薄膜分離

薄膜分離是指以壓力差為驅動力的薄膜過濾程序。對能穿透過的物 質具有選擇性的薄膜，稱為半透膜，半滲透膜只允許水通過而排斥其他 分子或離子，所以一般將只能透過溶劑而不能透過溶質的薄膜，視為理

想的半透膜。如圖2-7(a)所示，利用半滲透膜隔開水和鹽水時，因兩側 含鹽濃度不同，左側較多水分子的溶液會通過半透膜進入至右側，稀釋 鹽水濃度，這一現象稱為滲透。(b)圖顯示當左側的水溶液通過半透膜至 右側，左側的水下降而右側的鹽水上升，當兩側的壓力差等於滲透壓時，

即達滲透平衡。(c)圖則顯示當兩側的溶液濃度不同時，水溶液將自然的 穿過半透膜，向鹽水側流動，當溶液擴散至兩端狀態平衡時，鹽水的液 面會比水溶液的液面高，形成一個壓力差，而鹽水端所增加的液壓差稱 為滲透壓。若反向施一外壓在右側鹽水，當壓力大於滲透壓時，即產生 右側鹽水中的水分子，會透過半透膜流至左側的水溶液，這種強迫反向 的滲透程序就稱為逆滲透。

圖2-7 逆滲透原理示意圖

薄膜過濾方式可分為垂直過濾(Dead-end filtration)與水平過濾 (Cross-flow filtration)兩種，如圖2-8所示。垂直過濾是水流方向與 薄膜面成垂直，濾液可藉由壓力驅動而經由薄膜滲透出來，懸浮微粒等 則累積在薄膜表面，水平過濾是水流方向與薄膜面成平行，濾液可藉由 水流的掃流與膜面可產生剪力及亂流，因此懸浮微粒可被水流帶走，降

P

半透膜 半透膜

水 鹽水

（a）滲透

水 鹽水

（b）滲透平衡

水 鹽水

（c）逆滲透

低懸浮微粒的沉積，減少濃度極化的現象。

(a) 垂直過濾 (b)水平過濾 圖2-8 薄膜過濾方式(Munir, 1998)

傳統的薄膜處理技術有包含有微過濾（microfiltration, MF），超 過濾（ultrafiltration, UF），奈米過濾（nanofiltration, NF），和逆 滲透（reverse osmosis, RO）。在薄膜分離程序中，膜過濾技術主要是 以壓力差為驅動力，依其孔徑大小與操作方式的不同而加以分類，如圖 2-9所示。孔徑最大的是MF薄膜，其孔徑分布範圍約為0.1 ~ 1 μm，能 阻擋粒子的分子量大於 500,000 道爾吞，用於分離溶液中之細菌、懸浮 固體物等。其次是孔徑次之的UF薄膜，其孔徑分布範圍大致介於0.005 ~ 0.1 μm 之間，能阻擋粒子的分子量約略1,000 ~ 500,000 道爾吞，可 分離大分子物質，如：高分子有機物、膠體物質等。再其次是NF薄膜，

其分離範圍約介於0.001 ~ 0.01 μm，能阻擋粒子的分子量約略200 ~ 1000 道爾吞，可用於分離病毒、高分子有機物、部分無機離子等物質。最後 是孔徑最小的RO逆滲透薄膜，但其分離範圍小於0.001 μm，能阻擋粒子 的分子量小於200 道爾吞，因此只有水分子能通過薄膜，即使是分子量 很小的金屬離子(＜100 MW)，也不能穿過薄膜，因此也可達到去除的目

的，依操作壓力的增加或膜孔徑的減小，現在已多應用於自來水、廢水 處理與回收，及海水淡化等領域。

圗2-9 薄膜與粒徑的比較(張博雅，2004)

2.薄膜構造與材質種類

工業常用的膜組形式有4種，其形狀分別為：中空纖維型(Hollo fiber)、平板型(Plate unit)、螺旋型(Spiral wound)及管狀型 (Tubular) ，如表2-9所示。

(1)中空纖維型

中空纖維膜管主要材質為芳香烴聚醯胺，內徑約為0.2 ~ 3 mm 之 間，將內徑40-80μm 之中空纖維束，裝入圓管狀容器，此模組其單 位膜面積較大，造水率高，進流水的流動方式以層流為主，雷諾數 則在500 ~ 3000 之間，流速介於0.5 ~ 2.5 m/s。當進流水從最外 層流入時，雜質會經過中空纖維束而過濾掉，濾液則由中心內層濾 出，因薄膜間隙較小，若是處理的水中含有懸浮物質及溶解性鹽較 高時，容易產生積垢的問題，故需在膜管前方設置前處理設備。其 優點為膜的填充密度高、壓降較低及回收率高，缺點為濃度極化大、

