新型水淡化技术—电容去离子技术

全世界有超过美国人口三倍以上的人们正面临缺水危机,有卅多个国家处于严重缺水区域,加上全球人口持续增长,水资源会更加不足。一旦缺乏洁净用水,疾病与死亡率将会提升,农民无法正常灌溉作物,许多工厂及产业无法运行,将会影响整个地区的环境卫生和经济发展。台湾虽然四季有雨,但因地形高耸陡峭,河川短小湍急,不容易储存水资源,也面临到缺水危机。由经济部水利署的资料显示,台湾在全世界缺水地区排名第十八。在这个全球面临缺水的情况下,找寻水资源十分重要,而海水淡化就是其中一种方法。

海水淡化简单来说,就是将海水中的盐份去除,使原本苦鹹、不易使用的海水转变成可利用的洁净纯水。早期的探险家在漫长海上旅行,当无水可用时,就想到能将海水煮沸,再收集水蒸汽凝结成纯水,这样就能继续航行在海上不担心会缺水。这是最早的海水淡化技术,使用的是蒸馏法,利用盐类和水的沸点不同,进行相的转换,取得洁净的纯水。后来海水淡化技术逐渐进步,发展出薄膜法,透过加压使海水通过薄膜,薄膜会阻挡盐类离子通行,只让水分子通过,利用此方法将水和盐类离子分开,常见的薄膜法为逆渗透法(Reverse Osmosis, RO)[1]。

发展至今,海水淡化技术面临到许多问题,蒸馏法虽操作简单,但需要大量的电能,会消耗过多能源,而薄膜法在处理程序中会产生高浓度的强酸、强硷废液,增加再处理这些高浓度废水的成本,此外薄膜法在维护与成本上也较昂贵。因此,许多研究团队努力研发新的海水淡化技术。

接下来,将介绍一个较新颖的水淡化技术——电容去离子技术(Capacitive Deionization Technology, CDI),它的原理是利用施加外部电场,让海水中带电荷的离子(如:钠( Na+)、钙(Ca2+ )、镁(Mg2+ )离子、氯(Cl–))受到库伦静电力之影响,阳离子往负极跑,阴离子往正极跑,这些离子就会被吸附于活性碳电极表面上形成一个储存离子的电容器[2, 3]。当海水通过电容去离子系统时,就能有效的将带电的盐类离子去除,得到乾净的纯水,下图为电容去离子技术示意图。

新型水淡化技术—电容去离子技术

图一$$~~~$$电容去离子技术示意图 (黄书芸绘製)

电容去离子技术所需的能源比传统的蒸馏法少许多,在操作与设备维护上也较薄膜法来得简单且不会有二次汙染问题,相对于其他海水淡化技术操作成本较低且对环境较为友善。电容去离子技术已开始被应用于小型海水淡化上,水淡化的处理效果良好,是个具有潜能的新型水淡化技术。

海水淡化技术的发展对解决现今缺水问题有一定程度的帮助,电容去离子技术若能开发得更完善、更有效应用在海水淡化上,势必能减轻地区性缺水的问题,也能减少能源的浪费。


参考文献

[1]张渊斯、曹知行。海水淡化的发展。(http://ejournal.stpi.narl.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/9806/9806-05.pdf)[2]黄承业(2012)。以电容去离子技术去除无机盐类之电吸附行为研究。(硕士论文,东海大学,2012)。[3] Hou, C. H., & Huang, C. Y. (2013). A comparative study of electrosorption selectivity of ions by activated carbon electrodes in capacitive deionization. Desalination, 314, 124-129.

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