水處理技術
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電容脫鹽技術(CDI)-下世代的低耗能脫鹽技術

技術簡介
水資源不足是人類未來面對的重大難題,而當前全世界容易取得可用的淡水供應量卻相對快速的減少,面對全球淡水需求量與日遽增的壓力,脫鹽的應用正是解急良策。在歐、美、日、以色列以及隣近的韓國,近期都以國家型研究計畫或鼓勵民間研究單位致力於水淡化脫鹽技術之研究。主要研究方向是朝降低成本、低耗能及多元化的脫鹽技術建立,其中以電容脫鹽技術最受到國際重視。有別於傳統的逆滲透(RO)及電透析(ED)高耗能的薄膜脫鹽技術,在半鹽水的操作範圍內,電容脫鹽技術能耗約在0.1~0.6 kWh/m3之間,水回收率可達65~75 % (傳統RO能耗1.5~ 1.85 kWh/m3,水回收率最高40~50 %),這種具有水淡化脫鹽及儲能能力的技術,被認為是下世代的創新脫鹽技術。
詳細技術介紹

電容脫鹽(Capacitive Deionization, CDI)技術是利用具有電容性的電極,將之放置在水中,在低電壓下產生正極和負極,那麼水中的陽離子會被靜電力(electrostatic force)吸引到負極,相對的水中陰離子就會被吸引到正極,以電雙層吸附(electrosorption)的機制得到去離子水。

而使用過的電極可以利用斷路(或倒極),使原本吸附在電極上面的離子脫附而再生(regeneration)產生濃鹽水(brine),如此電吸附/脫附交替的操作,就可以達到脫鹽之目的[註1],CDI基本操作概念示如圖1所示。

 圖1、電容脫鹽(CDI)基本操作概念
圖1、電容脫鹽(CDI)基本操作概念

 

CDI技術有最低的能耗和最大的能量回收潛力,且具備成為水脫鹽中最佳可行技術(best available technology; BAT) 所需具備的大部分特點。然而,高電極材料成本是CDI技術一直難以在脫鹽領域中達成預期普及性的主要障礙。因此,工研院自2011年開始積極研究,改質低成本活性碳製備CDI電極材料,創新建立低溫兩段式微波加熱之ionothermal (離子液體存在下之sol-gel程序)合成方法,可快速製備CDI電極用Anatase TiO2/活性碳複合材料[註2, 註3],且藉由TiO2改質有效降低活性碳不可逆吸附現象及提升脫鹽量。近期,研究更由材料改質延伸至核心模組設計,製作出CDI淨水機原型(圖2),產品規格為進水TDS< 500 ppm、脫鹽率>75 %、產水量65 L/day及用電量0.3~0.6 kWh/m3,其成果發表後已受到各界熱烈的關注。

圖2、工研院開發之CDI電極材料、模組及原型機 

 
技術應用範圍
CDI技術的操作TDS濃度一般認為約在3000 ppm以下,應用範圍主要可分為生活用水與工業用水兩部份。在生活用水方面,可降低自來水中TDS(如:硬水軟化)及微量污染物含量(如:餘氯去除),作為可取代RO之淨水裝置,而工業或農業再生水脫鹽方面,則可作為後處理程序去除難移除之污染物(如:硼、砷及硝酸鹽),或進行有價物質回收處理(選擇性吸附)。

註一:F.A. AlMarzooqi, et al., Desalination 342 (2014) 3-15.
註二:P. I. Liu, et al., Electrochimica Acta 96 (2013) 173-179.
註三:P. I. Liu, et al., Journal of Colloid and Interface Science (2015) http://dx.doi.org/10.1016/j.jcis.2014.12.007

 

聯絡窗口
鐘琍菁,工業技術研究院 材料與化工研究所 研究員
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