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向大海要水喝 ,逆滲透海水淡化技術

台灣面臨嚴重的乾旱挑戰,利用海水淡化,已成為抗旱解渴的必要手段。但是,向大海要水喝並非像擰開水龍頭那麼容易。本文帶您認識現今海水淡化的主流技術——薄膜淡化,逆滲透法,並進一步討論海水淡化的安全性與適口性。
 
 
水資源得來不易,海水淡化,已成為抗旱解渴的必要手段。(圖 / Pixabay)
▲水資源得來不易,海水淡化,已成為抗旱解渴的必要手段。(圖 / Pixabay)
 
海水淡化新主流——薄膜淡化技術,逆滲透法
 
根據國際淡化協會(International Desalination Association, IDA)的統計,迄2013年為止,全世界共建成一萬七千座鹹水淡化廠,日產淡水八千多萬公噸,3億以上人口的生活離不開鹹水淡化。目前,約6成的淡化水源取自海洋。台灣面臨嚴重的乾旱挑戰,利用取之不盡、用之不竭的海水淡化,已成為抗旱解渴的必要手段。但是,向大海要水喝並非像擰開水龍頭那麼容易。

依分離鹽、水的驅動力,商業化的海水淡化製程可分為加熱法與薄膜法兩大類。加熱法是把鹹水先蒸發再冷凝以除去鹽分,有多級閃沸、多效蒸發、蒸氣再壓縮法等技術。加熱法需要大量的熱能,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。

薄膜淡化技術則以逆滲透法(reverse osmosis, RO)為主,是海水淡化技術的新主流,目前約有6成的淡化廠採用,且比重逐年提高。逆滲透法盛行的主要原因在於建廠快速、消耗能源較少、操作容易,大型逆滲透海水淡化廠的興建費用與產水成本已經低於其他海水淡化製程。

以逆滲透原理淡化海水

什麼是逆滲透?為什麼逆滲透可以化鹹為淡?滲透作用是指溶劑由較稀薄溶液(稱為低張溶液)通過半透膜進入較濃溶液(稱為高張溶液)的物理現象。半透膜是對於不同物質具有選擇性穿透能力的薄膜,例如只允許較小的溶劑分子通過,而較大的分子與溶質離子無法穿透的薄膜。滲透壓則是指欲抗衡溶劑分子經由半透膜進入高張溶液,所需施加於高張溶液的外界壓力。滲透壓的大小與溶液的濃度、溫度和溶質的解離度有關。

逆滲透法海水淡化是利用水分子及鹽類穿透逆滲透膜(RO膜)的能力差別很大,而得以分離水與鹽分。若在RO膜兩側分別放置淡水及鹽水,水分子會從淡水側穿透RO膜流向鹽水側,直到RO膜兩側的壓力差等於滲透壓時才達到平衡狀態。若在鹽水側施加大於滲透壓的壓力,則鹽水中的水分子會穿透RO膜流向清水側,這種現象就是逆滲透。

因此,逆滲透是一種以壓力差為驅動力,從溶液中分離出溶劑的薄膜分離操作。由於RO膜的微孔大小並非均一,難免有鈉離子及氯離子在受壓下滲入清水側成為「漏網之魚」。

在逆滲透海水淡化廠中,依處理流程的先後可區分為:原海水取水工程、海水前處理系統、逆滲透淡化機組與節能裝置、鹵水(濃縮鹽水)排放設施、淡化水水質調節、周邊輔助系統(自動控制及中央監控系統、受電配電系統、廢水處理設施、淡化水暫存槽及泵送站、RO膜清洗及貯藏設施、分析實驗室等)。其中,高壓泵及節能設備的效能會影響耗電量與產水成本,前處理系統的良窳則攸關RO膜的出水能力與使用壽命。以下就針對海水淡化廠的核心技術以及海水淡化水的安全性予以說明。
 
逆滲透海水淡化廠示意圖。(圖 / 國統國際股份有限公司)
▲逆滲透海水淡化廠示意圖。(圖 / 國統國際股份有限公司)
 
