第四章 結果與討論
4.3 鐵、錳氧化物顆粒特性對於 MF 薄膜過濾效能之影響
4.3.2 鐵、錳氧化物表面特性
薄膜經長時間操作後會因顆粒阻塞而造成通量衰減，此時需進行反洗
將薄膜表面之顆粒物去除達到通量回復之效果。為了瞭解本研究薄膜反洗 後通量回復之程度，故進行4 週期之薄膜操作試驗。過膜壓力為 1.0 kg/cm2， 過濾時間為 30 分鐘，當過濾結束後以氣洗方式進行反洗，反洗壓力為 2.5 kg/cm2，反洗次數固定為10 次。
圖 4-17 ~ 19 為固定攪拌強度下，鐵錳濃度比值與反洗後平均通量之關 係，當鐵錳濃度比值為10:0 或 10:1 時，反洗後之平均通量較大；當鐵錳濃 度比值為10:3 時，反洗後之平均通量較小。換言之，當鐵錳濃度比值為 10:3 時所產生之薄膜積垢情況較為嚴重，而薄膜積垢可分為濾餅積垢及內孔洞 積垢，為了判別何種積垢造成通量衰減情況較為嚴重，故進行阻抗分析。
G=200 s-1
Number of filtration cycle
1 2 3 4
Jave (m3 /m2 hr-1 )
0 2 4
6 Fe:Mn=10:0
Fe:Mn=10:1 Fe:Mn=10:3
圖4-17 前氧化攪拌強度為 G=200 s-1下鐵錳濃度比值與反洗後平均通量之關係
G=400 s-1
Number of filtration cycle
1 2 3 4
Jave (m3 /m2 hr-1 )
0 2 4
6 Fe:Mn=10:0
Fe:Mn=10:1 Fe:Mn=10:3
圖4-18 前氧化攪拌強度為 G=400 s-1下鐵錳濃度比值與反洗後平均通量之關係
G=600 s-1
Number of filtration cycle
1 2 3 4
Jave (m3 /m2 hr-1 )
0 2 4
6 Fe:Mn=10:0
Fe:Mn=10:1 Fe:Mn=10:3
圖4-19 前氧化攪拌強度為 G=600 s-1下鐵錳濃度比值與反洗後平均通量之關係
(1) 薄膜表面阻塞之影響
圖 4-20 ~ 22 為固定攪拌強度下，鐵錳濃度比值與總阻抗之關係，當鐵 錳濃度比值為 10:3 時，反洗後之薄膜經過濾後其總阻抗值最高，而鐵錳濃 度比值為10:0 與 10:1 時，其總阻抗值差異不大。換言之，鐵錳濃度比值對 於總阻抗之影響較大而非攪拌強度。
再進一步對總阻抗組成進行分析，其結果如表 4-5 所示，結果顯示阻抗 組成中以濾餅阻抗 (Rc)佔大多數，再者為阻塞阻抗 (Rf)，最後為薄膜阻抗 (Rm)，表示若水體中錳氧化物越多，所形成之鐵、錳氧化物之濾餅阻抗越 高。
Byun et al. (2010) 指出，若於薄膜表面覆蓋一層鐵氧化物時，其過膜通 量較未覆蓋者低；反之，若於薄膜表面覆蓋一層錳氧化物，其過膜通量將 比未覆蓋者高，其主因為鐵氧化物之pHzpc約介於7 ~ 9 之間；錳氧化物之 pHzpc約介於 2.8 ~ 4.5。一般水體之 pH 值為中性範圍，故鐵氧化物之表面帶 中性電、錳氧化物表面帶負電性。由於天然有機物 (Natural organic matter, NOM)表面帶負電性，故進行過濾時，天然有機物將被鐵氧化物吸附，導致 過膜通量降低，然而天然有機物會因電荷排斥力而阻絕於錳氧化物上，降 低薄膜積垢提升過膜通量，因此當水體中含有較多帶負電性之錳氧化物 時，將吸附於鐵氧化物濾餅表面上，降低濾餅孔隙進而導致通量降低。然 而於鐵錳濃度比值為 10:3 時，錳氧化物所能吸附於鐵氧化物表面之數目畢 竟有限，勢必有其他之濾餅特性影響，使得鐵錳濃度比值為 10:3 時之總阻 抗高於其餘兩種比例。
為了瞭解不同比例下鐵、錳氧化物之濾餅特性，故對濾餅進行接觸角 分析，藉以瞭解於不同鐵錳濃度比值下鐵、錳氧化物之親疏水性差異，分 析結果如表4-6 所示，當鐵錳濃度比值為 10:3 時，其接觸角約介於 92.9° ~ 109.07°，皆大於鐵錳濃度比值為 10:0 (77.67° ~ 85.07°)或 10:1 (79.03° ~ 82.5°) 之接觸角，表示當鐵錳濃度比值為 10:3 時，所生成之鐵、錳氧化物濾餅較 鐵錳濃度比值為10:0 或 10:1 時更為疏水。
文獻指出，接觸角與顆粒之表面能量有關，當顆粒之表面能量越高，
