薄膜分離技術於廢水處理之應用概述
台灣大學化學工程系教授 王大銘


前言
 
  薄膜分離技術具有選擇性高、操作簡易、節省能源及易於放大等優點,因而被廣泛應用於各種產業,市場規模的成長十分快速。至2000年,全球的薄膜市場已達65億美元,預計到2005年會有100億美元的市場。薄膜分離技術主要應用於飲用水的製備與廢水處理領域,占整體薄膜市場的20%以上,每年約有20億美元的市場,且成長迅速。
 
  本文之主要目的為簡介薄膜分離技術在廢水處理上的應用,探討如何利用各種薄膜分離技術去除廢水中的細菌、粒子、染料、離子、油脂以及各種有機物,並提出實際應用上常遭遇的困難及解決之道。
 
 
薄膜分離技術簡介
 
  薄膜分離技術是利用不同成分透薄薄膜速率上的差異來進行分離,而物質透過膜的驅動力可以是濃度差、電位差、溫度差、或是壓力差。常見以濃度差為驅動力的薄膜分離程序是透析,以電位差為驅動力的薄膜分離程序是電透析,以溫度差為驅動力的程序是薄膜蒸餾。而常見以壓力差為驅動力的薄膜分離程序則有微過濾(Microfiltration, MF)、超過濾 (Ultrafiltration,UF)、奈米過濾(Nanofiltration, NF)、逆滲透(Reverse Osmosis, RO)、氣體分離(Gas Separation)、及滲透蒸發(Pervaporation)。
 
  常用於廢水處理的薄膜分離技術,其驅動力多屬於壓力差。其中微過濾、超過濾、奈米過濾及逆滲透是以膜孔大小,或所能阻擋粒子之大小來區分,其分野如圖1所示。膜孔在0.05~10μm之間稱為MF,在1~100nm之間,而所能阻擋粒子的分子量約為1,000~500,000 Daltons者,稱為UF。RO薄膜的孔徑小於1nm,可以阻擋如Na+,Cl-等一價離子的透過。NF的膜孔則介於RO及UF之間,可以阻擋分子量在200~1,000 Daltons間之粒子,其對一價離子的阻擋率不高,但可阻擋二價離子。至於滲透蒸發程序使用的薄膜則十分緻密,足以讓有機溶劑與水的透膜速率不同,常被用來分離有機溶劑與水的混合溶液。
 
圖1 薄薄膜分離程序之分類
 
廢水處理上之應用
 
  一般而言,去除水中的細菌或懸浮粒子,可以採用MF。若要去除病毒、蛋白質等膠體粒子,或是染料、高分子等有機物,常採用UF。要去除所有的離子,需用RO。但若只需去除二價以上的離子,或分子量數百的分子,可以採用NF。而如果要移除水中的揮發性有機物,則應考慮採用滲透蒸發程序。以下說明薄膜分離技術在廢水處理上的主要應用概況:
 
電著塗裝廢水
 電著塗裝法是工業上常用來在金屬表面塗布一層抗腐蝕物質的方法,清洗從漆槽取出的金屬製一層抗腐蝕物質的方法,清洗從漆槽取出的金屬製品時,會產生大量的電著塗裝廢水。通常可利用UF將電塗漆與水分離,既可解決廢水排放的問題,亦可回收電塗漆以降低成本。若進一步使用UF與RO組合系統,則可同時回收電塗漆與水。前述回收水可再利用做為清洗用途,大幅降低清洗水的使用量。
紡織工業廢水
 在紡織工業上,UF常被用來回收退漿水、含染料廢水、洗毛廢水、以及含油劑的廢水。在織布過程中,為了增加紗線強度,要先將紗線上漿,織完後再將漿料洗去,稱為退漿。漿料之主要成分為聚乙烯醇(PVA),可利用UF薄膜回收,解決廢水排放問題,並回收再利用。類似的方式可用來回收染整廠廢水中的染料、毛紡廠中洗毛後的廢水中所含的油脂、以及織造過程中防止纖維帶電的油劑,既可回收廢水中有用的物質,又可避免污染環境。
紙漿廢水
 造紙工業生產紙漿,產生含木質素磺酸鹽及醣類的廢水。業者可採用UF及RO組合系統,加以回收再利用。其中分子量較大的木質素磺酸鹽會被UF薄膜截留回收,而透過的醣類及水分則可進一步以RO處理,將其分離並回收再利用。
含油廢水
 廢水中的浮油可用浮除的方式處理,乳化油則可用薄膜加以處理。一般業者多以UF進行油水分離,回收廢水中所含的油,而透過UF薄膜的液體,則可採用RO或NF的方式,回收其中所含的水分,做進一步利用。
電鍍廢水
 電鍍廢水中含有重金屬,是毒性甚大的污染源,可利用RO加以處理。透過RO薄膜的水可回收再利用,而被濃縮的進料,因含有離子,只要濃度夠高,即可送回電鍍槽再利用。
半導體廢水
 在半導體製程,晶片研磨或洗滌的程序,會產生含矽粒子的廢水。其中較大的矽粒子可利用MF或UF來去除,但一些溶於水中的小粒子,則要靠NF或RO方能去除。
民生污水
 將活性污泥池與薄膜分離系統結合的薄膜生物反應器,已成為處理民生廢水的主要研發方向。初始的構想是將生物反應器(污泥槽)與薄膜分離系統分開,利用生物反應器來進行廢水淨化,再利用薄膜分離系統進行固液分離,透過薄膜的水可排放或再利用,濃縮液則送回生物反應器。但因進入薄膜分離系統的液體含有高濃度污泥,常會阻塞系統及膜孔,導致濾速及處理量能的大幅下降。而目前的設計主流,朝向採用浸入式薄膜生物反應器。此種方法由於濾速較小,且可利用污泥池內曝氣裝置所產生的流動來去除薄膜面沈積物,薄膜孔阻塞的問題較不嚴重。此外,可減少裝置所需要的空間,十分適用於處理都市生活廢水。
含揮發性有機物(VOCs)之廢水
 廢水中VOCs的含量通常不高,因此處理上以採用讓VOCs優先透過的薄膜較合經濟效益。將膜的一側與廢水接觸,另一側抽真空,進行滲透蒸發程序來移除VOCs。所採用的薄膜必須與VOCs有很高的親和性,方能讓VOCs優先透過,目前商業化的薄膜是以聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜為主。
 
結語
 
  薄膜分離系統已被廣泛用來進行廢水處理,且被證明具有許多優點。但因薄膜材壽命與操作年限較短,常需更換,造成操作不便且不符經濟效益之缺點,此為目前亟需突破的瓶頸。
 
  造成薄膜材壽命短的主因有二。一是廢水中所含的有機溶劑,易造成薄膜材劣化,或因pH值過高或過低,超過薄膜材適用範圍,此類問題可經慎選膜材及開發抗化性更佳的膜材來解決。另一個原因,則是由於廢水中的成分十分複雜,常會吸附於膜面上或膜孔中,造成膜孔的阻塞形成結垢,致使膜材需要清洗或更換。此一問題則需透過適當的前處理、系統流態設計,以及膜材吸附性改質來解決。
 
  總而言之,以薄膜分離系統進行廢水處理,已是目前及未來的主流,只要能有效解決上述問題,其應用於各種產業和民生廢水的處理及回收再利用,將會更加有效與廣泛。
 

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