海水汲取、排放工程與鹵水資源化處理

原海水的汲取可分為:經由導水渠或取水管的明水抽取法,或透過沙灘井或滲濾管群的滲濾取水法二類。導水渠的設計及施工比較容易,投資費用也較低,常見於火力發電廠的冷卻水取水;但是取得的海水水質較差,懸浮固體、微生物、浮游生物、藻類的含量較多,水質的變化較大,前處理設施的負荷大。

取水管工法是在基地內開挖集水井,並從集水井內鋪設取水管到預定的海水深度,直接或透過特殊的取水頭抽取海水。它的缺點是取水頭及水管容易附生藤壺、貽貝、介殼類等,若不清理,日久會逐漸堵塞。

沙灘井取水法是在基地附近的沙灘開鑿豎井或斜井以抽取海水,因為單井的出水量有限,需要開鑿多個井,所以工程經費與抽取海水的動力費用通常高於直接抽取法。再者,沙灘井有使用年限,必須定期維護更新。

沙質海床則可以採用滲濾管集水,在海床底下掩埋多孔性的集水管群經由沙礫層的過濾淨化,從集水管內取得的海水水質較佳且穩定性高,淤泥含量低,藻類及浮游生物也少,可以降低前處理系統的負荷與操作費用,減少或避免化學添加劑對海域的汙染。但這種工法的工程經費高昂、施工期長、施作面積寬廣,施工期間是否會招來漁民抗議必須列入考量。

逆滲透海水淡化廠的鹵水藉由數百公尺長的管道排放入海,排放口要遠離取水口,以免高鹽度的鹵水被回抽進入淡化製程。逆滲透海水淡化廠對環境的衝擊,主要在於排入海域的高鹽度鹵水可能影響浮游生物的生長和繁殖。

原海水含鹽分3.5%,以淡水取水率40%計,鹵水的含鹽分約為5.8%,排放的鹵水的影響範圍僅是排放口周遭數十公尺。雖然相關的模擬分析顯示,只要選擇有良好稀釋效果的排放點,排放鹵水並不會對海洋的生態環境造成影響。即使如此,排放鹵水到海洋中仍然會引起主管機關、環保團體及漁民的關切。

其實,鹵水也是一項值得開發的資源。如果能夠以經濟有效的方式濃縮、富集(beneficiation)鹵水中的礦物質,就可以提取並轉化為有商業價值的產品,不但可以增加淡化水的產量,鹵水資源化處理也可以達到零排廢淡化或零排液海水淡化的終極目標,是當前重要的研究課題。

海水含有約90種元素,含量最高的4種金屬離子是鈉、鎂、鈣及鉀,是目前從鹵水中提取的主要成分。加入磷酸銨或鈉鹽,可與鈣、鎂離子反應生成鈣正磷酸銨鎂,是一種優良的肥料;若加入無氨磷酸鈉,就會生成含鈣的鉀鎂磷肥,再以碳酸氫銨溶液處理,轉化為磷酸銨鎂及碳酸氫鉀溶液,可以衍生諸多的鉀化學品。

原海水的前處理,過濾流程

逆滲透海水淡化常面臨一個嚴重的挑戰——RO膜堵塞導致產水量下降。造成堵塞的原因,一是鈣離子與鎂離子形成碳酸鹽或硫酸鹽(水垢)沉澱,堵住RO膜的微細孔,必須藉由化學清洗來恢復原來的功能;二是海水中的微生物大量繁殖,最終在RO膜表面形成一層無法清除的生物膜,RO膜就只能報銷。

原海水的前處理包括物理性的過濾淨化及化學性的阻垢、抑菌、抗蝕處理,以往的處理方法是借鑑地表水的淨水處理,採取殺生(消滅微生物及藻類)、沉澱、沙濾、微過濾、酸鹼調節的流程。

處理的流程是:先注入氯氣或次氯酸鹽之類的強氧化劑,以消滅水中的微生物;接著加入氯化鐵、聚氯化鋁之類的絮凝劑或混凝劑,以提升後續濾除懸浮固體、淤泥的效果。為了防止碳酸鹽或硫酸鹽沉澱在RO膜的表面,還必須添加硫酸以調節海水的酸鹼值,並加入阻垢劑、抗蝕劑等化學品。由於氯會嚴重破壞RO膜,又必須加入亞硫酸氫鈉或其他還原劑以消除海水中殘餘的氯。

經過重重淨化的海水在進入RO膜之前,還要通過一道微過濾,以確保它的品質合乎RO膜的進水要求。但是這種處理方法恰當嗎?會不會在解決一個問題時卻衍生更多的問題?

