以 MF 結合多層過濾結構應用於微藻收集及濃縮

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藍得彰，工業技術研究院綠能與環境研究所副研究員陳國帝，工業技術研究院綠能與環境研究所研究員白明德，工業技術研究院綠能與環境研究所研究員朱正男，工業技術研究院綠能與環境研究所副研究員

林昀輝，工業技術研究院綠能與環境研究所經理李宏台，工業技術研究院綠能與環境研究所組長

摘要

依據環保署監測統計資料，國內多數水庫普遍有優氧化的現象，主要係水中含有大量微藻所致，水體中微藻的收集與去除一直是給水工程重要課題，而近年來因微藻具有高光合反應與生長效率，可固定二氧化碳、非糧作物與高產油率等優點，被視為最有希望的次世代生質燃料料源之一。然而由於微藻高濃度養殖與收集不易，且能耗與成本高，導致直至今日藻油仍無法與石油競爭而未商業化。

過濾是微藻收集的一個可能選項，但因為驅動過濾所需的高壓、真空等動力耗費大，離真正實用化仍有一段距離。本研究研發一種創新的多層過濾結構，其第一層是過濾層，用於攔截固體顆粒，第二層是吸水層用來吸引驅動水快速通過過濾層，其驅動力為吸水層自然的吸水力或毛細吸力，只需用簡單的機械擠壓以壓出吸水層的水就可以再生吸力，而擠壓排水時小部分過濾水會逆流回過濾層而造成生物堵塞的鬆動，可減緩堵塞問題。本研究以Nylon 薄膜與聚乙烯醇構成的多層 過濾結構來收集 Nannochloropsis oculata 擬球藻液，比單層的 Nylon 薄膜可提高 初始10 分鐘平均濾速 175％，可提高 30 分鐘總過濾量 188％，而增加的擠壓除水能耗僅約3 Wh/m³。證實本研究開發多層過濾結構可以以低動力耗損有效提高過濾速度。

關鍵字：微藻收集、過濾、過濾結構

一、前言

近年來，由於河川及水庫污染的情形日益嚴重而呈現優氧化的狀態，並且會伴隨著藻類的大量繁殖，造成水源淨化程序的困擾。傳統的淨化程序，如混凝、

沈澱及砂濾等，平均除藻率在90～99％之間，亦即仍約有 1～10％微藻於配水管網內死亡、分解，引起餘氯衰減及水質惡化等問題（邱鈺婷，2007）。

這些長期以來造成水質惡化的微藻，近年來卻受到各界的矚目，係因為微藻

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油的料源之一（Zhang et al., 2010），相關學者表示，1 公頃土地培養微藻的油脂年產量可高達100 噸以上，遠高於種植其他植物的年產油量（謝誌鴻等，2009）。

不過由於微藻細胞極小(3-30 μm)與水體中藻體濃度低，使得收集更加困難，所以在整個微藻養殖過程中，收集技術扮演一個舉足輕重的角色，所謂收集技術係將藻體與培養液進行固液分離，目前常見的微藻收集技術包括有：過濾、離心、

浮除、混凝及沈降等（Sheehan et al., 1998），近來也陸續發展出利用超音波結點聚集收集（Lee et al., 1999）、電混凝結合浮除收集（Alfafara et al., 2002; Xu et al., 2010）以及自混凝（Uduman et al., 2010）等先進技術。

依美國ASP( Aquatic Species Program) 計畫的分析，濃縮分離與乾燥脫水程序所需成本即約佔藻油生產總成本的38%，而藻體細胞的收集至少佔全部生產成本的20-30％（Gudin and Therpenier, 1986），目前尚無一種有效而通用的方法，

可以有效降低能耗及成本，以及提高細胞截留率。

不論是微藻養殖收集或水體中藻污染移除，過濾是一個可行的選項，且已是一項成熟而實用的技術，然而一般藻體體積大不易進入濾材造成堵塞，藻體細胞分泌的胞外代謝物質如藻酸、腐質酸等大分子聚合有機物質，容易與藻體細胞或水中的離子結合發揮架橋作用與黏附作用，加劇藻體過濾堵塞的形成（王偉修，

2003），使得過濾通量下降，又因濾材需定期清洗而增加能耗。因此，解決濾材生物堵塞問題(biofouling)是提高藻類過濾效率與降低成本的關鍵。

本研究已研發一種創新的多層過濾結構，其第一層是過濾層，用於攔截固體顆粒，第二層是吸水層用來吸引驅動水快速通過過濾層，其驅動力為吸水層自然的吸水力或毛細吸力，只需用簡單的機械擠壓以壓出吸水層的水就可以再生吸力，而擠壓排水時小部分過濾水會逆流回過濾層而造成生物堵塞的鬆動，可減緩堵塞問題。

本研究將以不同材質及孔徑薄膜搭配具高吸水性的聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，簡稱 PVA）泡棉所構成的多層過濾結構來收集擬球藻（Nannochloropsis oculata）藻液，探討單層薄膜與多層過濾結構過濾濾速以及細胞截留率之差異、

