第四章 鹹井水淡化及海水淡化廠RO膜之阻塞特性
4.1 鹹井水淡化廠之RO膜阻塞特性
白沙淡化廠乃屬二階段RO 薄膜操作模式，並以鹹井水進行淡化，本研 究分別採取已阻塞且不堪使用之第一階段及第二階段RO 膜各一，運送至本 實驗室進行解剖分析。除探討造成薄膜阻塞物種之物化及生物特性外，更 區分不同薄膜部位，探討其阻塞程度與型態。
(1)外觀檢視
經由外觀檢視，第一階段RO 膜與第二階段 RO 膜之總重量相較之下，
以第一階段RO 膜輕許多，二捲式膜經解剖攤開後並裁取一片膜，如圖 4.1 所示，可見第一階段RO 膜表面沉積物呈咖啡色、黏膜狀，RO 膜進水端色 深，出水端色淺；第二階段RO 膜，膜表面沉積物呈黃色，具明顯之結垢狀、
質硬，且RO 進水端色淺，出水端色深。
圖4.2 為薄膜於 400 倍光學顯微鏡下所呈現之影像，第一階段 RO 膜可 見龜裂之阻塞物沉積，第二階段RO 膜照片則顯示平整之表面沉積，圖 4.3 為RO 膜 10000 倍之電子顯微照片，可清楚見得第一階段 RO 膜表面累積不 規則形狀之阻塞物，並有桿狀微生物分布於上，大小約1 ~ 2 µm，而第二階 段RO 膜表面則可明顯看出特殊結垢物之結晶形態。
圖4.1 白沙淡化廠 RO 膜攤開照片(a)第一階段 RO 膜(b)第二階段 RO 膜
圖4.2 白沙淡化廠 RO 膜 400×顯微照片(a)第一階段 RO 膜(b)第二階段 RO 膜
圖 4.3 白沙淡化廠 RO 膜 10000×電子顯微照片(a)第一階段 RO 膜(b)第二 階段 RO 膜
(2) 有機性阻塞物之定量
膜表面累積有機阻塞物含量乃以 550℃可被焚化之阻塞物作為有機質 定量之代表，將二階段RO膜之分析結果依上下游排列，結果如圖 4.4 所示，
圖4.4 (a)為第一階段膜，圖 4.4 (b)為第二段膜之分布情形，顯示有機阻塞物 含量愈接近第二階段膜之出水端含量愈高，然第一階段膜之各位置焚化損 失重量約佔總阻塞物重之85 ~ 93%，第二階段膜則僅佔 5 ~ 8%，顯示第一 階段膜之阻塞物多為有機質為主要阻塞型態，雖此，第二階段膜之有機物 含量可高達2.5 ~ 4 mg/cm2，普遍較第一階段之2 ~ 3 mg/cm2高，且藉由焚 化後之灰份可見第一階段膜所殘餘之成分為砂質顆粒，第二階段膜則為片 狀硬塊(圖 4.5)，故可推論第一階段膜主要以膠體顆粒及有機物為主要阻塞 物，第二階段膜則以無機物質伴隨大量有機物之沉澱，亦可能為二者之共 沉澱。
Organic substrate(mg/cm2)
inlet<--->outlet
inner layer<----------------------------------->outer layer
2.4
inner layer<----------------------------------->outer layer
3.5
(3) 結垢物元素分析
圖 4.6 為泡膜萃取液以ICP進行之元素分析結果，所得之元素總量百分 比，由(a)中可見第一階段RO膜並沒有較特異性之元素沉積，其最大元素含 量為Al之 1.44 mg/cm2，相較於第二階段膜 (圖 4.6 (b))，少於Fe含量之 1.68 mg/cm2，顯示第一階段膜之各種元素含量皆十分微量，然第二階段膜之分 析則顯示，Ca含量特別高，表示膜表面所觀察得之結垢物以Ca之化合物為 主。
此外，為了建構出實際RO膜表面之結垢物總量分布情形，乃將每一分 析位置之結垢物總量，以該位置之各元素含量總和表示，繪製出分佈圖如 圖4.7 所示，圖 4.7 (a)為第一階段膜，圖 4.7 (b)為第二段膜。該圖顯示第一 階段膜每單位面積所累積之結垢物含量很少，最高累積濃度約為 0.5 mg/cm2，而第二階段膜則明顯多許多，累積濃度皆大於10 mg/cm2，因此，
愈接近出水端，此時濃縮液之濃度愈高，導致鈣或其他元素之化合物於膜 表面沉澱析出。
Si Fe Mg Al Sr Ca Ba Mn
0.46 1.68 4.13 2.39 10.54
141.4
6.21 0.02
圖 4.6 白沙淡化廠 RO 膜表面累積元素所佔比例(a)第一階段 RO 膜(b) 第二階段 RO 膜
Total scalants (mg/cm2)
0.40
inner layer<--------->outer layer
(a)
Total scalants (mg/cm2)
15
inner layer<--------->outer layer
(b)
圖4.7 白沙淡化廠 RO 膜表面累積結垢之總量分布(a)第一階段 RO 膜(b) 第二階段RO 膜
(4) 微生物分析
經由DAPI染色計數，所得結果如圖 4.8 所示，圖 4.8 (a)屬第一階段膜，
圖 4.8 (b)屬第二段膜，由圖可得知，二段膜表面皆有大量微生物存在，特 別是第一階段膜，微生物累積量可達1.5 ~ 3×108 cells/cm2，而第二階段累積 量亦有 0.5 ~ 2.5×108 cells/cm2，因此生物性阻塞對鹹井水淡化膜阻塞之影 響，亦為實廠操作改善策略之考量中必須加以重視之課題。
(5) FTIR 分析結果
FTIR之分析結果如圖 4.9 所示，由圖可知，相較於乾淨之薄膜，第一、
二階段膜圖譜之波峰明顯少許多，此乃因為薄膜本身之訊號已多被表面沉 積物覆蓋，其中第一階段RO膜存在四個特徵波峰，1035 cm-1及 916 cm-1為 多醣類之特徵波峰，1631 cm-1及1562 cm-1則為蛋白質之特徵波峰，二者顯 示EPS之存在。第二階段膜之圖譜，其所顯示之波峰極為單純，根據專書
「Infrared spectral interpretation-a systematic approach」中以主要成分為非有 機物之樣品進行分析之結果，比對後本試驗結果與該書之碳酸鈣FTIR圖譜 十分相似，分別於1444 cm-1及874 cm-1二處出現特徵波鋒，其為無機碳酸 根之表徵，加上本試驗所得之主要元素為鈣，故推測第二階段薄膜表面之 結垢物屬碳酸鈣結垢。
Total cell count (*108 cell/cm2)
inner layer<--------->outer layer
(a)
Total cell count (*108 cell/cm2)
0.5
inner layer<--------->outer layer (b)
圖4.8 白沙淡化廠 RO 膜表面總菌數之分布(a)第一階段 RO 膜(b)第二階
1562 1631 1444 874
圖 4.9 白沙淡化廠 RO 膜 FTIR 圖譜