- 封面故事
- 2017年
- 565期－薄膜分離技術（1月號）
文章專區
2017-01-01薄膜蒸餾技術
565 期
Author 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。
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。
圖一：薄膜蒸餾原理。
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GORE-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。
圖二：電子顯微分析下的薄膜微孔。（作者提供）
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（θc）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。
圖三：液滴與膜面接觸角，角度越大薄膜疏水性愈高。
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。……【更多內容請閱讀科學月刊第565期】