第二章 文獻回顧
2.5 化學前處理結合薄膜過濾處理
CMP 廢水中因含有大量的固體矽及溶解矽的濃度，所以若單純利用薄膜系統 來處理這股廢水，對於薄膜本身的處理效率就會大大降低，且廢水中的矽酸可能 會在薄膜表面產生結垢而造成薄膜阻塞的問題，因而導致這整套處理系統的損 壞；所以若能利用前處理將水中的矽酸及顆粒物移除，則對於後續結合薄膜處理 則是相當好的處理策略。
2.5.1 鎂鹽去除矽酸之機制
在一般RO純水製造系統的水質進流標準，其水中矽酸濃度值必須降至個位 數的ppm，方不致在RO處理程序降低其純水製造率。國內外現今移除水中矽酸的 方法大多是使用Al2O3或Mg(OH)2固體物去除進流水中的矽酸，在Sheikholeslami and Tan (1999) 研究指出水中的矽酸易與帶有氫氧根離子的多價金屬行聚合作用 產生共沉澱(Coprecipitation)並予以去除。
圖2.5 金屬氫氧化合物與矽酸之聚合反應式(Sheikholeslami and Tan, 1999)
由上圖 2.5 得知，水中的矽酸與帶有氫氧根離子的多價金屬產生脫水聚合的 反應，生成金屬矽酸鹽的沉澱而達到去除矽酸的目的。這樣的脫水聚合反應與水 中的pH值有關，而利用鎂鹽在高pH值下處理就是為了使其生成Mg(OH)2固體物，
使其Mg(OH)2固體物對水中矽酸行聚合作用及共沈降作用，達到去除水中矽酸的
由圖 2.6 中所示，鎂鹽一般在中性或酸性的水體中大多是以Mg2+的離子型態 存在，當水中pH值大於 10，則會漸漸形成Mg(OH)2的沉澱，此時水中的矽酸就會 與Mg(OH)2固體物行聚合作用，藉著固體物沉澱的共沈降機制一起將水中矽酸物 質移除。
圖2.6 鎂物種之平衡穩定關係圖(改繪自Booster et al., 2003)
2.5.2 薄膜分離技術處理化學機械研磨廢水
隨著薄膜製造技術的進步，每年約有20%的薄膜應用技術在持續地成長，與 傳統廢水處理程序相比較，薄膜處理程序具有下列幾項優點： (1) 可得到較佳的 水質 (2) 佔地面積小 (3) 易於操作與維護 (4) 減少化學藥劑使用量 (5) 污泥產 量減少，預估未來薄膜相對於傳統處理程序的應用會有更進一步的優勢(Nakastuka et al., 1996)。
2.5.2.1 薄膜程序結合化學混凝前處理對於水處理之優勢
許多研究指出，在薄膜過濾處理程序前進行混凝前處理的動作，可改善水中 污染物質的組成狀況及可將大量的污染物經由混凝方式處理並移除，使得在之後 的薄膜處理程序得以增加並維持薄膜通量並延緩薄膜積垢的現象發生。吳氏 (2001) 利用化學混凝前處理搭配超過濾薄膜處理 CMP 廢水，使用多元氯化鋁及 氯化鐵作為混凝劑，探討混凝劑種類、最佳操作 pH、混凝劑加藥量對於濁度去 除的關係。結果顯示以多元氯化鋁對於 CMP 製程廢水的去除效果較佳；此外，
此研究以混凝試驗所得之最適操作參數來結合超過濾薄膜進行連續進流的測 試，其結果顯示經混凝前處理的確能夠增加濁度、DOC 的移除率及減緩質傳係數 的降低。
羅氏 (2001) 利用化學混凝前處理結合陶瓷膜微過濾的一套整合性模組，並 在後段搭配活性碳吸附及逆滲透系統的組合來進行 CMP 實廠廢水的處理。經過 混凝前處理及搭配微過濾的模組操作成本(操作費用約 43 元/噸)與傳統化學混凝 沈澱後再經高級處理達到回收水標準的操作成本(操作費用約 57.5 ~ 86 元/噸)作 比較，其結果顯示化學混凝與薄膜的結合是相當經濟且未來將會以此為一主要處 理趨勢。
陳氏 (2004) 利用混凝前處理配合薄膜微過濾方式來處理化學機械研磨廢
一般UF薄膜的孔洞(Membrane Pore Size)大約為 1 ~ 100 nm，其操作壓力約在 50 ~ 700 kPa (103 kg/ms2)左右。可分離或去除的對象包括水中顆粒造成的濁度、 降低薄膜程序帶來的經濟效益。下列為造成積垢現象的主要機制(Bourgeous et al., 2001)
， 如圖2.7：
(1) 凝膠/濾餅於薄膜表面生成 (Gel/Cake Formation)
因濃度極化現象所導致，而顆粒阻留所造成的累積現象亦會影響。
(2) 孔洞阻塞 (Pore Plugging)
進流顆粒阻塞於薄膜孔洞之中。
(3) 孔洞縮小 (Pore Narrowing)
顆粒吸附於孔隙內層表面，導致薄膜孔洞逐漸縮小。
濃度極化於薄膜過濾中是一個無法避免的現象，由於薄膜過濾造成水中溶劑 部分或全部移除，使得溶質於薄膜表面之濃度較原來進流濃度高，而產生一逆向 擴散(Back diffusion)的趨勢，與溶質正常過濾方向相反而造成薄膜濾速衰減。為 解決上述問題，普遍會利用一些物理及化學方式來增進薄膜的使用效率，其中最 常使用的方法為清洗(Cleaning)或反沖洗(Backwashing)，藉此可有效降低阻塞的情 形，延長薄膜使用期限，節省操作成本(Bourgeous et al., 2001)。
圖2.7 薄膜積垢的機制(Bourgeous et al., 1995)
(a) 凝膠/濾餅於薄膜表面生成 (b) 孔洞阻塞 (c) 孔洞縮小