多層過濾結構系統與真空過濾、掃流過濾等功能之能耗比較，以及濾膜重複使用對於濾速之影響，未來將進一步規劃最佳的組合方式，開發低耗能、低成本的收集技術。

二、實驗設備與方法

1.藻液製備

本研究採用富含油脂之擬球藻(Nannochloropsis oculata)，Size：3～5 μ m，以 F/2 medium 培養基培養約一週(對數生長期之末期)進行收集實驗，濃度約400～600 mg/L，pH＝8.4，界達電位(Zeta potential)=- 0.215 mV。

藻液濃度分析方法係將藻液稀釋成不同倍數後，以波長685 nm 之分光光度計(Unicam UV-visible spectrometers, 型號：Helios β, 美商 Thermo Spectronic 公司)量測吸光度，並使用 Waterman Nylon 濾膜(孔徑 0.45μm)過濾後，放入105℃烘箱後秤乾重，據以製作藻液濃度之檢量線。

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2.過濾材質選擇

本研究濾膜選擇包括：美商 Whatman 公司 Nylon 0.45μm 濾膜及 Cellulose Acetate 0.2μm 濾膜、美商 Critical 公司 Nylon 1μm 濾膜及美商 Pall 公司PES 0.8μm 濾膜等 4 種，直徑皆為 4.7 cm。吸水層則使用恭勤化工公司製造之PVA 泡棉，分成上下兩層，上層為直徑 4 cm /高度 0.1 cm /孔俓 50 μm、下層為直徑 3 cm /高度 3 cm /孔俓 100 μm。

3.多層過濾結構收集測試平台

本研究自行研發一多層過濾裝置（如圖1 所示），過濾面積為7 cm²，本多層過濾結構於進行過濾試驗時，由下方對泡棉吸水層間段施壓，並於下方盛盤承接濾液，並直接於電子天平上直接讀出不同過濾時間時的累積濾液量，可計算單位時間濾液累積量，進而求出過濾通量。實驗完成後，並量測濾液與原藻液濃度以計算細胞截留率。

PVA泡棉1 ：

直徑4 cm /高度0.1 cm /孔俓50 μm

PVA泡棉2 ：

直徑4 cm / 高度3 cm / 孔俓50 μm

濾膜藻液

濾液

圖1 多層過濾結構收集測試平台

三、結果與討論

1.不同材質濾膜結合 PVA 泡棉輔助過濾

為瞭解PVA 泡棉輔助過濾能否有效提昇濾速及過濾通量，進行以上述 4 種不同材質濾膜未以PVA 泡棉輔助的單層濾膜過濾實驗與濾膜未以 PVA 泡棉輔助的多層過濾結構(濾膜/50 μm 泡棉/100 μm 泡棉) 過濾實驗，結果

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皆可達到 99％以上。而多層過濾結構的初始過濾速度與過濾量明顯優於單層濾膜的表現。

以 30 分鐘過濾總量比較，4 種濾膜因採用多層過濾結構而較單層濾膜提高69-188％，其中以 0.45 μm Nylon 濾膜從 4.8 mL 提高至 13.8 mL 效果最佳。由於 30 分鐘後期，因為生物堵塞，過濾速度已經極慢，除了孔徑最小的0.2μm Cellulose Acetate 濾膜以外，大多不足初始 3 分鐘過濾速度的 15

％。因此，30 分鐘總過濾量代表的是一個濾材至堵塞為止的可過濾量，主要表現此濾材對生物堵塞的敏感性。而主要過濾量集中於前 10 分鐘，因此以前 10 分鐘的平均過濾通量為該過濾膜結構的代表過濾速度。4 種濾膜過濾通量因採用多層過濾結構而較單層濾膜提高 82-181％，其中以 0.2μm Cellulose Acetate 濾膜提高的過濾通量 181％最高，其次為 Nylon 濾膜 175

％，但因Cellulose Acetate 濾膜之過濾通量仍為四者最低，因此選擇 0.45 μ m Nylon 濾膜進行後續實驗。

0 3 6 9 12 15

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

Time(min)

fi ltr at e vo lu m e( m L )

圖2 不同濾膜過濾實驗結果比較 (實心：單層濾膜；空心：多層過濾結構；圓形：1μm Nylon 濾膜；三角形：0.8μm PES 濾膜；正方形：0.45μm Nylon

濾膜；菱形：0.2μm Cellulose Acetate 濾膜)

2. 多層過濾結構系統與真空過濾、掃流過濾功能與能耗比較

為確認採用泡棉輔助過濾與節能優勢，本研究規劃單層濾膜、多層過濾結構、真空過濾、高壓cross-flow 過濾 4 種過濾收集方式，比較其過濾功能與能耗，實驗採用Whatman Nylon 0.45 μm 濾膜，以圖 1 的測試平台試驗

