2016年12月29日

薄膜蒸餾 技術

作者/莊清榮(中原大學化工系教授,薄膜技術研發中心副主任。)

純水製備技術大致可以分為蒸發法及薄膜法2 種,蒸發法一般以加熱煮沸,將水蒸發後再凝結,以達到去除水中雜質如重金屬、農藥、離子及溶解性固體等。由於蒸發法需在沸騰下進行,能源的消耗成本甚高並需要大量熱能,因此常與火力發電廠共構,以電廠汽輪機排放的低壓蒸氣做為廉價的熱源。此外,若應用於大規模海水淡化程序,也需甚大的操作面積。

薄膜法純水產製目前則以逆滲透為主,是一種利用壓力為驅動力的分離技術。以海水來說,其含鹽濃度高(濃度為3.5% 時滲透壓約為25 大氣壓),若要實行海水淡化的逆滲透操作,壓力需高於滲透壓的1 倍以上(約50~60 大氣壓),因此相當耗能。近年來,隨著薄膜製備與工程應用技術的日益發展,結合了薄膜法和蒸餾法兩者優點──薄膜蒸餾,逐漸受到重視。

圖一:薄膜蒸餾原理。



何謂「薄膜蒸餾」?如何低溫製造蒸餾水?
薄膜蒸餾是一種分離程序,利用多微孔且疏水性質的薄膜,將兩側不同溫度的流體區隔(圖一),膜兩側的溫度差會造成蒸氣壓力差,以此壓力差為驅動力,使蒸氣分子透過膜孔道擴散至冷側端,再藉由冷流體或其它冷凝裝置冷卻並加以收集。一般而言,薄膜蒸餾之進流只要加熱至50oC 以上,使兩側溫差超過20oC,就能產生足夠的蒸汽壓力差,使蒸氣透過薄膜的速率達到工程應用上的要求。

圖二:電子顯微分析下的薄膜微孔。(作者提供)
在此程序中,需使用高疏水性的膜材,液體不會穿透而僅氣體分子會通過此膜材孔道,膜材本身只是提供液體與膜材之間達成液汽平衡的支撐物。目前有很多運動衣物具防水透氣之機能性,其材質內即有一層疏水多孔膜,如商業上知名之GORE-TEX 薄膜,雨水不能滲透ORE-TEX 物料,但身體排出的汗氣卻易透過小孔,孔隙度可達90%,而孔徑比水蒸氣分子大700 倍。該物料不易讓水穿透,是基於該膜材質為鐵氟龍(PTFE),具有高疏水性。

圖三:液滴與膜面接觸角,角度越大薄膜疏水性愈高。
膜材的親疏水性一般以接觸角大小進行定量的判定,以液滴測量法從水滴與薄膜表面的接觸角( c)影像進行觀察(圖三),當接觸角度愈大表示薄膜疏水性愈高;反之,若接觸角度愈小則薄膜親水性愈高。一般以接觸角大於90°為疏水性表面,反之為親水性表面,而沒有改質的鐵氟龍膜面接觸角常超過120°,因此具備高疏水性。

薄膜蒸餾所用膜孔徑常介於0.1~0.6微米間,孔徑太大則液體易滲入貫穿,而孔徑太小則提高了蒸氣分子於膜內之傳送阻力。因蒸氣通量與膜孔隙度成正比,高孔隙度(40~85%)是應用於此操作之薄膜的重要物性;因需分隔高低溫,膜材需具備低熱傳導性(減少防止薄膜兩側間的熱損),也需考慮熱穩定性與化學穩定性,以因應高溫與廢水污染問題。目前常選用之疏水薄膜材料有鐵氟龍、聚丙烯(PP)及聚偏二氟乙烯(PVDF)等,其中以鐵氟龍疏水性最好,且具有較高的化學穩定性,然而成本及製備技術門檻亦較高。

圖四:薄膜模組典型設備外觀(左)平板膜試驗模組(右)中空絲膜模廠。(財團法人工業技術研究院材料與化工研究所提供)
薄膜蒸餾方法
依低溫產水端的凝結方式的不同,薄膜蒸餾常區分為4 種操作:

直接接觸式
溫度較高的進水與透過液端的冷卻循環水,分別於薄膜兩側與薄膜直接接觸,作同向或反向流動,蒸氣分子透過膜孔道擴散至低溫滲透端,並直接將其冷凝收集。現今薄膜蒸餾之研究,約有80% 屬於此操作模組,優點在於模組件結構簡單,又因兩股液體皆與薄膜直接接觸,模組流道中熱傳以及質傳的阻力較小,所以蒸氣透過速率大,但是伴隨著膜熱傳導損耗
也相對較高,導致熱效率較低。

空氣間隙式
與直接接觸式的不同,在於滲透端液體並非與薄膜直接接觸,而是在其中設置了冷凝熱交換面,蒸氣分子穿過薄膜後,仍要通過一段空氣間隙再擴散至冷凝板上,凝結成液滴。由於薄膜不與冷卻液體直接接觸,可降低薄膜傳導之熱損失,且凝結的液體可以直接收集利用,不會與冷卻流體混合,故適用範圍較為廣泛,並已成功用於純水生產和濃縮各種非揮發性溶。然而,其缺點是多了此空氣間隙,將增加了蒸氣分子整體擴散之質傳阻力,造成通量常明顯低於直接接觸式。

氣體掃流式
若滲透端的液體改為流動的氣體,當蒸氣分子擴散穿透膜孔道後,隨即被掃流之惰性氣體(通常用空氣)帶走,並於系統外部冷凝收集,此法適用於去除稀薄溶液中的揮發性物質。雖然此操作之滲透通量大且膜材之傳導熱損失小於前述兩種操作模組,但此程序需設計有外部冷凝器,設備成本會較高。

真空式
與氣體掃流式相似,但在膜另一側並非低溫流體,而是以抽真空的方式將蒸氣抽走,並在組件外實現水蒸氣的冷凝,此操作可維持較高之蒸氣壓差,且消除了膜孔內的不凝氣(空氣)降低蒸氣於薄膜孔道中的質傳阻力,這皆有助於提升滲透通量,而缺點則是為維持穩定真空需設置真空泵以負壓抽取,所需耗能可能較高,且因此操作可提供之蒸氣壓力差較大,膜孔被進料液體貫穿潤濕的風險也較高。此程序除可應用於水處理外,亦可用於提取出可溶性氣體或移除稀薄溶液中的揮發性物質等。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第565期】

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