過濾是為了除去水中的懸浮物質與膠體,避免堵塞RO膜。但是,不適當的處理方法不但無法保護RO膜,過度使用化學品也會加速金屬的腐蝕。再者,殘留的化學品與衍生的鐵銹最終會隨著鹵水排放入海,可能危害當地海域的生態環境。有鑒於此,產業界開始嘗試使用超濾(ultra-filtration, UF)膜以取代傳統的多介質過濾,利用UF膜的超微細孔徑濾掉微生物。但是這種方法並未根本解決微生物造成的阻塞問題,只是把阻塞從RO膜移轉到也很昂貴的UF膜而已。

其實,傳統的多介質過濾仍是可靠有效的方法,只要設計得宜,配合微過濾就能達到RO膜對於水質的要求。以澎湖馬公的烏崁海水淡化機組為例,它的前處理系統運行十年來,並未添加任何化學藥劑,RO膜很少發生結垢或汙堵,RO膜的更換頻率遠低於台灣其他的逆滲透海水淡化機組。

前處理系統的設計必須考量原海水的水質特性,諸如微生物多寡、懸浮固體含量高低、酸鹼值、淤泥指數大小等,不能一概而論。從環境保育的觀點而言,非有必要絕不要添加化學品,即使無法避免時,也應儘量降低添加量並選用低毒性的化學品,以降低對周遭海域生態的可能衝擊。

RO膜

RO膜的分離機制包含物理性篩分作用、擴散係數差異,以及膜材帶電所引起的電性效應,但仍以篩分的作用最顯著。RO膜有如一個有著億萬個微孔的篩,每個篩孔的大小在1奈米(10-9 m)以下。人工合成有機高分子RO膜,肇始於1960年代的研究,但直到1980年代開發出透水性更高的聚醯胺複合薄膜之後,逆滲透海水淡化才有成本上的競爭力。

可製造RO膜的材料很多,但以醋酸纖維素和芳香族聚醯胺兩類最常見。醋酸纖維素RO膜的應用較早,優點是耐游離氯及不易結垢,缺點是不耐化學品、不耐溫、抗菌力差、pH值的適應範圍窄(避免水解)、性能衰退較快。芳香族聚醯胺RO膜的優點在於耐熱、化學穩定性佳、機械性質優、除鹽率高、滲透通量大、滲透選擇性高,以及pH值的適應範圍廣;缺點是對於氧化劑的耐受性差、薄膜容易結垢,以及對游離氯非常敏感。

從構造區分,RO膜有中空纖維及纏繞管兩類。後者是把RO薄膜纏繞成為圓管狀元件,以提高單位體積的膜表面積。生產纏繞管RO膜的廠商較多,雖然各家產品的除鹽率、滲透通量有所差異,但RO膜管的尺寸已經標準化,不同廠商的產品可以替換使用。目前RO膜的除鹽率已經高達99.5%以上,使用壽命可長達4年以上,淡化成本大幅降低且建廠的工期短,成本與技術的競爭優勢逐漸超越其他淡化技術。未來的RO膜研發方向,著重於改善滲透通量、降低操作壓力、提高除硼率,以及改善對於餘氯的耐受力。

節能技術與設備
 
安裝在澎湖馬公的逆滲透海水淡化機組。(圖 / 國統國際股份有限公司)
▲安裝在澎湖馬公的逆滲透海水淡化機組。(圖 / 國統國際股份有限公司)
 
如前所述,逆滲透海水淡化是依靠壓力差達到鹽水分離的目的,高壓海水泵是提升海水達到操作壓力的主要設備,也是逆滲透海水淡化機組的主要耗能設備。高壓海水泵有多級離心式及柱塞式兩類。離心式泵的優點是單機的流量可以很大,流量及壓力的波動很小;缺點是效率比較低,尤其是當運轉的狀況偏離最佳操作點時,泵的效率會大幅地降低。柱塞式泵的情形正好相反,效率很高且效率曲線平穩,流量的改變對效率的影響不明顯;但是單機的流量偏小,大型的海水淡化機組需要多台柱塞泵並聯運行。