清洗程序複雜而耗水和中空絲可能斷裂。

(2)平板型

平板型由圓版狀或長方形之平面膜重疊而成，組合方式類似板 框壓濾機或板式熱交換機，因每ㄧ層薄膜均需各別支撐層，易降低 填充密度，造成積垢，操作時若增加水流之擾動，因而能降低薄膜 的阻塞潛能。其優點為可高流速操作、更換清洗膜面及拆卸組裝容 易、濃度極化現象小，缺點為薄膜易發生破損及組裝時可能產生漏 水問題。

(3)螺旋型

螺旋狀模組為將製作好的薄膜密封成信封狀，在兩個薄膜間以 網狀襯以間隔材料，之後將其纏繞在收集管上，再裝入壓力容器內。

進流水由ㄧ端進入，沿著軸向進入，透過沿徑滲透通過薄膜至收集 管導出，另ㄧ端則是濃縮液。在低流速下便可展成紊流，而減少濃 度極化，雷諾數在100 ~ 1300 之間，流速介於10 ~ 60 m/s。其優 點為組裝較具彈性、膜填充密度較高、構造簡單、價格較便宜與薄 膜容易更換，適合用於海水淡化及工業廢水；缺點為濃度極化不易 控制、膜面容易造成嚴重結垢且較不易清洗、回收率較差。

(4)管狀型

管狀薄膜被覆在多孔細管表面，管內徑約在12.5 ~ 25 mm 之間，

進流水由薄膜的ㄧ端進入，可通過薄膜的稱為濾液，無法通過薄膜 的稱為濃縮液。進流水在管狀型的流動方式以紊流為主，流速需介 於2~ 6 m/s，以減少薄膜之阻塞程度。此類膜管之優點為適合在高 流速、高壓下操作及容易清洗，缺點為薄膜的填充密度低、價格較 高及壓損較大造成操作成本提高。

表2-9 四種主要模組之基本特性比較表(劉茱娥，1998)

濃度極化是薄膜過濾中無可避免的現象，由於水中溶質在薄膜上受 到壓力驅動，使得無法透過薄膜的溶質，於薄膜表面累積，造成此處的 濃度比進流水之濃度高，形成一個反向擴散的現象(Back-diffusion)，

使得薄膜滲透率減少的現象，此濃度累積的現象稱之濃度極化。

薄膜積垢則是指溶質、有機物、微生物及外來物質等，沉積於膜面 上或孔隙內形成ㄧ層膠狀體，且伴隨著大分子於薄膜表面上吸附，其存 在是一種不可逆的現象。因為薄膜積垢會導致產水水質、水量較差、操 作壓力增加與去鹽能力降低等。薄膜積垢是ㄧ項難處理的問題，因此前 處理裝置對薄膜有降低積垢問題產生，若有根據水質選擇適當的前處理 裝置，薄膜會因前處理而延長壽命、預防鹽通量升高及維持高產水量。

一般積垢種類有膜面結垢(Membrane Scaling)、金屬氧化沉澱(Metal Oxide Precipitatuon)、系統堵塞(Device Plugging)、膠體積垢 (Colloidal Fouling)及生物積垢(Biological Fouling)。

Song(1998)，薄膜過濾的產水通量可分成三個區域，區域(Ⅰ)由於 溶質、有機物、微生物及外來物質等在薄膜孔隙中堵塞，產水通量會隨 時間迅速減少，區域(Ⅱ)的產水通量則不像區域(Ⅰ)快速下降，而是呈 現緩慢下降的趨勢，且薄膜積垢的現象都出現於區域(Ⅱ)，原因為薄膜 表面上已有溶質等漸漸形成濾餅，使得表面的水力阻抗增加，區域(Ⅲ) 之產水通量已呈現穩定的狀態，如圖2-10所示。因此長時間保持在壓力 較高與進水濃度較低下操作，才可以達到穩定的產水通量。

