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生活處處皆過濾:海水滲透過濾–左右逢「源」

利用海水滲透過濾的概念,不但可以取水還可以取電。海水淡化的逆滲透操作能取出可用的水,但以海水與河水間的鹽濃度差進行緩壓正滲透操作,則能取出可用的電。
 
 
 
海水中因含有高濃度的鹽分,要從中取出可用的淡水,就必須想辦法去除鹽分。由於海水和淡水間鹽濃度的差異,依理論有機會藉其產生電能。

利用鹽濃度差來發電的概念,有兩種主要方法:一是利用滲透壓原理、另一是利用電透析原理。利用滲透壓的方法可以類比成是水力發電,因為水力發電是利用水位高度的不同把位能轉換成電能,而鹽濃差發電是利用滲透壓的不同把濃度差的勢能轉換成電能。

因此,利用海水滲透過濾的概念,不但可以取水還可以取電,真可謂左右逢「源」─ 逆滲透取水(源)、正滲透取電(源)。

何謂滲透壓

要了解海水如何能過濾取水和取電之前,必須先了解滲透現象、滲透壓的原理,以及常見液體滲透壓的大小。

若以一張半透薄膜隔開鹽分濃度不同的兩種溶液時,由於兩側的濃度差而產生擴散現象。因為半透薄膜的阻隔,使得高濃度側的溶質無法透過半透薄膜至稀薄溶液的一側,反之稀薄溶液側的水分子卻可以通過且持續擴散至高濃度的一側,直至兩端濃度平衡為止,這過程稱為「滲透」現象。

「滲透」現象是法國物理學家Jean-Antoine Nollet(1700 - 1770)在1748年所發現的,他把水與酒精分別置於豬膀胱的內外兩側,很偶然地觀察到包覆在豬膀胱裡的水會自行擴散到膀胱外側的酒精中,因而命名為「滲透」現象。滲透的英文「osmosis」源自希臘文「osmos」,意指一種推動力,是由法國生理學家René Joachim Henri Dutrochet(1776 -1847)所提出,他同時說明並定義了Nollet發現的滲透現象。

與滲透現象相關的理論約在1850年代開始發展,1887年荷蘭物理化學家van' t Hoff建立了薄膜過濾程序中以壓力差做為驅動力的理論基礎,現今仍然適用於奈米過濾及逆滲透過濾。滲透壓到底有多大呢?海水中的鹽濃度約為3.5 %,依van' t Hoff的理論估算,滲透壓約為24大氣壓;苦鹹水的鹽濃度約7,000 ppm,滲透壓則是5大氣壓;而一般河川水的總溶解性固體約500~1,500 ppm,滲透壓就小於1大氣壓了。

在各種滲透程序中,依照溶液特性與操作方式的不同,可分為逆滲透、正滲透、緩壓正滲透等。

正滲透是指在半透膜的兩側,放置兩種不同滲透壓的溶液,因壓力梯度的不同促使水自發性地從滲透壓較低的溶液(較高水化學勢或低濃度溶液)透過半透薄膜往滲透壓較高的溶液(較低水化學勢或高濃度溶液)擴散,溶質則因被半透膜阻隔而無法通過,這一程序會持續進行,直到兩側的壓力達到平衡為止。

逆滲透則是施加一大於滲透壓差的外加壓力,來克服兩溶液間的滲透壓差,使水由高滲透壓的溶液擴散至低滲透壓的溶液,以獲得乾淨水源。相對而言,緩壓正滲透是在一具有較高滲透壓液體側施加一小於滲透壓差的外加壓力,雖然會減緩水的透過量,但水仍會由原進料液流向另一側,通過的水則用以推動渦輪來產生電能。

逆滲透取水

地球上的水有97.5 % 是海水,淡水只占2.5 %,其中又有近9成的淡水是以冰層形式存在,或位於無法利用的地底岩層內,因此人類可利用的淡水資源僅占地球水資源總量的0.25 %。根據聯合國統計,全球70億人口中有超過10億是居住在缺乏水資源的地區,而這現象隨著人口的增加日益嚴重。

臺灣的年降雨量超過2,500毫米,是全球平均值的3倍,看起來水資源似乎不虞匱乏,但由於地形的特殊,中央山脈高聳、地勢陡峭,導致大部分的雨水都迅速排入海洋,致使可運用的水資源僅是全球平均值的七分之一,在缺水國排行榜中名列第18。幸而臺灣四面環海,若能善用豐沛的海水資源,或可有效解決用水的問題。

在諸多的海水淡化程序中,逆滲透海水淡化的成本最低。在2007年估計1公噸水的處理成本約1歐元,但隨著全球逆滲透海水淡化廠的需求日益增高、薄膜性能的提升,以及製膜成本的降低,現今處理成本已降至約0.75歐元。

逆滲透海水淡化的原理恰如前述,是利用半透膜隔開海水與淡水,並在高濃鹽分的海水端施加一大於滲透壓差的外加壓力,使水由高滲透壓溶液擴散至低滲透壓溶液,以獲得乾淨的水源。由於海水的鹽分濃度高達3.5 %,估計滲透壓達24大氣壓。如以逆滲透進行海水淡化,就必須施加高於24大氣壓的機械力以迫使海水中的水分通過半透膜。由於海水中的鹽分已被阻隔在濃鹽水側,因此半透膜的另一側得到的就是乾淨的水。

一般逆滲透海水淡化的操作壓力都會高於滲透壓的一倍以上,約高於50大氣壓,以有效取水。至於一般家庭所使用的逆滲透淨水裝置,由於進水是一般自來水或地表水,鹽分濃度並不高,理論滲透壓都低於1大氣壓,僅需施加2~3大氣壓的壓力即可。一般而言,家用淨水裝置的壓力泵最高操作壓力都小於9大氣壓。 

