TW201350440A

TW201350440A - 電透析污水處理裝置及其處理方法

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Publication number: TW201350440A
Application number: TW101121279A
Authority: TW
Inventors: Wei-Ping Li
Original assignee: Wei-Ping Li
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-16
Also published as: TWI452017B

Abstract

本發明提供一種電透析污水處理裝置，包含：正/負電極；複數分隔膜間隔設置於正/負電極之間，藉以令該正/負電極之間區隔為第一區域及兩第二區域；一第一導體，其係設置於該第一區域內。有鑒於傳統電透析法之缺陷與陰/陽離子交換膜過於昂貴等問題，本發明藉由在第一區域內設置第一導體，使第一區域的平均電阻率小於第二區域之平均電阻率。當通入一電流時產生的電壓差，可使第一區域的陰/陽離子往第二區域移動，藉以達到分離的目的。據此，本發明可大幅降低傳統電透析法所需之成本與電能，並將其應用於海水淡化上。

Description

電透析污水處理裝置及其處理方法

本發明係關於一種電透析汙水處理裝置及其方法，尤指一種利用導體使不同區域間產生電阻率差的電透析汙水處理裝置及其方法。

電透析法(electro dialysis,ED)係將無數的陰/陽離子交換膜交錯的串聯在一起，電解質溶液可在交換膜之間流動，當兩側施以直流電電壓後，利用「陽離子只能穿透陽離子交換膜且陰離子只能穿透陰離子交換膜」之特性，使得水中的陽離子僅能通過陽離子交換膜而無法通過陰離子膜，並使水中的陰離子僅能通過陰離子交換膜而無法通過陽離子交換膜，藉以分離出低電解質濃度的溶液(即，淡水)與高電解質濃度的溶液(即，海水)，達到污水處理之目的。

電透析法屬於薄膜製程(Membrane process)的一種，早期運用於鹽水(Brackish water)的去礦化處理(Demineralization)，以製成飲用水。商業化的電透析製程始於1960年代，其中往復式電透析法(Electrodialysis Reversal,EDR)可大幅改善積垢的問題，已成為電透析法之主流技術。1980年代時，EDR因使用脂肪質陰離子薄膜(Aliphatic anion membrane)的緣故，更得以有效解決各種問題，例如：懸浮物質、有機物、含礦物質之排放等。

由於海水中所含的溶解性固體總量(total dissolved solids,TDS)較高，若使用電透析法淡化海水，每噸海水所需耗費的電量較RO法高，並不符合經濟效益，使得電透析法僅能應用於TDS較低的鹹水淡化工作。

傳統計算電透析法之實際效率的公式係如下所示：其中，ζ代表實際利用效率；z代表離子電荷數；F代表法拉第常數，96485 Amp-s/mol；Q_f代表脫鹽水流速，單位：L/s；代表入口脫鹽水之濃度，單位：mol/L；代表出口脫鹽水之濃度，單位：mol/L； N代表陰/陽離子交換膜的對數；I代表電流；亦即，電透析之實際效率=排除的鹽離子電量/(陰/陽離子交換膜的對數X輸入的電流)。

目前對電透析法之理解，認為陰離子遇到陽離子交換膜或陽離子遇到陰離子交換膜時會往回彈並不合理。因為，陰/陽離子背後仍受到同性電極的斥力以及前方異性電極的吸引力，因此，陰/陽離子不可能會被往回彈，最多就是停留於原地不動而已。據此，前述之現象才是符合電場公式的情況，亦即，正電極與負電極之間的電位差必然引起陰/陽離子間的流動。雖然，陰/陽離子的排列與離子交換膜本身的電性有所違背，但由於正電極與負電極仍持續提供電流，因此可以抵消陰/陽離子交換膜本身的電性。

換言之，傳統陰/陽離子交換膜選擇性讓離子通過的說法並不合理。負離場從負電極往正電極移動，由於負電場是由負離子傳遞過去的，若陰離子無法通過陰離子交換膜，應如何將負電場繼續往正電極方向傳遞。同理，正電場亦是如使。若是如此，整個系統成為一個絕緣的系統，當電流無法通過時前述計算實際效率的公式完全無法解釋此種現象。因此，顯然目前對傳統電透析原理的觀念並不正確。

