薄膜分離技術

近年來薄膜發展日新月異，已被廣泛應用於自來水、工業廢水及水污 染改善等各項淨水技術。目前薄膜在淨水處理技術上，已可同時去除懸浮 微粒、有機物、無機鹽及微生物等物質。薄膜單元乃利用不同種類的薄膜 材料，透過篩濾、滲透或電泳等方式達到溶質分離的效果，可取代傳統之 改良式混凝、替代性消毒藥劑、臭氧、生物處理及粒狀活性碳等淨水技術。

相較於其他方式，薄膜淨水技術較傳統淨水方法具有以下優點: (1) 能產生 高品質之出流水。(2) 易操作及維護。(3) 減低能源需求。(4) 節省空間且 可置於室內。(5) 減少化學藥劑用量及污泥產生 (Pirbazari et al., 1992)。

在現今全球水資源短缺且污染益形惡化及水體標準不斷提升下，薄膜技術 具有相當的實用潛力。

2.2.1 薄膜過濾機制及方式

薄膜單元為一種藉由壓力驅動，讓混合物通過薄膜表面，憑藉混合物 分子大小或其他性質之不同，透過篩除或是其他不同機制而將混合物純化 的程序。薄膜單元分離的機制可簡單由圖2.1來表示 (Mulder, 1990)。

圖 2.1 薄膜操作機制示意圖 (Mulder, 1990)

以薄膜過濾方式區分可分為死端過濾 (Dead-end filtration) 與掃流過 濾 (Crossflow filtration)。死端過濾顧名思義，為壓力方向和水流方向相同，

如圖2.2所示；而掃流過濾則為壓力方向和水流方向垂直之過濾方式。基本 上掃流過濾相較於死端過濾具有效減緩污染物在薄膜膜面的積垢現象，因 此實場皆以掃流為主 (Munir, 1998)。

圖2.2 薄膜過濾方式 (a)死端 (Dead-end) 過濾 (b)掃流 (Cross-flow) 過 濾 (Munir, 1998)

    2.2.2 薄膜分類

一般常用於水及廢水處理之薄膜，依孔隙大小可分成緻密薄膜及多孔 薄膜兩種，此兩種薄膜的作用機制不同。緻密薄膜的作用機制是利用薄膜 的材質與待過濾物間的物化作用來達到分離的目的，有較高的選擇性，此 種薄膜型式包括奈過濾 (Nanofiltration, NF) 及逆滲透 (Reverse osmosis, RO)。多孔薄膜的作用機制只靠表面的過濾，與緻密薄膜相比，較接近傳統 的過濾程序，此類薄膜型式包括微過濾 (Microfiltration, MF) 及超過濾 (Ultrafiltration, UF)，也是一般 MBR 程序最常使用之薄膜，MF 薄膜主要是 去除較大顆粒的物質，但可去除物質的粒徑只能到微米左右大小，UF 薄膜 則可去除更小之粒徑，但所需之透膜壓力較高 (Stephenson et al., 2000)。

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薄膜孔徑大小範圍和可過濾之物質如圖2.3所示。由於 MF 及 UF 孔徑 較大，能截留分子量較大之物質，主要去除顆粒污染物、懸浮固體、細菌 及病毒等，可取代傳統砂濾程序，故多使用於工業廢水處理及二級處理水 之回收再利用。而NF 及 RO 由於孔徑小，能去除大部分的溶解性鹽類及金 屬離子，然而所需耗費成本較高，主要用於海水淡化及家庭用淨水器較多。

  圖 2.3 薄膜孔徑對不同物質之分離範圍 (Munir, 1998)

2.2.3 薄膜模組型式

不同薄膜模組型式對於系統過濾效率有很大的影響，好的薄膜模組常 具備以下幾點: 1. 較大之比表面積 2. 進流端具有高度紊流 3. 低耗能 4.

價錢便宜5. 易清洗及擴充。薄膜模組一般可分為平板式、管狀式、螺旋捲 式及中空纖維式四種，主要藉由單元本身型式及填充方式不同區分。此四 種薄膜模組於應用操作、阻塞及能量消耗皆有不同的性能表現，各型式模 組之比較如表2.2所示並分述如下: (Stephenson et al., 2000; 經濟部工業 局，2000 年)

9  (Electrodialysis, ED)、MF、RO 及 MBR。Torres et al. (2008) 曾利用平板 式MBR 研究其應用於精煉廠廢水之處理效率，其濁度、BOD₅及氨氮處理

式操作，故較不易為懸浮固體物所阻塞，因此可在高壓下操作，適用於 MBR，但由於其單位薄膜面積所佔空間甚大，且透膜壓損高，使其能量消 耗較其他三種高，故操作成本相對提高。Diels et al. (1995) 及 Sun et al.

(2003) 曾利用管狀式 MBR 研究其應用於重金屬與高強度廢水之降解效 率，其重金屬與COD 處理效率可高達 98%以上。

4. 中空纖維式 (Hollow fiber, HF)

中空纖維式模組將薄膜製成如髮絲般的中空纖維狀，再集束於壓力元 件內，由於其不需薄膜支撐體，因此填充密度高，且又因具有大的比表面 積且造水率高，故設備費用低。其操作方式採用由內向外或由外向內產生 濾液，過濾壓力小 且可利用曝氣所產生的水流剪力將膜表面的積垢沖刷下 來以節省並有效利用能源。此外並具有易反沖洗且不佔空間之優勢，故常 用於MBR，並為目前 MBR 薄膜模組公司發展之主流。

Ahn and Song (1999) 曾研究利用中空纖維式 MBR 回收處理都市廢水之可 行性，其SS、BOD5、COD 及 TOC 分別可降至 2、10、30 及 10 mg/L 以 下。Yigit et al. (2009) 亦曾利用中空纖維式 MBR 研究其處理紡織廢水之效 率，其SS、BOD5、COD 及 NH3-N 出流水質分別為 0.6、15、37 及 1 mg/L。

表2.3 為文獻上利用中空纖維式 MBR 所做之研究，不論是都市污水、合成 廢水及工業廢水，由於前述優點，中空纖維式之MBR 為許多研究學者常用 之模組型式。其水質處理效率亦相當高，SS、BOD5 及氨氮處理效率可達 100、99 及 97%。

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