薄膜水處理及資源回收技術應用及推廣之研究(1/2)
    出版社:經濟部水利署
    出版日期:2019-12-01
    ISBN:9789865330279
    參考分類(CAT):公共工程/交通
    參考分類(CIP): 市政工程;環境工程

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      | 內容簡介 |
    內容簡介
    再生水之薄膜技術目前大多以逆滲透(RO)為主,然而這除需耗較繁複的前處理及電能成本外,大規模RO濃排所造成之環境衝擊也是近來常被討論的課題。於永續發展的觀點,在水資源開發的過程中應由節能及資源回收著手,最終朝零排放的理想目標,而薄膜技術於這些工程應用上皆扮演重要角色,例如將逆滲透之濃排液或具較高溫度之工業廢水進一步以薄膜蒸餾(MD)處理,對前者可提高水回收率而後者則有能源回收之效應。工業成長也帶來稀貴金屬需求的增長,如何由工業廢水或廢液中循環回收稀貴或其他有價物質,除對國內科技產業之發展甚為重要外,也可減輕末端工業區水處理廠之負荷。本「薄膜水處理及資源回收技術應用及推廣之研究」計畫之執行,主要以前期計畫之研究為基礎,持續將所開發之MD及SLM等薄膜技術於國內產業實廠試驗,建立更有效力之經濟評估數據,以利於技術移轉及業界應用之推廣。另一方面,考慮產業面臨含氨氮廢水處理之問題,而MD技術也可於此類廢水處理過程中進行脫氨獲得氨水或其他可資源化的產物,本計畫也進行MD 脫氨且其產物能資源化回收應用之技術開發。 於研發節能型之水處理技術部分,今年度(108)重點是MD模廠試驗,於華夏聚合公司高雄林園廠持續進行試驗,完成60~80oC較高溫之廢水進料的MD模廠試驗,其產水水質優於RO產水且沒有明顯之薄膜結垢現象,依試驗通量6~8.5 LMH 所評估的每噸產水成本約NT$ 29.0~19.9/m3。另一方面,也針對麥寮台化鍋爐冷卻水及大統新創染整廢水進行實驗室試驗評估,同時也持續進行桃園北區水資源回收中心水樣之MD試驗,針對MBR+UF+RO處理後之RO濃縮液為MD進料,進行MD操作後之膜面積垢成分分析及膜清洗效能的評估,顯示膜面積垢主要來自碳酸鈣,以檸檬酸溶液掃流清洗膜面可有約98%之通量回復,而若以氫氧化鈉及清水溶液掃流清洗則通量回復分別約94 及 84 %。實驗室級以太陽熱能及光電輔助之MD水純化系統研發部分,導入回收再生電池管理系統,進行電池測試與管理系統調控,建立太陽熱電全自主之日產水量18.2 L 的小型薄膜蒸餾純水之雛形機。 於研發有價資源回收技術,對於以SLM回收貴金屬方面,研究結果顯示SLM技術可有效將銅和鈷離子從水溶液中移除,另外由膜面積1.4 、8 和20 m2三個大小不同模組系統的測試結果,確認本團隊所建立的系統放大技術,能維持膜的透過特性(透過係數P值差不多),並未因放大時系統體積和流速的變動而產生較大的質傳阻力。但此技術用在處理實際廢水時,會有因螯合劑存在而效率降低的問題,對於半導體業含鈷之廢水,本團隊所開發之SLM技術可將鈷濃度脫除至低於排放標準,模場試驗之合作廠商(貴金屬資源回收公司)對此技術應用潛力看好,已與中原大學簽訂技轉授權合約。而對於MD脫除氨氮,完成由學理模式建立廢水中氨氮透膜通量及選擇率之模擬程序,可評估進料pH及濃度等對通量及分離選擇率的影響,模擬結果顯示,於pH9~11範圍提高pH值可以相當明顯提升氨氣之通量與選擇率,但pH超過11後,提高pH值對氨氮分離效能之影響則甚有限。對於脫氨氮產物資源化部分,設計了脫氨形成氯化銨之實驗室試驗系統,採用國內產製之平板式PTFE膜,初步試驗可形成濃度約5.5 wt% 之氯化銨溶液。
    目次