為了探究電透析法真正的原理，必須先了解陰/陽離子交換膜是一種具有相當導電性與具有許多孔隙的極性樹脂，其能允許夠讓陰/陽離子通過，是一種具有陰/陽電性的多孔隙隔絕層。

當溶液中的陽離子被負電極吸走後，釋放出的負離子因庫倫定律異性互相吸引的原理，而朝向正離子相互靠近。由於離子交換膜帶有電性，依據庫倫定律同性相斥異性相吸的原理，正離子由於承受著斥力而降低減緩移動的速度，而陰離子因為異性相吸則加快了前進的速度。

於是，陰/陽離子會在陰/陽離子交換膜的孔隙處發生電性中和。由於陽離子的速度比較小，會被陰離子反推回去，而其後側的負離子便會繼承原本陰離子的能量，繼續往後方移動，如同牛頓鐘擺一樣。

據此，溶液中不斷重複前述過程，直到其中一個陰離子被推出離子膜，使一個陰離子往前移動，而陽離子的動能卻因為被陰離子抵消而停留不動。

若為陰離子交換膜，由於其電性為負，則前述情形便相反過來，變成陽離子向前移動，而陰離子的動能卻因為被陽離子抵消而停留不動。

由於外部所施壓的電壓差必然高於離子膜間的電壓差，因此，離子交換膜本身的電性並不足以完全阻擋同性離子向前進。但是，離子交換膜本身的電性仍會對不同電性的離子造成不同的阻力，而這些阻力差所產生的速度差(也可以說是能量差)，便是主導陰/陽離子最後聚集在不同區域的原因。

當一分離槽中包含一道離子交換膜時，可以允許一種離子通過；當一分離槽包含兩道離子交換膜時，便可以允許兩種不同的離子分別移動到不同的區域。此外，輸入多少電流，等於同時輸入同樣數量的正負離子流。所以，有幾道離子交換膜，就能夠分離出幾道不同的離子流，陰/陽離子流除以二才等於電流，據此，上述計算電透析法實際效率的N×I完全可以被合理化的解釋。

因此，可以確定的是，陰/陽離子交換膜對不同電性離子所造成的阻力差，造成了陰/陽離子流的流速不同，其所產生的壓差，便產生了將離子分離至不同區域的效果。由於離子流等於電流，換言之，離子流的阻力差其實就是電阻差；同理，離子流的壓差其實就是電壓差。亦即，所謂電透析法是利用陰/陽離子交換膜本身具備的電性，造成一種針對陰/陽離子有不同電阻值的透膜，也就是所謂的可變電阻，藉以產生電阻差，進而造成電壓差，而達到離子分離的目的。

更進一步而言，由於V=IR，在通入有一電流的情況下，電阻差會產生電壓差，而該電壓差所產生電流即為造成離子流相互分離的動力來源。

由於離子本身就有質量，電動勢本來也就是一種力，因此上述情況可經由慣性定律得到解釋，因此電阻差必然會產生電動勢，而使得離子聚集到預定的區域。

此外，上述理論亦可經由脫鹽率來達到驗證。所述之脫鹽率就理論而言，是輸入多少電流便能轉換多少鹽份。然而，傳統電透析法的脫鹽率僅能到達約80%，倒極式電透析法可提升至90%。當電透析到達一定的程度時，不論再輸入多少電流，也無法繼續進行脫鹽的工作。這種現象，傳統是將其解釋成因為水流的擾動或是濃度差之間的逆滲透壓所造成。

然而，滲透壓並不會有上述這種情況。滲透壓是正比於濃度差/兩點之間的距離，它是存在著線性的關係，當變化的曲線是升幕曲線時，某種因素讓電流通入到一定程度時，造成離子分離的原理完全失去效果了，因此再怎麼通入電流都沒有用。然而，若以電阻差的情況來解釋，便完全合理。當一區域的水被稀釋時，平均電阻率會提高；而另一邊則因為濃度增加而平均電阻率降低。