圖2-10 薄膜過濾之產水通量時間變化圖

4.薄膜應用實例

Abdessemed et al. (1999)使用砂濾與UF膜的組合來進行廢水處理 廠中廢水的回收再利用，將廢水中的有機物質、懸浮固體(SS)及濁度，

利用無機膜測出的去除效率較好，不僅得知大部分的溶質容易截留形成 積垢，更可提高薄膜的去除效率，可使COD值降低到12 mg/L，但BOD值只 有5 mg/L。然而，因為硝化作用所影響，氨的含量即使經過UF 薄膜程序 的處理，仍會比傳統的生物處理程序高，儘管無法去除氨的含量，但處 理過的水仍可作為製程中的洗滌水。Buckley(1992)染整廠放流水經過不 同薄膜會有不同的處理效能及適用性，MF膜可做為NF膜及RO膜的前處 理，以減少NF膜及RO膜的負擔，結果得知，利用NF、RO膜的組合作為放 流水回收再利用的方式，對導電鍍的去除率分別為80％及90％，色度的 去除率可達90％以上。Qin et al. (2003)製鎳工廠的沖洗廢水回收再利 用，是利用MF膜當前處理，之後再利用三種不同孔徑的NF膜處理，最後 再用RO膜進行回收水再置程序。其中MF薄膜的孔徑為0.2 μm，其SDI值 為3.3；UF薄膜之MWCO分別為13000、50000 及100000，SDI 值為1.1、1.7 及3.1，經過RO 處理之後測得導電度低於32.2 μS/cm ，Fe、P 及NO^3-的 濃度與都市用水接近，而Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺、Na⁺、Ni²⁺、濁度、TOC 、pH、Cl -及SO^42-的濃度要比都市用水水質低。陳秀中(2005)高科技園區的TFT-LCD 製程有機廢水利用沉浸式生物薄膜(Membrane Bioreactor，MBR)與逆滲 透作回收再利用評估研究，結果顯示，原水COD濃度為1300mg/L、BOD濃 度為560mg/L、總有機碳濃度為700mg/L，先利用沉浸式生物薄膜處理後，

COD的去除率為96.5％、BOD的去除率為98.1％、總有機碳的去除率為96.1

％，總氮的去除率為74％，再利用逆滲透處理，處理後的水質導電度為 小於100μs/cm，COD小於5mg/L，其回收水水質佳，可運用於冷卻水塔使

用或其他非民生用水。張博雅(2004)利用混凝(PACl 50 mg/L)及砂濾(無 煙煤+石英砂)做前處理，分別經由UF薄膜過濾，再接臭氧氧化處理及RO 逆滲透過濾，最後再以EDI電透析等不同的處理程序來處理紙廠之二級放 流水，進而觀察濁度、有機物、溶解性無機鹽及金屬離子等水質特性的 變化。對紙廠以混凝及砂濾前處理後續以UF薄膜處理之水，當臭氧劑量 達550 mg/L 時，其有機物質(TOC)有70 ％的去除效果；經過混凝及砂濾 前處理後的水樣於RO薄膜處理後，可將TOC降至無法偵測的範圍；但RO處 理後仍有高濃度的金屬離子，當操作條件在12 A 及18 psi 下之EDI電透 析設備，可去除水中大部分有機及無機物、金屬離子。紙廠放流水如經 過不同處理，其再生水可用於不同用途，如二級放流水可直接用於廁所 沖洗用水；若經過混凝及砂濾前處理，可應用在灑水用水及限制性景觀 用水；若放流水經混凝及砂濾前處理後續接UF-臭氧，其處理後之再生水 可應用於非限制性景觀用水與鍋爐用水；放流水經混凝、砂濾前處理後

用或其他非民生用水。張博雅(2004)利用混凝(PACl 50 mg/L)及砂濾(無 煙煤+石英砂)做前處理，分別經由UF薄膜過濾，再接臭氧氧化處理及RO 逆滲透過濾，最後再以EDI電透析等不同的處理程序來處理紙廠之二級放 流水，進而觀察濁度、有機物、溶解性無機鹽及金屬離子等水質特性的 變化。對紙廠以混凝及砂濾前處理後續以UF薄膜處理之水，當臭氧劑量 達550 mg/L 時，其有機物質(TOC)有70 ％的去除效果；經過混凝及砂濾 前處理後的水樣於RO薄膜處理後，可將TOC降至無法偵測的範圍；但RO處 理後仍有高濃度的金屬離子，當操作條件在12 A 及18 psi 下之EDI電透 析設備，可去除水中大部分有機及無機物、金屬離子。紙廠放流水如經 過不同處理，其再生水可用於不同用途，如二級放流水可直接用於廁所 沖洗用水；若經過混凝及砂濾前處理，可應用在灑水用水及限制性景觀 用水；若放流水經混凝及砂濾前處理後續接UF-臭氧，其處理後之再生水 可應用於非限制性景觀用水與鍋爐用水；放流水經混凝、砂濾前處理後