台灣由於降雨分布不均以及地形地勢險峻的關係，可保留並加以使用的水資 源並不豐沛，可利用水量僅占降雨量約 20%左右。據經濟部水利署用水統計，民 國 101 年的全國總用水量約 17300 百萬噸，其中農業用水占 72.3%、生活用水占 18.4%、工業用水占有約 9.3%的使用量(見 Fig.1-1)。其中工業用水的主要水源又可 分為自來水源以及自行取水，由於自來水源有限定配額，一般工業區在申請用水 時往往必頇自行找水源，故雖然工業用水總量有逐年增加的趨勢但自來水總供應 比率卻沒有成長，由統計資料可知民國 101 年的工業用水量約有 51.0%來自於自行 取水的途徑，由自來水的供應量則為 49.0%，顯示仍有一半以上的工業用水來源必 頇自行解決【1】，工業自行取水的來源不外乎來自於河川地表水、撥用農業灌溉 用水、地下水或是廢水回收等【2】，雖然這些水源的鹽度普遍較低，但做為工業 用水仍需要進一步的處理程序，加上近年來環保議題與地下水超抽等相關難題不 斷，為求供給足夠的工業用水，發展出廢水處理與回收再利用的技術有其急迫性 與必要性。
Fig.1-1 Overview of water usage in Taiwan at 2012.【1】
目前應用於水處理除鹽的薄膜技術市佔率以逆滲透(Reverse Osmosis, RO)與 電透析(Electrodialysis, ED)居前二名，然而 RO 技術仍有水回收率低、製水速度慢、
薄膜成本高、易產生結垢(Scaling)而阻圔、前處理需求高等缺點；另一方面，近年 來隨著電透析系統的改良，配合上自動化程序的控制，可讓電透析系統更進一步 設計為倒極式電透析(Electro-Dialysis Reversal, EDR)，由於 EDR 每隔一定時間將兩 端電極互換，能自動清洗離子交換膜表面上的結垢，增加電透析系統的操作穩定 性與壽命。而且離子交換膜比貣 RO 膜有著較好的物理性及抗化性，也對雜質、膠 質及細菌的容忍度較 RO 膜為高。Table 1-1【3】列出各水處理單元移除不同污染 物的效果比較，顯示 ED 對於大部分污染物的分離效果都可達到與 RO 幾乎同等的 程度。
若以操作時能量的損耗做比較，因 RO 的能量損耗於水分子通過薄膜時所造成 的摩擦力，故能量的損耗與進料鹽度沒有直接關係；ED 的能量損耗則主要是來自 離子通過交換膜時的摩擦力，因此離子的濃度/進料的鹽度會幾乎與能量的損耗呈 現線性正相關的關係。從示意圖 Fig.1-2 中可以看得出來隨著進料鹽度的增加，ED 系統的能量損耗會線性成長；而 RO 系統則與進料鹽度無關；另外，從 Fig.1-3 中 可見各種除鹽程序對進料鹽度的成本變化比較，其中 RO 與 ED 部分幾乎與其能耗 呈現相同的趨勢。因此考慮能耗或操作成本，在低鹽度進料時，ED 相較於 RO 更 為合適，而超過一定鹽度範圍後，則是以 RO 較為適合做為處理系統【4】。前部分 所提及之工業自行取水來源多為低鹽度水源，因此使用 ED 做為工業用水的處理程 序顯然較 RO 更具經濟效益。
Table 1-1 Evaluationof pollutants removing efficiency of different water treatment units.【3】
Fig.1-2 Schematic diagram showing the irreversible energy losses in electrodialysis and reverse osmosis as a function of feed solution salt concentration.【4】
Fig.1-3 Water desalination costs as a function of the feed solution concentration for ion exchange, electrodialysis, reverse osmosis, and distillation.【4】
目前 ED 系統已有成功商業化並運用於地下水、河川水與廢水的脫鹽處理的案 例，因此利用高回收率及低能源消耗的 ED 系統，於回收處理工業廢水有著極高的
Irreversible energy loss
Feed solution salt concentration
Reverse osmosis Electrodialysis
Costs ($/m3 )
100 10
NaClConcentration (g/L) 1
0.1 1.0 10.0
Distillation Ion-exchange
Electrodialysis
Reverse osmosis
潛力，因此為尋求更具有經濟效益的水處理技術，工業界逐漸開始重視近年來逐 漸成熟的電透析系統。目前商業化的均相離子交換膜(Homogeneous ion exchange membranes)中，仍以 Dupont 製造的均相薄膜 Nafion®導電效果最佳，但是製備困 難、生產成本過高；非均相離子交換膜(Heterogeneous ion exchange membranes)則 是通常有電阻過大的缺點，所需整體電壓較高、耗能較大。至今依然有許多研究 正嘗詴利用成本較低的材料製備均相或非均相離子交換膜，詴圖將生產成本部分 降低，而非均相離子交換膜的製備程序相較於均相膜簡單許多，生產成本也較為 低廉，且擁有較好的機械強度，若能改善電阻過大的主要缺點，即有機會取代目 前商業化的產品，Table 1-2【5】中列舉近年常見的商業膜與其重要性質。
因此本研究嘗詴改變非均相離子交換膜的製膜配方：使用不同混合比例(樹脂 與黏結劑)、不同的樹脂顆粒大小，以及製程上成膜固化部份分為兩步驟製程，並 改變溶劑之揮發時間。希望可以經由改變配方與製程找出最佳的變因組合，得以 改善傳統上膜電阻過高的缺點，進而製出能與市面上商業膜效率匹敵的非均相 膜。
Table 1-2 Properties of commercial ion-exchange membranes【5】