當兩區域之間的電阻差到達一定程度時，便正好與陰/陽離子交換膜所產生的電阻差相互抵消，當兩者的電阻差抵消時，不論輸入再多的電流都無法產生電壓差，自然就無法造成離子流差別流動，從而失去分離的效果。因此，可以確定的是，電透析法的真正原理在於利用電阻差達到分離的目的，而非陰/陽離子交換膜。

據此，本發明之主要目的在於提供一種有別於現有技術之電透析污水處理裝置及其處理方法，其可大幅提聲電透析的分離效果，由於本發明不需使用任何昂貴的陰/陽離子交換膜，因此可以使電透析膜能夠應用於淡化海水，提供一種更符合經濟效應的污水處理裝置與方法。

為達成前述目的，本發明提供一種電透析污水處理裝置，包含：一電極組，其係包括一正電極及一負電極，其中該正電極與該負電極係分別設置於該電透析污水處理裝置之相對應的兩側；至少兩分隔膜，其係間隔設置於該正電極與該負電極之間，藉以令該正電極與該負電極之間區隔為一第一區域及兩第二區域，其中該第一區域係形成於該等第二區域之間；一汙水入口，其係與該第一區域及該等第二區域相連通；一第一導體，其係設置於該第一區域內；一淡水出口，其係與該第一區域相連通；一濃水出口，其係與該等第二區域相連通；以及一電源供應器，其係與該電極組之正電極及負電極相連接，以形成一電性迴路。

較佳的，該電透析污水處理裝置更包含兩第二導體，其係分別設置於該等第二區域內，且該等第二導體之體積係分別小於該第一導體之體積。

較佳的，該等第一導體及該等第二導體可為不銹鋼；或者，該等第一導體及該等第二導體可為一鐵網。更佳的，所述之鐵網係呈摺疊狀設置於第一區域或第二區域內。

較佳的，該電透析污水處理裝置更包含至少一隔板緊鄰於該至少兩分隔膜。

於本說明書中，所述之分隔膜係為一種允許陰/陽離子來回穿梭的物質；所述之隔板係由一種不透水的材質所製成。

較佳的，該至少一隔板係形成有複數孔洞，且該第一導體及該等第二導體係對應設置於該等孔洞旁。

較佳的，該至少兩分隔膜之厚度可介於1 mm以下。

較佳的，該電透析污水處理裝置更包含一電源供應器，該電源供應器係與該正電極及該負電極相連形成一電性迴路，藉以令該電透析污水處理裝置之第一區域的平均電阻率小於該等第二區域之平均電阻率。

為達成前述目的，本發明另提供一種電透析污水處理裝置，其係包含下列步驟：提供一如前所述之電透析污水處理裝置；將一欲處理的汙水由該電透析污水處理裝置之汙水入口通入；由該電源供應器通入一電流，藉以令該電透析污水處理裝置之第一區域的平均電阻率小於該等第二區域之平均電阻率；以及該欲處理的汙水中之陽離子與陰離子係分別由第一區域往負電極與正電極移動，藉以由該淡水出口收集一淡水，並由該濃水出口收集一濃水。

較佳的，本發明電透析污水處理裝置之電極組的正電極與負電極亦可相互對換，以設計成一種倒極式電透析裝置，進而提升污水處理的效率。

綜上所述，本發明藉由在第一區域內設置一第一導體，即可使第一區域與相鄰的兩第二區域之間同時產生電阻率差，使汙水中的陽離子與陰離子分別由第一區域往負電極與正電極移動，使陽離子與陰離子同時集中於第二區域內，藉以達到分離的工作。

據此，本發明之電透析處理裝置及其方法可在不需使用昂貴的透析膜情況下，藉由第一區域與第二區域之間的電阻率差，即可於淡水出口收集得到一淡水，並由該濃水出口收集得到一濃水，完成汙水處理之工作。

以下，將藉由具體實施例說明本發明電透析處理裝置及其方法的實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本發明所能達成之優點與功效，並且於不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本發明之內容。

本發明電透析污水處理裝置包含一電極組、複數分隔膜、汙水入口、複數第一導體、複數第二導體、淡水出口及一濃水出口。

請一併參閱圖1A及圖1B所示，其係為本發明電透析污水處理裝置之一實施態樣。所述之電極組包括一正電極111及一負電極112。其中，正電極111與負電極112係分別設置於該電透析污水處理裝置1之相對應的兩側。

