2021 年初，台灣經逢百年大旱，且時序延至 6 月方始迎來梅雨鋒面。此種極端現象乃是受到全球暖化的影響，使得高溫天數持續增加，降水天數相對減少，且多數以暴雨之形式降臨。瞬間暴雨造成河川及水庫產出高濁度原水，對於淨水處理上的困難度與日俱增。

 

如前述，研發快速安全並有效提升水質，且能降低用電與用藥之能耗成本，結合維護操作容易、耐久性強及符合綠色環保等特點的現代化淨水處理設備為當務之急，平板陶瓷膜就是具有上述各項優異性能之產品。本研究以台灣自來水公司第三區管理處新竹第一淨水場膠凝沉澱後段，以及第八區管理處雪隧取水站兩處設為取水點，進行平板陶瓷膜過濾測試。膜通量最高可達500LMH，各水質項目檢測結果皆符合國家 飲用水標準。

 

一、前言

(一)、平板陶瓷膜開發歷程

平板陶瓷膜是一種以無機材料製成的人工膜，廣泛用進行固液分離。不同於常見的有機薄膜，陶瓷膜可操作於有機薄膜無法應用或是應用效果不佳的環境當中，例如高強度酸鹼、有機溶劑及高溫。多孔陶瓷膜依據結構分為無定形膜和晶體膜 1，其孔徑分布廣，涵蓋範圍從微濾(MF)到納濾(NF)，可應用於家用型淨水器到自來水供水系統。

 

市面上大多數的陶瓷膜製造商以生產三氧化二鋁、氧化鈦及氧化鋯的載體膜和膜層為主，然而最新的技術是以碳化矽(SiC)作為材料製成薄膜。與氧化物基膜 (1200-1600°C) 相比，碳化矽需要更高的燒結溫度 (>2000 °C) 。不論是平板式或是管柱式的陶瓷膜，皆具有高度的親水性，提高操作通量、高強度以及膜片耐化性 2。

 

(二)、平板陶瓷膜過濾範圍

平板陶瓷膜過濾孔徑約為 0.1μm，介於超濾膜(UF)及微濾膜(MF)間，可過濾大多數顆粒物。

 

 

(三)、平板陶瓷膜結構

平板陶瓷膜為片狀排列結構，與有機平板膜及中空纖維膜不同，相比於有機過濾膜的分散式結構，進流水中的堵塞物質不易深入結構，並且較能以物理及化學方式去除汙堵。

 

 

(四)、平板陶瓷膜運作

以掃流式過濾(Cross-flow)原理運作，進流水由負壓抽吸進入膜片過濾，懸浮固體即被截留在膜片表面形成濾餅層。掃流式過濾能有效去除的粒徑範圍為 0.1~10um，此範圍內的微粒若以沈澱、離心或深層過濾等方式，均無法有效可靠的被去除。在這種處理方式中，進流水的流向與薄膜表面形成平行，因剪力作用能將膜片表面的濾餅層厚度降低，如此得以保持較高之濾速 3。因此平行方向的掃流過濾法已逐漸被廣泛地應用在淨水及廢水處理。而通過膜片本體的過濾水則彙集至於兩側端蓋處，再由集水管輸送至清水槽。

 

(圖3:平板陶瓷膜運作)

 

(五)、平板陶瓷膜與傳統設備比較

傳統過濾方法可分為砂過濾及有機膜過濾，平板陶瓷膜既具有各處理方式之優勢，亦針對原有設備所遇到的困境加以改進，以下為上述三種過濾技術之分析表：

 

過濾技術分析表

 

二、測試案例

(一)、三氧化二鋁陶瓷平板膜測試

根據台灣自來水公司第三區管理處所提出 30000CMD 需求處理水量，於新竹第一淨水場中取膠凝沉澱後段水源，進行三氧化二鋁平板陶瓷膜之過濾測試，以了解該處理方式之適用性，並同時收集通量、過膜壓差、產水水質等相關操作數據做為後續工程規劃之參考依據。

 

相關測試說明如下：

1. 測試地點：台灣自來水公司第三區管理處新竹第一淨水場
2. 測試時間：2020.01.02-02.28
3. 試驗目標：平板陶瓷膜適用性測試
4. 監測項目：產水負壓、通量、入水/產水水質(濁度/重金屬濃度/pH/水溫等)        