正滲透取電

我國地狹人稠,天然資源缺乏,由2008年經濟部能源局的能源平衡表可知,臺灣初級能源自產率小於1 %,電力自產率也小於4 %,有高達95%的能源仰賴進口。因此,立法院於2009年6月12日通過,同年7月8日實施的「再生能源發展條例」,訂定再生能源發電容量獎勵總量是6,500~10,000 MW,宣示我國加強推動再生能源的政策與決心。

再生能源包含太陽能、生質能、地熱能、海洋能、風力、水力(非抽蓄式)、一般廢棄物與一般事業廢棄物等直接利用或經處理所產生的能源,或其他經中央主管機關認定可永續利用的能源。我國四面臨海,具有發展海洋能的得天獨厚環境,且近年科技部(原國科會)能源國家型計畫等也積極推動海洋能,如海浪發電、洋流發電、潮汐發電、海洋溫差發電、黑潮發電等,惟尚有許多技術瓶頸亟待突破,其中最棘手的就是各類不同海洋能的可供應能及能源密度。

在諸多海洋能中,海洋鹽濃差能具有海洋能中最高的能源密度,以及幾乎跟海浪能相當的可供應能。據估計若全球的河海交界處都以海洋鹽濃差能來發電,每年可帶來1.65兆瓦電力的發電量,相當於全歐洲用電量的一半。因此,世界各國都積極投入海洋鹽濃差能的開發,其中又以美國、挪威、荷蘭最早,各有一座示範廠在設置中。

最早的示範發電廠設在挪威,2009年規劃容量是10 kW,預計到2015年將擴大到25 MW。近年亞洲各國也紛紛以國家的力量投入,希望能在剛起步的同時就建立相關的技術,以搶食這塊新能源大餅,例如日本的Megaton Water System計畫、韓國的SeaHERO計畫等都是。

海洋鹽濃差能具有高能源密度的特點,不會隨洋流、潮汐的變化而有間斷操作與向位性的變化,且不用深入海底取水,設施可建設於地表,因此不會受地震時海底衝擊破壞的威脅。更重要的是,這技術應用層面不限於海洋,可利用於高鹽度工業廢水的鹽濃差發電,也可結合海水淡化逆滲透的鹵水發電,既可以海淡產水又能發電,因此從大型的海洋設施規模到中小型的工業級規模都可設計開發。

由比較不同鹽水來源的效能來看,以海水淡化的逆滲透濃縮鹵水及鹽丘溶液窟的高鹽分廢水進行鹽濃差能發電,發電的能力更高於海水鹽濃差能發電,顯見中小型鹽濃差能系統更具發展潛力。

利用鹽濃度差來發電的概念,有兩種主要方法:一是利用滲透壓原理的緩壓正滲透,另一是利用電透析原理的反向電透析。緩壓正滲透是利用鹽水分離半透膜,正常狀況下低濃度的淡水(河水)會流向高濃度海水,因為兩者有化學勢差,通過的水則用以推動渦輪發電。第二種反向電透析是利用離子交換膜,跟電透析是相反的作用與效果,電透析是利用電場使進水造成濃度差而產水,反向電透析則是利用有濃度差的水來產生電。

全球首先提出鹽濃差發電概念的是Sidney Loeb教授,他也是美國60年代海淡技術的靈魂推手。2000年初,Sidney Loeb教授曾對美國大鹽湖的發電潛能做了一番評估,估算以其鹽濃差來發電成本僅約美金0.15  $∕kWh,與美國當時的電價相當。

緩壓正滲透是利用滲透壓差的原理,可以類比成是水力發電。水力發電是利用水位高度的不同把位能差轉換成電能,鹽濃差發電則是利用滲透壓差的不同把濃度差的勢能轉換成電能。至於為何需要緩壓操作呢?當以海水為進料進行滲透過濾操作時,隔開海水與河水的薄膜兩側達滲透壓平衡時的恆定壓差是24大氣壓,相當於240米的水頭(head),也就是兩側的水位高度差是240米高,約為臺北101大樓高度的一半。當薄膜兩側達滲透壓平衡時,若海水濃鹽水端出口維持在240米高,海水端的水是下不來的。

因此,海水端的出口必須往下降,才能把位能轉換成水向下流的動能。隨著出口往下降,水流量會逐漸放大,直到高度降至恆定壓差240米的一半即120米時有最大流量,就能取得最高電量。在實務操作時,並非在河川出海口築一道高牆置入半透膜進行海水滲透過濾,而是以類似海水淡化的螺捲式薄膜模組進行。因此,操作時為維持一般滲透壓的操作壓力,必須在海水濃鹽水端反向施加一個大小是滲透壓一半的壓力,以減緩海水的滲透壓達24大氣壓,使能維持最高出水量,也就是最大發電能力。

由海水滲透過濾操作可知,海水淡化的逆滲透操作能取出可用的水,但以海水與河水間的鹽濃度差進行緩壓正滲透操作,則能取出可用的電。利用海水滲透過濾的概念,不但可以取水還可以取電,可謂左右逢「源」─ 逆滲透取水(源)、正滲透取電(源)。

在實際運作方面,海水淡化逆滲透技術發展已超過一甲子,在全球穩定運轉中,且逐漸蓬勃發展。而緩壓正滲透迄今僅止於小規模的示範發電廠,主要的瓶頸在於高性能薄膜材料的開發與高效能能源轉換裝置的設計,這仍有賴科學家及工程師的共同努力。
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