所述之複數分隔膜121係間隔設置於正電極111與負電極112之間，藉以令該正電極111與該負電極112之間區隔為複數第一區域R1及複數第二區域R2。其中，該等第一區域R1與該等第二區域R2係相互間隔設置，且該第一區域R1係形成於該等第二區域R2之間。於本實施態樣，鄰靠正電極111與負電極112係為第二區域R2。

此外，於該等分隔膜121旁更進一步緊鄰設置有一隔板122，且該隔板122具有複數孔洞123，並使該等第一導體14及該等第二導體15分別對應設置於該等孔洞123旁。

於此，所述之隔板可進一步提升正陰離子之分隔效率，但本發明亦可使用不具隔板之電透析污水處理裝置完成污水處理的工作。

所述之污水入口13係與該等第一區域R1及該等第二區域R2相連通，用以將一污水通入本發明電透析污水處理裝置之該等第一區域R1及該等第二區域R2中，以進行後續電透析污水處理工作。於此，通入第一區域R1與第二區域R2的污水可為海水。

於本實施態樣中，第一區域R1內係設置有複數第一導體14，且第二區域R2內係設置有複數第二導體15，且第二導體15之體積係小於第一導體14之體積。

該等第一區域R1分別設有一輸出口，其係與一淡水出口16相連通，用以收集處理後之淡水；且該等第二區域R2亦分別設置有一輸出口，其係與一濃水出口17連接，用以收集處理後的濃水。

以下，將藉由圖1A、圖1B及圖2，以處理海水為例詳細說明本發明使用電透析污水處理裝置進行電透析污水處理方法的過程。

如圖2所示，收集的海水可視情況而定先進行所需之預處理步驟，例如：混凝、沉澱、砂濾等。之後，將經過預處理後之海水通入一儲槽中儲存。

接著，進一步過濾經過預處理後之海水中的雜質，以獲得一欲處理的海水，再將欲處理的海水由圖1A之污水入口13通入。

之後，由一與正電極111及負電極112連接之直流電源供應器通入一電流，由於前述第一導體14與第二導體15係分別設置於第一區域R1與第二區域R2內，使第一區域R1的平均電阻率小於該等第二區域R2之平均電阻率，當電流通入時，便能產生電壓差，使第一區域R1的海水之陽離子與陰離子分別受到負電極112與正電極111的吸引，大量往鄰近的第二區域R2集中，達到離子分離的目的。

藉此，使用本發明電透析污水處理裝置進行污水處理，可在不需使用昂貴的陰/陽離子交換膜的情況下，藉由第一區域R1及第二區域R2間產生的電阻率差，即可自與第一區域R1相連通之淡水出口16收集得到一淡水，並自與第二區域R2相連通之濃水出口17收集得到一濃水，完成本發明電透析污水處理工作。於此，收集得到的濃水中係富含大量的鈉離子(Na⁺)、鈣離子(Ca²⁺)、氯離子(Cl^-)、硫酸根離子(SO₄ ^2-)及CO^2-。

請特別參閱圖1B，更進一步說明本發明污水處理的過程。於本實施態樣中，係於隔板122的複數孔洞123旁設置多排第一導體14及第二導體15。

當一直流電源供應器與正電及111及負電極112連接並且通入電流時，第一區域R1及第二區域R2之間產生電阻差時亦會形成電壓差，此時，離子流就會開始由平均電阻率較低的區域(即，第一區域R1)往平均電阻率較高的區域(即，第二區域R2)。

依據電阻公式：電阻=電阻率×電阻長度/截面積。當截面積越小時，電阻越大。換言之，於本發明電透析污水處理裝置中，將第一導體及第二導體分別設置於隔板的孔洞，相當於在第一區域極第二區域內設置了許多並聯的電阻。

並聯的電阻值為各電阻導數的總和。假定第一導體外其他區域的電阻值為無限大，則總電阻R=1/R1+1/無限大=1/R1+0=1/R1。換言之，第一區域內電阻最大值至多也僅為所有第一導體電阻值的並聯總和值，其係小於第二區域的電阻值。即便逆滲透膜的電阻值會產生影響，第二區域也存有孔洞開口會增加電阻的問題，因此兩者逆滲透膜所產生的電阻差可以相互抵消。