海水淡化發展的最重要目標是降低產水成本,在諸多的成本要素中,能耗所占的比重可達4成以上,因此減少能耗是降低成本最有效的手段。例如電能用於提升進料海水的壓力到50 ~ 60 bar間,而從RO膜機組排放的鹵水壓力高達48 ~ 58 bar。如果以40%的取水率計算,高壓鹵水還蘊含約60%的進料海水的壓力能,若能把這部分能量變成進料海水的壓力,就可以大幅降低海水淡化的能耗。

能量回收裝置的作用是回收再利用高壓鹵水的壓力能,從而降低逆滲透淡化的能耗和產水成本。節能設備、高壓泵與RO膜是逆滲透海水淡化系統中的3大關鍵技術。隨著逆滲透海水淡化的日漸普及,各種形式的節能裝置也陸續出現,雖然名稱不一,但是按照它們的工作原理,能量回收裝置可區分為功移轉和壓力移轉兩大類。

功移轉
這是早期常使用的節能裝置,轉換過程需要經過「壓力能→機械能(軸功)→壓力能」兩個步驟。小型Pelton水輪機是常見的設備,其原理是以高壓鹵水衝擊並轉動水輪,然後透過齒輪組帶動高壓海水泵;水輪機輔助馬達推動高壓海水泵,可以減少馬達的動力消耗。由於功能轉換步驟多,動能損失及軸功的損耗導致能源回收效率僅約50%。

後來出現了水輪與水泵同軸構建的新穎設計,一體化封裝在同一殼體中。高壓鹵水衝擊水輪,直接轉動輪軸並帶動海水泵的葉輪,高壓鹵水的能量轉換成原海水的壓力,能源回收的效率可高達80%以上,這種裝置也稱為渦輪增壓機。

壓力移轉
1980年代出現了「壓力移轉」的能量回收新技術,通過隔離介面或甚至無介面,直接把高壓鹵水的壓力傳遞給進料海水,轉換過程簡化到「壓力能→壓力能」一步,能量回收的效率很高。這類稱作「等壓式」裝置的設備,又可分為轉子式和活塞式兩類壓力交換器。

轉子式壓力交換器的原理是高壓鹵水推動圓周開有多個縱向微型液缸的無軸陶瓷轉子旋轉,使多個微型液缸分別在兩側靜止的配流盤高壓區和低壓區交替轉換切入。進入高壓區的微型液缸進行能量傳遞向外排液,進入低壓區的微型液缸進行原海水補液,初步升壓的原海水需搭配增壓泵加壓以進入逆滲透系統。高壓鹵水與低壓原海水在多個微型液缸中的停留時間很短,兩種液體由一段封閉的「液體活塞」分開,單機的能量回收效率可達92%。

活塞式壓力交換器的工作原理是利用高壓鹵水推動壓力交換器中的活塞,壓縮原海水以提高其壓力,最終使兩者的壓力一致,再藉由增壓泵進一步提升原海水到所需的壓力。壓力交換器至少由兩個液缸配對組成,當其中一個液缸由高壓鹵水推動活塞加壓原海水時,另一個液缸中由進料泵送入原海水並排出低壓鹵水,兩液缸在閥門的控制下交替排補海水,實現把高壓鹵水能量移轉給原海水的過程。這類設備的效率最高可達98%。

活塞用於隔離高鹽度的鹵水與原海水,雖能避免或減少兩者摻混,卻是故障的來源,因此無活塞的壓力交換器也是另一種選項。

另外一種節能的思考方向是提高取水率以減少海水的抽取量,從而降低取水泵的功率消耗。但是,逆滲透的取水率受到二個因素制約。一是RO膜的阻塞風險,鹵水中的鈣、鎂及硫酸根離子濃度會隨著淡水提取率增加而升高,當達到飽和溶解度時就會沉澱析出,形成阻塞RO膜孔隙的水垢。