則接觸角越低；反之，當顆粒之表面能量越低，則接觸角越高，而表面能 量與表面粗糙程度有關，當表面越粗糙則表面能量越高；反之表面越平滑 則表面能量越小，故表面越平滑則接觸角越高、越疏水(陳，2005)。當鐵錳濃度 比值為10:3 時，因具較多之錳氧化物形成後吸附於鐵氧化物表面，填補鐵 氧化物表面之孔洞，使得表面較為光滑、表面能量較低、接觸角較高，故 較為疏水。故過濾過程中，當鐵錳濃度比值為10:3 時，所生成之鐵、錳氧 化物顆粒累積於薄膜表面形成濾餅時，由於濾餅本身較為疏水，使得濾餅 阻抗增加，導致當鐵錳濃度比值為10:3 時，其反洗後之平均通量較小。此 外，若鐵錳濃度比值為10:3 時所生成之鐵、錳氧化物顆粒吸附於薄膜孔洞 內，即如同將薄膜孔洞覆蓋一層疏水性物質，將薄膜轉變成疏水性膜，增 加薄膜內孔洞阻塞之阻抗、降低其過膜通量。此外，為了證明當鐵錳濃度 比值為10:3 時吸附於孔洞內之鐵錳濃度比值仍為 10:3，而造成其內孔洞阻 塞較另外兩種比例嚴重，故進行薄膜阻塞阻抗及EDS 分析。
G=200 s-1
Number of the filtration cycle
1 2 3 4
Resistance Total (m-1 )
0
Number of the filtration cycle
1 2 3 4
ResistanceTotal (m-1 )
0
G=600 s-1
Number of the filtration cycle
1 2 3 4
ResistanceTotal (m-1 )
0
表4-6 鐵錳濃度比值及前氧化攪拌強度對於濾餅接觸角之影響
G 值 比值 Fe:Mn=10:0 Fe:Mn=10:1 Fe:Mn=10:3 G=200 s-1 77.67 ± 0.41 80.2 ± 2.87 92.9 ± 0.85 G=400 s-1 84.23 ± 1.33 82.5 ± 3.22 87.07 ± 1.16 G=600 s-1 85.07 ± 1.16 79.03 ± 2.33 109.07 ± 2.68
(2) 薄膜內孔洞阻塞之影響
圖 4-23 為阻塞阻抗之比較，結果顯示薄膜經反洗後，其阻塞阻抗皆有 增加之趨勢，表示經反洗後薄膜內孔洞阻塞情形越來越嚴重，此外當鐵錳 濃度比值為 10:3 時之阻塞阻抗較另外兩種鐵錳濃度比值來得高。換言之，
當鐵錳濃度比值為 10:3 時，其所產生不可逆積垢之程度較為嚴重，使得反 洗後平均通量較低。而造成鐵錳濃度比值為 10:3 時不可逆積垢程度較為嚴 重之主因其一為當鐵錳濃度比值為 10:3 時，由於其濁度較高、顆粒數目較 多，過濾後造成之不可逆積垢較多、薄膜內孔洞阻塞較為嚴重，使得薄膜 過濾效能降低；其二為薄膜內孔洞阻塞之物質較為疏水，使得阻塞阻抗增 加，若薄膜內孔洞阻塞物質之鐵錳濃度比值為 10:3 則較為疏水、阻塞阻抗 較高。為了證明阻塞物質為之鐵錳濃度比值為 10:3 故進行 EDS 分析，圖 4-24 ~ 26 為鐵、錳氧化物濾餅之化學組成及半定量數據，結果顯示當鐵錳 濃度比值為 10:0 時，其濾餅組成之化學元素為鐵；當鐵錳濃度比值為 10:1 時，其濾餅組成之化學元素為鐵及錳，且其鐵錳濃度比值接近 10:1，而鐵
錳濃度比值為10:3 亦如是。故當鐵錳濃度比值為 10:3 時，由於內孔洞阻塞 物質較為疏水，且顆粒數目較多，使得當鐵錳濃度比值為 10:3 時，內孔洞 阻塞之程度較高於其餘兩種鐵錳濃度比值，故造成當鐵錳濃度比值為 10:3 時其反洗後之平均通量較小於其餘兩種比例。
阻塞阻抗 (m-1 )
0 1 2 3
Fe:Mn=10:0 Fe:Mn=10:1 Fe:Mn=10:3
G=200 s1 G=400 s-1 G=600 s-1
圖4-23 水樣中鐵錳濃度比值經氧化後薄膜過濾週期對薄膜阻塞阻抗之影響
圖4-24 鐵、錳氧化物於不同前氧化攪拌強度下鐵、錳離子經氧化後產生顆粒之掃描式 電子顯微鏡照片 (含 EDS 分析) (Fe:Mn=10:0)
圖4-25 鐵、錳氧化物於不同前氧化攪拌強度下鐵、錳離子經氧化後產生顆粒之掃描式 電子顯微鏡照片 (含 EDS 分析) (Fe:Mn=10:1)
圖4-26 鐵、錳氧化物於不同前氧化攪拌強度下鐵、錳離子經氧化後產生顆粒之掃描式 電子顯微鏡照片 (含 EDS 分析) (Fe:Mn=10:3)
第五章 結論與建議