因此，當通有一電流時，第一區域與第二區域間的電阻差會產生電壓差，使得第一區域內的陰/陽離子不斷地往第二區域移動，產生分離的效果。

當使用304不銹鋼作為第一導體及第二導體時，假設304不銹鋼之尺寸是厚為1毫米，長為1公尺，寬為20公分，其電阻率約為每米每平方毫米0.73歐姆，則一導體的總電阻僅約為0.00365歐姆。當具有N個導體時，還要再除以N的數量才可得到其總電阻值。

因此，基本上，可以假定第一區域(低電阻區)的電阻值係趨近為零。第二區域(高電阻區)有多少電阻，也一樣可以把第二導體的部份視為零，只計算溶液區域的電阻值，即為第一區域與第二區域之間的電阻差。

於本實施態樣中，以海水為例，海水的電阻率是25歐姆cm/cm²，亦即，每公分長的海水在每截面積1cm²的情況下之電阻率係為25歐姆。

據此，海水與304不銹鋼的電阻差則為(25/0.73)×(100 cm/1 m)/(1 cm²/100 mm²)=342465倍。由此可知，海水與304不銹鋼的電阻差有多大。因此，使用第一導體來產生電阻差，所減少的電阻值(或能量損耗)至少也是傳統電透析法的90%以上。

當電流通入時，便能產生電壓差，電阻差產生將離子分離的電壓差，此電壓差會以輸入電流一樣的電流量，在電阻差產生的位置產生電壓，而把離子流逼出電阻區。

當兩個不同區域之間產生濃度差時，依據擴散定律，鹽分子會從高電阻區回流到低電阻區，如圖1A所示之分隔膜，電壓差的壓力足以迫使離子強行穿越這層分隔膜，這層分隔膜就能阻擋離子回流，而完全達到離子分離的效果。

於本發明中，分隔膜的材質可為任何具有小孔隙的薄膜，例如：布、小濾網等。由於分隔膜本身會產生不小的電阻值，所以必須將薄膜的厚度控制於1 mm以下，才不會增加過多第一區域的電阻值，而減少第一區域與第二區域之間的電阻差。

再者，為了提高污水處理的效率，電極組隔一段時間必須轉換電性，亦即倒極式設計，使離子流的交換能夠更為順暢。

請參閱圖3所示，其係為本發明電透析污水處理裝置之另一實施態樣。為更進一步詳細描述污水處理中正陰離子的移動方向，圖3係省略了電透析裝置的污水入口、淡水出口及濃水出口。

請參閱圖3所示，該正電極311及一負電極312。其中，正電極311與負電極312亦分別設置於該電透析污水處理裝置3之相對應的兩側。

於本實施態樣中，該電透析污水處理裝置包含兩分隔膜321，其係間隔設置於正電極311與負電極312之間，藉以令該正電極311與該負電極312之間區隔為複數第一區域R1及複數第二區域R2。其中，該第一區域R1係形成於該等第二區域R2之間，且該等第二區域R2係鄰靠正電極311與負電極312。

於本實施態樣中，第一導體34係設置於第一區域R1內，而第二區域R2內係不設置有其他導體。據此，當一電流通入時，由於第一導體受到正電極311與負電極312之影響，導致第一區域R1之平均電阻率係小於第二區域R2之平均電阻率。

據此，存在於第一區域R1(即，低電阻區)的離子解離速度較快，而第二第二區域R2(即，高電阻區)的離子解離速度較慢，由於不同的離子解離速度使得第一區域R1與第二區域R2之間產生壓差，進而產生離子流流動，而使得陽離子與陰離子分別往負電極312與正電極311移動而達到分離的效果。

更進一步而言，由於第一導體係設置於第一區域內，使得第一區域內之平均電阻率係小於第二區域R2之平均電阻率。當一電流通入時，若電流(I)固定時，第一區域之電壓亦小於第二區域之電壓。根據電能公式：功率(W)=電壓(V)×電流(I)，第一區域之電能亦小於第二區域之電能。