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有泡棉輔助過濾的多層過濾結構、無泡棉輔助過濾的單層濾膜以及真空過濾方式，進行30 分鐘過濾實驗，結果顯示其細胞截留率皆可達 99％以上。

本研究先進行PVA 泡棉擠壓的能耗計算，裁切一 100 μm PVA 泡棉方塊，長寬高各為3、3、2 cm ，將泡棉吸滿擬球藻液後放置於天平上，進行擠壓測試，以了解不同程度之擠壓效果所需之壓力，並以此壓力計算所需能耗。

擠壓測試結果如圖3 所示，當擠壓程度達 50％時，所需壓力為 9.7 kPa，

惟擠壓程度至 65％時，所需壓力即上升至 16 kPa，因此本研究於進行泡棉擠壓實驗時，皆僅擠壓至原泡棉高度之 50％，以降低所需能耗。藉由上述擠壓實驗所得擠壓程度 50％之壓力除以擠壓出之藻液量，即可得到處理每立方米藻液量所需能耗為3 Wh。

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

擠壓程度(%)

壓力 ( k P a )

圖3 100 μm PVA 泡棉擠壓之壓力量測結果

茲將多層過濾結構與單層濾膜過濾（未以 PVA 泡棉輔助）收集結果進行比較，如表1 所示。由結果得知，使用 Nylon 濾膜結合 PVA 泡棉並規律擠壓，過濾30 分鐘之濾液量為 Nylon 單層濾膜過濾之 4.5 倍，然而擠壓所需能耗僅增加3 Wh/m³，遠較基本能耗（如濾膜清洗等）要低。此外，本研究亦針對泡棉擠壓頻率進行實驗，分別依15 秒、30 秒、1 分鐘、3 分鐘及 5 分鐘擠壓1 次，結果顯示以 1 分鐘擠壓 1 次之過濾通量最高，由此可知，使

PVA 泡棉輔助過濾，並以 1 分鐘擠壓 1 次之頻率較為經濟。

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表1 泡棉輔助多層過濾與單層過濾除水之濾液量及除水能耗比較

濾材組合處理方式過濾時間

(min)

濾液量 (mL)

能耗*

(Wh/m³) 備註 Nylon

0.45μm 單層濾膜 30 4.9 - 無動力輔助

0.45 μm Nylon/

50 μm 泡棉/

100 μm 泡棉

多層過濾結構 30 22.2 3

1 分鐘擠壓 1 次，

以實際擠壓所需力量與擠壓量計算能耗

*：本能耗僅就擠壓部分進行比較。

3. 濾膜重複使用對於濾速之影響

本研究採用Whatman Nylon 0.45μm 濾膜，以及 2 種孔徑 PVA 泡棉進行30 分鐘過濾實驗，並於實驗完成後立即以 PVA 泡棉擦拭濾膜表面，以此模擬將來用刮刀或刷毛收集濾帶表面之藻泥，之後再以相同步驟進行 30 分鐘過濾實驗，經由多次反覆實驗以瞭解重複擦拭濾膜次數對於濾速之影響。

實驗結果如表2 所示，經連續 6 次擦拭重複過濾實驗，與新鮮濾膜相比，

30 分鐘平均過濾通量衰減率約保持在 11％，並未有明顯因為重複使用而逐次增加趨勢，顯示搭配濾膜的多層過濾結構可以藉由 PVA 泡棉的擦拭而重複多次使用。

表2 多層過濾結構以 PVA 泡棉擦拭重複過濾使用的過濾通量變化

重複次數 0 1 2 3 4 5 6

過濾通量

(L/h/m²) 39.4 35.1 35.7 35.4 35.4 36.3 35.1

衰減率 - 11% 9% 10% 10% 8% 11%

四、結論

依據本研究現階段所完成擬球藻液之過濾收集測試，以Nylon 薄膜與聚乙烯醇構成的多層過濾結構（1μm Nylon 濾膜 / 50 μm 泡棉 / 100 μm 泡棉）來收集擬球藻液，比單層的 Nylon 薄膜可提高初始 10 分鐘平均濾速 175％，可提高 30 分鐘總過濾量 188％，而增加的擠壓除水能耗僅約 3 Wh/m³。證實本研究開發

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多層過濾結構可以以低動力耗損有效提高過濾速度。

另外多層過濾結構在累積過濾 30 分鐘至生物堵塞造成濾速下降後，以擦拭方式除去表面堵塞生物膜，可以恢復濾速至全新濾膜的 88％以上。顯示搭配濾膜的多層過濾結構可以藉由擦拭去除堵塞的藻細胞後重複多次使用。

目前本研究已完成多層過濾結構收集微藻試驗與評估，並且正著手開發應用多層過濾結構的帶濾機，作為可連續操作的放大示範單元，未來將逐步進行低耗能、低成本的收集技術商品化開發。

誌謝

本研究承蒙經濟部能源局（計畫編號：99-D0103）的支持，得以順利完成，

特此誌謝。

參考文獻

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