废水回收的魔法棒:薄膜技术

2020-07-08 16:04:24 来源:引资文化210人评论

前言

因为地球暖化造成全球极端气候,使得水资源的旱涝不均现象更加明显,另外也因为工业文明的普遍发展及生活水平的提升,全球对于水资源的需求日益增加和迫切,所以对于水资源如何有效的应用及回收再利用,已经变成近年来全世界上相当热门的议题。

薄膜技术特点

常用于废水回收的薄膜法,为近年来逐渐成熟的技术,其作用原理便是依靠薄膜上的孔洞,利用孔洞大小的特性,使特定的物质才能通过,达到纯化的目的。相较于传统使用的化学沉澱法,薄膜法不须额外添加药剂,也不会产生额外的化学反应,单纯依靠物理特性来达到水质净化的目的,符合目前所追求的节约能源的目标。

薄膜技术常见分类

各种薄膜的孔洞大小和可滤除的物质如图一所示,其孔洞大小从大至小依序为砂滤、微滤膜、超滤膜、奈滤膜及逆渗透膜等。从图一中可知,若想要滤除细菌类的物质至少要用到超滤膜或奈滤膜,而如果要去除大部分的离子,则要考虑使用到逆渗透膜。近年来随着薄膜技术的日益成熟,成本大幅降低,工业界已广泛应用各种薄膜来进行水回收再利用,以下针对各种薄膜做介绍。

废水回收的魔法棒:薄膜技术

图一 各种薄膜的孔洞大小和可滤除的物质(来源:本文作者傅弼豊绘图)

1. 微滤膜 (MF, Micro Filter)
微滤膜是较常用的薄膜,可用于初步过滤,如作为逆渗透膜组前置过滤器的 5 微米和 1 微米过滤器。

2. 超滤膜 (UF, Ultra Filter)
超滤膜则是用来进行水回收的薄膜,可初步过滤病毒、细菌等,也可做为奈滤膜、逆渗透膜的前处理。

3. 奈滤膜 (NF, Nano Filter)
奈滤膜则是用来进行水质软化的薄膜,可针对薄膜进行适当的改质,使其可以有效的分离一价离子与二价离子。

4. 逆渗透膜 (RO, Reverse Osmosis)
逆渗透膜经常作为水处理程序的核心,如海水淡化及浓缩等用途。

一般而言逆渗透法有下列特性:

1. 出水水质良好及浓缩减量效果良好。

2. 处理设备构造简单,操作维护容易。

3. 对有机、无机成份皆有良好去除效果。

对大型 RO 系统而言,海水淡化回收效率60~75%,半硷水淡化可达 75% 以上。由于 RO 的水道间隔为筛网且较窄,故进水要求较严,前处理考量很重要。

整合离子交换树脂与薄膜技术:连续电去离子化 (CDI, Continuous Deionization)

连续电去离子化装置原理如图二,其中的混床型离子交换树脂夹在阴阳离子交换膜之间,一般这些膜都是製成片状,皆具选择性,即只允许相反电性的离子通过,而无法让水通过。而在全填型 (all-filled) 的模组中,产水侧 (product) 和排水侧 (reject) 皆含有离子交换树脂。

废水回收的魔法棒:薄膜技术

图二 连续电去离子化装置原理示意图(来源:本文作者傅弼豊绘图)

饲水进入产水侧后,其中的离子即会被混床型树脂所移除,另外因为施加电流的缘故,阳离子会向阴极移动,而阴离子会向阳极移动,最后皆会通过选择性膜而造成分离的效果。

产水侧的水质在过程中渐渐变纯净,在流程的后端可能因直流电压的关係使水分子发生电解的现象,将水分子分解为氢离子和氢氧根离子,因为这两种离子具有再生混床型离子交换树脂的能力,如此即可使离子交换树脂随时连续再生,令水质能维持在良好的状况,而无需再添加化学药品以进行再生。

薄膜技术的整合应用:以电厂的锅炉洩水回收为例

图三为以薄膜程序回收(200吨/天)锅炉洩水之试验设备,处理程序为冷却器、5 微米/1 微米过滤器、逆渗透模组 (RO)、0.2 微米过滤器、连续电去离子模组 (CDI) 及混床树脂 (MB),其中混床树脂係用以保障产水的水质可维持在良好的状况。此完整程序的产水水质电阻率可达 16 MΩ-cm 左右,可作为发电系统补给水之用。实际运转的状况是每小时可处理 8 吨的锅炉洩水,经处理后每小时可回收 6 吨的纯水作为系统补给水之用。

废水回收的魔法棒:薄膜技术

图三 薄膜程序回收锅炉洩水的流程(来源:本文作者傅弼豊拍摄)


参考文献

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