因此，當電流通過欲處理之污水時，由於能量是藉由離子流動而傳遞，根據能量不滅與能量守恆定率，高能量的第二區域必然持續得到正陰離子，否則將無法維持較高的能量；而低能量的第一區域必然是不持續地失去正陰離子，否則亦無法維持較低的能量。換言之，存在於第一區域的正陰離子會受到第一區域與第二區域之間的電阻差不斷地往第二區域移動，達到污水處理之目的。

據此，本發明僅需通入電流、使用第一導體及分隔膜，其可透水的分隔膜只要能夠抵消前述滲透壓的壓差，即可確保污水處理的工作得以順利進行。

透過盡量減少電阻差的範圍，本發明電透析處理方法所需要的電能就越少，電阻差只需要大到能讓離子流穿過分隔膜所需之大小即可。因此，使用本發明電透析污水處理裝置進行污水處理工作，不論是成本和電能的消耗都可以大幅的降低，使電透析法更加符合經濟需求。

於電透析的實際效率上，傳統電透析法之電阻差是由離子流創造出來，只能將水質處理到十萬歐姆米的水質程度，當水質越高電阻越大時，當然就越難處理。

相反地，本發明電透析污水處理方法的電阻差是藉由第一導體與離子溶液之間的電阻差所創造出來的。如前所述，離子溶液的電阻即使無限大，本發明也能夠順利處理，而且不需耗費過多的電能。

請參閱圖4所示，其係為本發明電透析污水處理裝置之又一實施態樣。如前述實施態樣，本實施態樣之電透析污水處理裝置4亦包含有如前所述之正電極411、負電極412、複數分隔膜421、汙水入口43、淡水出口46及濃水出口47。

其不同之處在於，本實施態樣之電透析污水處理裝置4可不需額外設置分隔板，亦可完成污水處理的工作。此外，設置於第一區域R1及第二區域R2內的第一導體44及第二導體44係為摺疊之鐵網，其可允許電流與水流通過。

據此，在第一區域及第二區域內設置摺疊之鐵網，可讓電流不要以離子溶液做為導體，就足以讓傳統電透析法省下至少90%以上的電能損耗。

綜上所述，本發明利用第一導體與離子溶液之間的電阻差，當通入一電流時電壓差會把離子流逼出第一區域，進而達到離子分離的效果。本發明電透析污水處理方法不但可以應用於海水淡化上，對於汙水處理的效果更是成功。其能以非常低的成本處理大量的污水中僅含有微量汙染毒物的廢水，污水處理效果甚強，甚至可以應用於處理核子廢水。據此，本發明著實提升傳統電透析法的應用領域與分離效果，由於本發明不需使用昂貴的陰/陽離子交換膜，故可大幅降低污水處理所需耗費之成本與電能，進而提升電透析污水處理方法的應用價值。

1‧‧‧電透析污水處理裝置

111‧‧‧正電極

112‧‧‧負電極

121‧‧‧分隔膜

122‧‧‧隔板

123‧‧‧孔洞

13‧‧‧污水入口

14‧‧‧第一導體

15‧‧‧第二導體

16‧‧‧淡水出口

17‧‧‧濃水出口

R1‧‧‧第一區域

R2‧‧‧第二區域

311‧‧‧正電極

312‧‧‧負電極

321‧‧‧分隔膜

322‧‧‧隔板

323‧‧‧孔洞

34‧‧‧第一導體

4‧‧‧電透析污水處理裝置

411‧‧‧正電極

412‧‧‧負電極

43‧‧‧污水入口

44‧‧‧第一導體

45‧‧‧第二導體

46‧‧‧淡水出口

47‧‧‧濃水出口

圖1A係為本發明一實施態樣之電透析污水處理裝置的示意圖。

圖1B係為本發明一實施態樣之電透析污水處理裝置之細部結構示意圖。

圖2係為本發明電透析污水處理方法之流程圖。

圖3係為本發明另一實施態樣之電透析污水處理裝置之細部結構示意圖。

圖4係為本發明又一實施態樣之電透析污水處理裝置的示意圖。