 

(二)、碳化矽(SiC)陶瓷平板膜測試

以台灣自來水公司第八區管理處雪隧取水站，取經過前加氯及曝氣塔後之水源， 進行碳化矽平板陶瓷膜過濾測試，分別記錄通量、過膜壓差、產水水質，並且歸納整理最佳處理條件。

 

將碳化矽(SiC)陶瓷膜運用至自來水過濾，利用膜片 0.1µm 的孔隙過濾泉水，使當地居民能擁有更好的飲水品質，並發揮其高通量、高耐用度及佔地面積小之特性，使設備在空間規劃更加彈性。

 

相關測試說明如下：

1. 測試地點：台灣自來水公司第八區管理處雪隧取水站
2. 測試時間：2021.09.16-10.05
3. 試驗目標：平板陶瓷膜適用性測試
4. 監測項目：產水負壓、通量、入水/產水水質(濁度/重金屬濃度/pH/水溫等)

 

三、結果與討論

(一)、三氧化二鋁平板陶瓷膜測試結果

連續操作 180 小時，設定通量為 250L/m2-hr，實際測得平均通量為 233 L/m2-hr， 負壓維持在-0.48kg/cm2。以下為操作條件及水質。

1. 膜通量：233 L/m2-hr
2. 產水時間：60 分鐘
3. 反洗時間：30 秒
4. 濃縮排泥時間：8小時
5. 藥洗種類及濃度：硫酸 0.3％

 

新竹第一淨水場產水測試水質分析結果

 

經測試後建議系統操作條件如下：

1. 反洗程序：產水 1hr 反洗 0.5min。
2. 排水(concentrate，濃縮)程序設定：產水 8hr後進行排水。
3. 長時間運作：連續產水 4 天後進行酸洗
4. 平板膜規格：以 0.1μm 進行運作
5. 藥洗種類及濃度：硫酸 0.3％

 

(二)、碳化矽(SiC)平板陶瓷膜測試結果

連續操作 120 小時，設定通量為 545L/m2-hr，實際測得平均通量為 529 L/m2-hr， 負壓維持在-0.15kg/cm2 以下。

1. 膜通量：545 L/m2-hr
2. 產水時間：480 分鐘
3. 反洗時間：30 秒
4. 濃縮排泥時間：每次反洗結束即排泥
5. 藥洗種類及濃度：硫酸 0.5％

 

雪隧取水站產水測試水質分析結果

 

經測試後建議系統操作條件如下：

1. 反洗程序：產水 8hr 反洗 0.5min。
2. 排水(concentrate，濃縮)程序設定：產水 8hr後進行排水。
3. 長時間運作：連續產水 8 天後進行酸洗。
4. 平板膜規格：以 0.1μm 進行運作。
5. 酸洗濃度設定：硫酸 0.5％

 

四、結論與建議

(一)本研究分別以經過前加氯及曝氣塔後之水源進行平板陶瓷膜過濾測試，兩處測試 結果顯示濁度、鐵離子及錳離子皆能有效去除，並且能達到高通量的需求。

(二)碳化矽(SiC) 平板陶瓷膜通過 NFS (National Sanitation Foundation)第 61 號認證，在長時間需與水接觸之下，不會產生對人體有害的物質。並且於 61 度 C 高溫中通過檢測，說明與其他在常溫中檢測的有機膜相較之下，碳化矽(Sic)平板陶瓷膜更加耐高溫。

(三)平板陶瓷膜為膜組化設計，可以系統規模進行規劃。同時系統也可針對緊急救災用水作移動淨水套裝設備之應用，完全取代傳 統快濾池之功能，並且有更高的使用彈性。

 

參考文獻

1..R.M. de Vos and H. Verweij. High-Selectivity, High-Flux Silica Membranes for Gas Separation. Science. 1998, 279 (5357): 1710–1711

2.Guo XZ, Yang H (2005). "Sintering and microstructure of silicon carbide ceramic with Y3Al5O12 added by sol-gel method". J Zhejiang Univ Sci B. 6 (3): 213–8.

3.張棟江〈平行流微過濾法之過濾行為理論及應用於濾池及沖洗廢水處理之研究〉，《自來水會刊雜誌》，41卷1992年，頁39-50

 

轉載自 - 自來水會刊2023年第 41 卷第 4 期(164)