另一個制約因素是滲透壓會隨著鹵水濃度升高,系統的操作壓力必須相對提高。例如,當第一段逆滲透的取水率是40%時,系統的操作壓力約為60 bar;如果提升總取水率到60%,則第二段的逆滲透模組的操作壓力大約要90 bar,管道、能源回收器或RO膜管殼的耐壓要求會大為提高,系統的建設成本隨之增加,高壓泵消耗電能也增多。因此最適當的取水率必須審慎評估。

海水淡化廠與電廠共構也是可行的節能方案,水電共構聯產是指海水淡化廠和電廠比鄰而建、聯合生產。水電共構除了可以降低電力輸送成本外,以電廠水溫較高的溫排水做為逆滲透淡化的水源,能稍微降低逆滲透系統的操作壓力,可節省約5~10%的電力。此外,共用電廠的排水設施既可以免除重複建設的支出,且鹵水排放入海前經過大量溫排水的高倍率稀釋,可避免高鹽度差對海中生物的可能衝擊。

逆滲透淡化所消耗電力的多寡,主要取決於原海水的鹽濃度、RO膜的操作壓力與滲透通量。隨著RO膜性能的提升及節能技術的進步,逆滲透海水淡化的單位耗電量已經顯著下降。目前大型逆滲透海水淡化廠每公噸淡化水所消耗的電力,已由早年的8 ~ 9 kW降至目前3 kW的水準。

海水淡化的安全性及適口性
 
逆滲透淡化水是淡而無味的。(圖 / Pixabay)
▲逆滲透淡化水是淡而無味的。(圖 / Pixabay)
 
讀者必然會關心海水淡化水的水質,到底口味好不好?安不安全?長期飲用會影響健康嗎?首先,讓我們來探討安全性的問題。

膜分離是基於一種物理性的篩分原理,只允許比薄膜孔徑小的成分透過而阻擋比孔徑大或相近的成分。依照膜孔尺度區分薄膜,由小到大可分為逆滲透、奈米過濾、超過濾、微過濾等膜分離程序。RO膜的微孔孔徑在1奈米以下,遠比微藻類、細菌、濾過性病毒、毒素、化學物質、重金屬的尺寸還小,因此可以有效去除水中的各種汙染源與病原菌,可說是一種很安全的淨水技術。

由於海水中含有4 ~ 5 ppm的硼,海水淡化水的硼含量也難免引人注意。硼是動植物生長必需的微量元素,無論身體發育或體內平衡,硼都是不可或缺的一部分;植物要正常生長及結果一樣需要硼。然而,水中若含有過量的硼,長期飲用或灌溉都可能有不良影響。美國環保署認定經由飲用水的硼攝取,單日硼濃度4 mg/L或十日硼濃度0.9 mg/L的暴露量不會引起孩童的不良反應;而終生暴露在硼濃度1 mg/L下的飲用水,不會對成人造成不良反應。

目前部分國際組織及國家已經制訂飲用水的硼含量限值,例如世衛組織(WHO)的上限是2.4 ppm,歐盟限定1.0 ppm,美國各州介於0.6 ~ 1.0 ppm之間,部分國家則低達0.5 ppm。我國僅對灌溉水的硼含量訂有標準,103年修訂的「飲用水水質標準」中,並無硼含量的規定。目前已有多種高除硼率的RO膜問市,可去除90%以上的硼。海水淡化水的硼濃度可符合WHO、歐盟及先進國家的飲用水水質標準。

特定產業的製程對硼非常敏感,例如半導體、面板的生產,因此對製程用水的硼含量有非常嚴格的要求。海水淡化水無法直接用於這類有特殊需求的產業,但是可以在生產純水的製程中,以離子交換樹脂在適當的酸鹼性條件下,有效地除去水中的微量硼。

至於海水淡化水的口味如何?我們知道山泉水之所以甘甜,是因為山泉水中含有適量的礦物質成分。然而經過逆滲透除鹽的淡化水,海水中的鈣、鎂都已經完全去除,因此逆滲透淡化水是淡而無味的。若是做為民生用水,淡化水可與硬度較高的自來水混合,截長補短以改善水質,日本沖繩的海水淡化廠就是最佳實例。另外一種方式是再礦化處理,讓淡化水流經白雲石或石灰石的礫石床以提高硬度,既可改善適口性,也能降低它對管道的腐蝕作用。
 
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