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產業技術評析

有水當思無水之苦,正滲透(FO)水處理技術興起
發表日期:2016-06-08
作者:何世湧(工研院IEK)
摘要:
在最近十年中全球平均溫度都比過去的1,300年前的任何時間都還要高,造成格陵蘭與南極冰山融化、海平面上升,增加暴風雨與洪水侵襲的強度,並衝擊全球各區域的經濟活動。

全文:
一、環境與氣候變遷,人口激增

在最近十年中全球平均溫度都比過去的1,300年前的任何時間都還要高,造成格陵蘭與南極冰山融化、海平面上升,增加暴風雨與洪水侵襲的強度,並衝擊全球各區域的經濟活動。此外,根據聯合國統計全球人口將從2015年73億人成長16.4%到2030年達85億人,屆時水資源的需求量為6,350立方公里,需求量較2015年成長27%。

在世界許多地方水資源的短缺將會抑制經濟的成長,全球前500大企業有超過一半以上都已經歷水資源問題而衝擊公司營運,並造成這些公司在財務數字高達2億美元的損失,其損失風險來自於生產過程或供應斷鏈而產生的財物損失。因此,在企業方面,公司應將部分資本支出投入水的處理、儲存、回收等;在國家政策應由國家投入更多經費為企業與人民開闢更多水源。尤其,臺灣的地形多山陡峭,僅能靠水庫蓄水,但水庫淤積嚴重且清淤成本高;然臺灣四面環海,海水佔地球水資源約97.3%,故海水淡化是國家政府可以切入的著力點,為用水開拓更多水源。

二、全球聚焦節能、低成本的FO技術

現階段海水淡化處理方式可分為水相變化及非水相變化兩類,利用水相變化的處理技術有多段瞬間蒸發法(Multi-Stage Flash, MSF)、多效蒸餾法(Multi-Effect Distillation, MED)及蒸氣壓縮法(Vapor Compression, VC);不利用水相變化的處理技術有逆滲透法(Reverse Osmosis, RO)、奈米過濾(Nano filtration, NF)、電透析法(Electro Dialysis, ED)與正滲透法(Forward osmosis, FO,發展中)。全球海水淡化廠使用技術比重依序如下:逆滲透法(RO)65%、多段瞬間蒸發法(MSF)21%、多效蒸餾法(MED)7%、電透析法(ED)3%、奈米過濾(NF)2%。

利用水相變化會比非水相變化處理技術消耗更多能量(蒸氣+電能),且需要與發電廠並聯操作才能節省成本;而非水相變化處理技術的電透析法(ED)是利用直流電與半透性膜來脫鹽,分解其他無機物或低分子有機物(鹽分濃度TDS<10,000mg/L),當海水鹽分濃度TDS低於3,000mg/L時,電透析法較逆滲透法更具競爭性,但一般海水的鹽分濃度TDS為35,000至40,000mg/L,故逆滲透法(RO)比電透析法(ED)更適合用於海水淡化上。

然而,國內目前6,000噸至3,000噸的新海水淡化廠大多採用逆滲透法(RO),每度水的處理成本約在新台幣30元至50元,反觀自來水依用水量每度水費僅需新台幣7.35元至12.1元之間,兩者之間仍有一大段差距。而從全球專利布局分析,可發現近三年來歐美日韓等國際大廠紛紛在正滲透技術的各組成材料有相當多的布局,因此,低能耗與低成本的『正滲透技術(FO)』是具有高度發展的潛力。 『正滲透技術(FO)』的基本原理是不需要外部的壓力,以自然滲透壓作用,水由低滲透壓流向高滲透壓的一邊。正滲透技術應用於海水淡化,是由高濃度的提取液(Draw Solution),藉由正滲透薄膜汲取海水的水分子,再從提取液進行水分離即可獲得純水,如圖一所示。
圖一、海水淡化正滲透技術(FO)示意圖
資料來源: GreenTech Media;工研院IEK/ ITIS計畫整理(2016/06)
圖一、海水淡化正滲透技術(FO)示意圖

正滲透技術(FO)的技術可分為薄膜、提取液與系統整合三大區塊,同時布局這三大類的廠商或單位有:新加坡大學、新加坡南洋理工大學、韓國三星電子、熊津化學、美國Hydration Systems等;而專精投入薄膜材料的廠商有BASF、Fujifilm、DOW、Toray、Toyobo等;而後段系統整合的主要廠商有美國Oasys Water與HTI、英國Modern Water、中國大陸沃特爾。

以正滲透技術(FO)與出水量10萬噸規模的海水淡化逆滲透技術(RO)比較其材料與設備成本,逆滲透技術(RO)約需要131.7萬美元,而正滲透技術(FO)約需78.7萬美元,將可減少40.2%的成本。而在能耗的比較,逆滲透技術(RO)產出一噸海水淡化的水約需3.5度的電,正滲透技術(FO)未來大量導入海水淡化廠時可低於3度電以下。

以臺灣現今地理與社會經濟環境,國家政府單位應極力發展更低能耗與更低成本的水處理技術,其中可節能具低成本優勢的『正滲透技術(FO)』近年來受到越來越多的關注,正滲透不僅可以應用於海水淡化、工業/民生廢水處理,還可用於半導體、紡織、農業、製藥、石化能源、食品產業等,另外還可在一些極端環境,如外太空、無潔淨水源的離島或戰地,可隨時製作出緊急供水包,在軍事戰略上有其特殊的優勢。再者,由於正滲透技術(FO)的低能耗特性,特別適合與太陽能電池結合運用,這也與現在國家政府欲發展的綠能政策不謀而合。

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

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更新日期:2020-04-08

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