    摘要 I 目錄 III 表目錄 V 圖目錄 VI 108年度各工作項目預定進度表 XI 108年執行進度 XII 章節對照表 XIII 第一章 前言 1 1-1計畫緣起 1 1-2計畫目的 3 1-3計畫工作項目 4 1-3-1整體工作項目 4 1-3-2第一年(108年)工作項目 4 第二章 背景資料 5 2-1 MD及SLM技術簡述 5 2-1-1 薄膜蒸餾(Membrane distillation, MD) 5 2-1-2 支撐式液態薄膜(Supported liquid membrane, SLM) 9 2-2關鍵課題 11 第三章 工作方法及執行進度 13 3-1研發節能型之水處理技術 13 3-1-1建立噸級MD模廠於實場之水回收試驗 13 3-1-2建立實驗室級太陽熱能或光電輔助之薄膜蒸餾水純化系統 22 3-1-3完成本計畫相關技術服務於國內產業至少1案 50 3-2研發有價資源回收技術 52 3-2-1開發SLM模廠於半導體產業或資源回收產業之試驗 52 3-3持續操作桃園北區UF+RO模組及MD模組 92 3-3-1 膜結垢與膜清洗分析 93 3-3-2產水水質 97 3-4各項展覽之展出 105 第四章 結論與後續規劃 111 4-1結論 111 4-1-1研發節能型之水處理技術 111 4-1-2研發有價資源回收技術 112 4-1-3持續操作桃園北區水資源回收中心MD試驗 112 4-1-4配合水利署指示進行展覽之展出 112 4-2 後續規劃 113 4-2-1.研發節能型之水處理技術 113 4-2-2研發有價資源回收技術 113 附錄一 重要參考資料 附錄1-1 附錄二 中英文專業術語索引對照表 附錄2-1 附錄三 期中審查意見回復表 附錄3-1 附錄四 2019 台北國際水週 論壇及技術媒合會部分議程 附錄4-1 附錄五 中原大學技術授權合約 附錄5-1 ? 表目錄 表2-1 常用之廢水除氨氮程序比較【37】 8 表3-1 華聚MD模廠通量及水質數據 16 表3-1 華聚MD模廠通量及水質數據(續) 17 表3-2 林園華聚廢水DCMD通量對產水成本影響之評估 18 表3-3 太陽能儲熱裝置規格 25 表3-4 每日太陽光發電量估算 27 表3-5 進料溫度對通量影響 48 表3-6 HFSLM規格 53 表3-7 樣品初始濃度 68 表3-8 不同濃度的 LIX 984 在稀釋劑Isobar-L中的萃取率 70 表3-9 含銅廢水樣品質量平衡表(40,000ppm) 76 表3-10 參考文獻中VMD 脫氨氮操作條件[24] 84 表3-11 VMD 脫氨氮操作條件[32] 86 表3-12 pH值對VMD之各成分通量及選擇率之模擬結果 87 表3-13 試驗進料條件 90 表3-14 桃北水回收中心MD試驗水質之Cl-測定 99 表3-14 桃北水回收中心MD試驗水質之Cl-測定(續) 100 表3-15 桃北水回收中心MD試驗水質測定 101 表3-15 桃北水回收中心MD試驗水質測定(續) 102 表3-15 桃北水回收中心MD試驗水質測定(續) 103 表3-15 桃北水回收中心MD試驗水質測定(續) 104 圖目錄 圖2-1 薄膜蒸餾技術原理圖 5 圖2-2 薄膜蒸餾操作分類(a: DCMD, b:AGMD, c:SGMD, d:VMD) 7 圖2-3 各種氨氮廢水處理方式適用性及技術成熟度【38】 8 圖2-4 支撐式液膜示意圖 10 圖2-5 具分散反萃取相支撐式液膜示意圖【7,8】 10 圖3-1 石化廠DCMD試驗模廠流程設計 14 圖3-2 MD模場系統設備照片 14 圖3-3 麥寮六輕鍋爐冷卻水MD通量及透過液槽電導度 20 圖3-4 大統新創染整廢水MD 試驗(進料溫度 60 oC) 21 圖3-5 以太陽光電及太陽熱能小型MD系統【2】 22 圖3-6 太陽能MD試驗系統流程設計圖 23 圖3-7 太陽能MD試驗系統主要單元圖 24 圖3-8 薄膜蒸餾純水機 24 圖3-9 計畫整體規劃 26 圖3-10 