較低。對於去除廢水或水中的無機離子，當處理手段是混凝沈澱方法，固體產物則為汙泥，機械脫水後含水率約為50到80%，反之，若採用結晶方法則固體產物為結晶體，含水率約為10%²。

結晶與混凝沈澱方法主要差異在於混凝沈澱方法經由加藥和混凝所形成的是微細的懸浮物，不容易沈澱、濃縮和脫水，而結晶法則可利用特殊設計的流體化床（Fluidized Bed）反應槽，配合程序控制，使得低溶解度化合物在擔體（0.2～0.5 mm）表面形成結晶，並逐漸成長產生高純度的結晶體顆粒（1～3 mm）。晶體顆粒排出槽體後，由於只有表面附著水，只要經過太空包或細篩機等即可將水分離。結晶法產生的特定化合物結晶體含水率在10 %以下，重量比傳統沈澱方法產生污泥餅低50 %以上；而且結晶體純度高，不但容易儲存運送，甚至還可以資源化利用，解決令人頭痛的汙泥處理問題。

以氟化鈣結晶為例（參見圖1），頂端的平衡線是根據氟化鈣的溶解度積(KSP)，假設在稀薄溶液狀況下，計算出的飽和曲線，下端的曲線則為以不同濃度氯化鈣藥劑和不同濃度的實廠含氟廢水混合攪拌，目測成核顆粒實驗求得，由兩條曲線畫分為未飽和區、介穩區和混濁區三個區域，分別對應到晶體溶解、成長和初成核產生的濃度，由介穩區區域再加上氟離子放流水標準及經濟加藥兩個因子，可得到灰色的適當操作控制範圍。

實驗顯示以出流水氟濃度為指標時，影響最大的是Ca/F(mole/mole)，其次是氟的面積負荷（kg F/m²h），因此固定其他參數，包括pH值、上流速度、擔體床高和擔體種類在較佳的條件下，改變Ca藥劑和F廢水莫耳比及F的面積負荷，顯示F的面積負荷在2 kg F/ m²h以下及Ca藥劑和F廢水莫耳比在0.8到1時，結晶率達80%且出流水氟濃度小於10 mg F/L；若F的面積負荷提高到3 k F/ m²h時，Ca/F莫耳比相同在0.8到1時，出流水氟濃度亦可小於10 mg F/L，但結晶率下降到60%到74%。

以實廠應用案例（圖2）說明，當操作Ca/F莫耳比為1、廢水面積負荷2到3 kg F/m2h、上流速度40 m/h及pH 5.5等條件下，氟進流水濃度範圍為139至500 mg/L，經過FBC結晶處理後，出流水氟離子濃度為8至15 mg/L，平均值為10 mg/L。

圖2 流體化床結晶實廠之處理效果

不同種類結晶體（氟化鈣、碳酸鈣和冰晶石結晶體）

文獻出處：
1. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 3-98.
2. van der veen, Cornelis; Graveland, Anthonie, The Amsterdam Water Supply Central Softening by Crystallisation in a Fluidized Bed Process,  Sect. Res. Dev., Amsterdam Water Supply, 1014, 1591-1620, 1990.

撰寫人:李茂松
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