台灣過濾與分離學會電子報2022年第21期

研究趨勢

◎ 含鹽廢水處理膜技術進展

        在農業和工業汙水處理工程中的含鹽廢水具有高鹽濃度、有機含量和其他可能危害環境的汙染物。汙水由於傳統生物處理方法的處理效果受鹽分影響較大，高濃度無機鹽可通過升高環境滲透壓破壞微生物的細胞膜和菌體內的酶，進而破壞微生物的生理活動，對廢水生物處理產生毒害作用，這使汙水處理站對高鹽汙水的處理效果大幅度降低而無法達到國家排放標準。因此，含鹽廢水處理已成為許多國家關注的主要問題之一。目前研究較多的高鹽廢水物化處理方法主要有：蒸發、混凝沉澱、電解法及膜分離技術。膜技術因其高滲透質量、靈活性和脫鹽能力，在海水淡化和廢水處理過程中扮演關鍵角色。

基本MD配置：(a) DCMD，(b) VMD，(c) AGMD及(d) SGMD

        薄膜蒸餾(MD)是一種結合多孔疏水膜，由膜兩側的溫度(熱)梯度驅動，使進料液體產生的蒸汽通過該膜。MD可用於生產高純度水、濃縮離子、膠體或其他非揮發性水溶液，以及去除揮發性有機化合物(VOC)。最常用的MD配置包括直接接觸薄膜蒸餾(DCMD)、真空薄膜蒸餾(VMD)、空氣間隙薄膜蒸餾(AGMD)及氣體掃流薄膜蒸餾(SGMD)。與RO相比，MD的優勢包括高溶質截留率、可以處理高鹽度的水、可與餘熱和可再生能源(如太陽能)結合及可以與其他水處理技術相結合，實現零液體排放(ZLD)。然而，MD的顯著缺點是能源效率較低。據估計，MD的能量需求約為120.6–1701.8 kWh/m³，而RO的能量需求僅為2.5–7.0 kWh/m³。因此，MD需要大量的能量來加熱入料水，使得商業化受到限制。此外，MD中的溫度極化(TP)效應不僅導致高能耗，而且降低滲透通量。膜汙染也是MD的問題之一，由汙垢沉積在膜表面和膜孔內，導致效率降低。

MD 膜所需性能的整理

        傳統上，MD膜組件有三種類型：板框式、中空纖維式和螺旋纏繞式。此外，陶瓷MD膜通常呈管狀。傳統的MD膜是使用本質上疏水的聚合物製造的，例如PVDF、PTFE、PP和PE。

典型的MD膜組件：(a)板框式、(b)中空纖維、(c)螺旋纏繞

        雙層(DL)聚合物MD膜技術由兩層不同材料組成，具有可控形態、增強的機械完整性和改進的MD性能。通量增強需要較大的孔徑和孔隙率以及較小的膜厚度和曲折度。然而，膜的耐濕性和機械強度會受到影響。DL技術允許使用厚的支撐層和薄的疏水層，以製造具有協同和優化通量、耐濕性、機械完整性和熱傳遞的MD膜。

雙層平板和中空纖維膜的概念圖

        無機膜，例如陶瓷和奈米碳管的膜，也可以用於MD脫鹽程序。陶瓷膜通常由氮化矽或鐵、鋁、鈦和鋯等金屬的氧化物合成。與聚合物膜相比，陶瓷膜在惡劣環境中表現出更高的化學、熱和機械穩定性以及卓越的性能。此外，可以使用極端技術（如熱蒸汽、化學試劑和高壓）清潔被汙染的陶瓷膜。然而，陶瓷膜價格昂貴且具有高導熱性，這會導致MD過程中的熱量損失過多。此外，這些膜本質上是親水的，因為需要進行表面改質以達到MD所需疏水特性。

        靜電紡絲奈米纖維膜(ENM)具有許多獨特的特性，例如合適的孔徑、高表面積體積比、高強度重量比、高孔隙率(高達90%)、高孔隙互連性、均勻的孔徑分布和可調節的纖維直徑，在MD技術中具有極大的應用潛力。此外，ENMs可以透過簡單的表面處理或摻入奈米粒子來達到功能化，賦予其高機械強度、優異的抗潤濕能力以及超疏水或全疏特性。

以原位生長SiO₂ NPs然後氟化來修飾PVDF-HFP/APTES ENM的示意圖

        水資源短缺是一項重大挑戰，需要不斷探索新的海水淡化技術，以增加全球淡水供應。在這種情況下，薄膜蒸餾(MD)是一種很有潛力的技術，經過多年的研究，在合適的MD膜的設計和製造方面已取得了重大進展。陶瓷膜是用於MD的潛在候選者，然而，陶瓷膜的高成本和導熱性限制了它們的使用，可能的低成本選擇包括黏土、沙子、灰燼或礦物基陶瓷膜。此外，必須努力降低陶瓷膜的熱導率，如使用β-Sialon、矽酸釔、碳化矽等低導熱率陶瓷膜。利用傳統方式或靜電紡絲製作聚合物/陶瓷複合膜，達到超疏水性、全疏性、增強的MD性能、抗潤濕和防汙性能的膜成為新的研究方向。此外，為了加速商業化，所製造的膜需要在實際進料溶液中經過長時間的使用和測試。

資料來源：

1. Qasim, M., Samad, I. U., Darwish, N. A., & Hilal, N. (2021). Comprehensive review of membrane design and synthesis for membrane distillation. Desalination, 518, 115168. doi:10.1016/j.desal.2021.115168

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