太陽光瞬間發電量之一例 27 圖3-11 電池管理系統(BMS)基本架構 29 圖3-12 使用帶有SPI的MMU連接主板測試 31 圖3-13 高速CAN物理層架構 32 圖3-14 CAN實現電池數據傳輸處理 32 圖3-15 透過量測電流與電壓、溫度搭配電池循環壽命估測機制 (Adaptive Algorithm)歸納出殘留電量 (SoC) 與電池循環壽命 (SoH) 32 圖3-16 調控PWM在不同超級電容分擔比例(duty:25%電池+75%超級電容)下的充放電電壓量測結果 33 圖3-17 於相同duty下25%電池+75%超級電容 (System: 電池+超級電容, Battery: only 電池)電池與系統(電池+超級電容)電流負擔比例 34 圖3-18 內電阻量測結果(first order IR upper line, Rs and second order IR lower line, Rt) 34 圖3-19 BMS電池保護機制架構 35 圖3-20 太陽能板規格 36 圖3-21 太陽能發電板測試狀況 36 圖3-22 中原薄膜中心太陽能光電板 36 圖3-23 52V儲能系統實驗室整合 37 圖3-24 用於儲存太陽能之回收鋰電池組 38 圖3-25 52V恆流放電的電壓與電流變化 38 圖3-26 52V電池急遽充放電控制 39 圖3-27 52V電池壽命參數估測結果(4個參數皆收斂) 40 圖3-28 52V電池Rs、OCV、Rt等參數估測圖 40 圖3-29 52V經過濾波後的壽命與殘留電量估測結果 41 圖3-30 定電流5A放電開路電壓與SOC估測狀況 42 圖3-31 定電流5A放電歐姆電阻與極化電阻狀況改變計算參數後R_t與R_s之結果 43 圖3-32 定電流5A充電電壓與電流變化情形 43 圖3-33 定電流5A充電開路電壓與SOC估測狀況 44 圖3-34 定電流5A充電歐姆電阻與極化電阻狀況改變計算參數後R_t與R_s之結果 44 圖3-35 (a)PWM定電流測試電壓變化(上)(b)PWM定電流測試電流變化(下) 45 圖3-36 (a)PWM變電流測試電壓變化(上)(b)PWM變電流測試電流變化(下) 46 圖3-37 電池組10A定電流放電電壓變化與PWM延壽參數duty調控關係 47 圖3-38 電池組負載需求提升後 (10A to 20A)定電流放電電壓變化與PWM延壽參數duty調控關係 47 圖3-39 電池組定功率放電電壓變化與PWM延壽參數duty調控關係 48 圖3-40 太陽能源薄膜蒸餾實驗 (a)系統圖, (b)實驗室樓頂之太陽能光電板及太陽能集熱板 49 圖3-41 太陽集熱板桶液及MD進料液溫度的變化(中壢11/02) 50 圖3-42 HFSLM的實場規模 53 圖3-43 實場照片 53 圖3-44 SLM系統設計概念圖 54 圖3-45 膜面積1.4m2模組之SLM系統設備圖 55 圖3-46 1.4 m2膜面積SLM系統之銅離子測試結果 56 圖3-47 膜面積8m2模組之SLM系統設備圖 56 圖3-48 8 m2膜面積SLM系統之銅離子測試結果 57 圖3-49 膜面積20 m2模組之SLM系統設備圖(正面) 57 圖3-50 膜面積20 m2模組之SLM系統設備圖(側面) 58 圖3-51 20 m2膜面積SLM系統之銅離子測試結果 58 圖3-52 批式SLM離子回收系統之示意圖 59 圖3-53 膜面積1.4 m2系統進料液銅離子濃度隨時間變化之對數圖 60 圖3-54 膜面積8 m2系統進料液銅離子濃度隨時間變化之對數圖 60 圖3-55 膜面積20 m2系統進料液銅離子濃度隨時間變化之對數圖 61 圖3-56 1.4 m2膜面積SLM系統之鈷離子測試結果 62 圖3-57 8 m2膜面積SLM系統之鈷離子測試結果(合作廠商提供的水樣) 62 圖3-58 20 m2膜面積SLM系統之鈷離子測試結果(合作廠商提供的水樣) 63 圖3-59 20 m2膜面積SLM系統操作穩定性之測試(第一天測試結果) 64 圖3-60 圖3-59進料鈷濃度數據經修正後之結果 65 圖3-61 圖3-60鈷離子濃度(修正後)隨操作時間變化之對數圖 65 圖3-62 操作第四天鈷離子濃度(修正後)隨操作時間變化圖 66 圖3-63 a. 含銅廢水樣品, b. pH 3廢水樣品, c. 前處理完成之樣品 67 圖3-64 含銅廢水樣品成分濃度 68 圖3-65 膜面積1.4 m2模組之SLM系統試驗圖 68 圖3-66 pH 對 1% LIX 984萃取劑的影響(稀釋劑 : Isopar-L ) 69 圖3-67 三種萃取劑在兩種稀釋劑下的萃取率(萃取劑濃度10%) 70 圖3-68 不同油水比下的萃取率 71 圖3-69 不同水油比下的萃取率 71 圖3-70 不同硫酸濃度下的回收率 72 圖3-71 SLM回收金屬銅萃取與反萃取實驗結果(進料40,000ppm) 73 圖3-72. 金屬離子轉換率conversion ratio (進料40,000ppm) 73 圖3-73 SLM回收金屬銅萃取與反萃取實驗結果(進料5000ppm) 74 圖3-74. 金屬離子轉換率 a : 0 – 1380 分鐘 b : 30 – 240分鐘 74 圖3-75 a. 未經SLM處理的含銅廢水樣品, b. 經SLM處理後的樣品 c. 未經SLM的萃取溶劑, d. 經SLM過後的萃取溶劑 75 圖3-76. a. 反萃取前的萃取溶劑, b. 經反萃取3分鐘後的萃取溶劑, c. 經反萃取5分鐘後的萃取溶劑 75 圖3-77 SLM回收金屬銅萃取與反萃取實驗結果(200ppm) 77 圖3-78 金屬離子轉換效率(200ppm) 77 圖3-79 SLM回收金屬銅萃取與反萃取實驗結果(50ppm) 78 圖3-80 金屬離子轉換效率(50ppm) 78 圖3-81.乾燥後的沉澱物 79 圖3-82. XRD分析沉澱物之結果 79 圖3-83 薄膜應用於氨氮以硫酸溶液吸收之去除技術原理圖[23] 80 圖3-84 以吸收液脫除氨氮之濃度及溫度之分布示意圖 81 圖3-85 模擬計算流程 84 圖3-86 VMD脫氨氮本研究模擬之選擇率與文獻之實驗值[24]相比較 85 圖3-87 VMD脫氨氮本研究模擬之選擇率與文獻之實驗值相比較 86 圖3-88 VMD脫氨氮進料濃度對總通量影響 87 圖3-89 實驗室VMD脫氨系統實體 88 圖3-90 廢水氨氮脫除實驗系統流程圖 89 圖3-91 平板模組 89 圖3-92 MD氨氣脫除試驗 90 圖3-93 ln C0/Ct與時間作圖 91 圖3-94 Effect of feed temperature on DCMD flux with RO concentrate. 93 圖3-95 Time-dependent flux of washing operation with RO concentrate. 94 圖3-96 SEM images of membrane surface after 24 hours DCMD operation with RO concentrate. 95 圖3-97 SEM images of membrane surface after citric acid washing. 96 圖3-98 EDS analysis of membrane surface after citric acid washing. 97 圖3-99 (MF, UF)+MD+ SLM之整合程序系統流程圖 105 圖3-100 參與水展之MD 及 SLM 系統 106 圖3-101 與參訪廠商交流 107 圖3-102 對印尼參訪團介紹參展技術 108