薄膜程序應用 (AWWA,1995) 2

100 年度 園區廠商節水節能減碳輔導計畫 - 節水教育訓練 EDR 水處理技術之運用與案例介紹 報告人 : 梁德明 工研院能環所 水科技組 100 年 10 月 21 日 1

薄膜程序應用 (AWWA,1995) 2

薄膜種類 3

薄膜技術脫鹽成本 400 Ion exchange Desalination Cost (NT/M 3 ) 80 30 Electrodialysis Reverse osmosis Multi-effect evaporation 8 1 5 10 50 100 Salt concentration (g/liter) 4

分離原理 電透析 (electrodialysis, ED) 電透析處理技術是利用不同特性的薄膜對水中的離子作分離選擇, 水中離子的移動則是靠正負直流電來當吸引的驅動力 倒極式電透析 (electrodialysis reversal, EDR) 倒極式電透析是將電透析處理技術作進一步修正, 乃利用直流電正負極和內部導流的切換來延長薄膜使用壽命 5

1. 電透析原理 分離原理 利用陽離子只能穿透陽離子交換膜, 而陰離子只穿透陰離子交換膜的特性, 在外加直流電場的作用下, 水中的陰離子移向陽極 陽離子移向陰極, 最後得到淡水及濃水, 達到淡化除鹽的目的 Cl - Na Cl - Cl - Na Na Cl - - - - - - Na - - - - - Na Cl - Cl - Na Cl - Cl - Na - Ionic permselectivity of ion-exchange membranes Anion exchange membrane Cation exchange membrane Anion exchange membrane 6

離子交換膜的分類 膜中所含官能基的種類 (1) 陽離子交換膜 : 含酸性官能基的膜, 如強酸性磺酸型 (2) 陰離子交換膜 : 含鹼性官能基的膜, 如強鹼性季銨型 - - - - COO- SO 3 - N - - - - - - - Cation exchange membrane Anion exchange membrane 7

分離原理 Cation exchange membrane Anion exchange membrane Cation exchange membrane Anion exchange membrane --------------------------------------------------- 8

Concentrate 分離原理 Cation exchange membrane Dilute Anion exchange membrane Concentrate Cation exchange membrane Anion exchange membrane --------------------------------------------------- 9

分離機制 Salt and water Salt and water water water Anions Cations P P E E Salt Reverse Osmosis Water Electrodialysis 10

允許進水水質差異 11

膜過濾器量筒壓力 SDI test 進氣閥壓力計樣品閥薄空壓機 鋼瓶 12

電透析模組示意 淡水 濃水 A C A C A C 陽極 極淡濃淡濃淡極 室室室室室室室 - - - - - - 陰極 極水 A: 陰離子交換膜 C: 陽離子交換膜 極水 原水 原水 13

電透析 14

實驗室研究 EDR 薄膜面積 : 20cm x 40 cm EDR 薄膜對數 : 20 對 處理量 : 100 l/hr EDR 技術研發 模型廠試驗 EDR 薄膜面積 : 30 cm x 60 cm EDR 薄膜對數 : 100 對 處理量 : 20 m 3 /day 實廠驗證 EDR 薄膜面積 : 80 cm x 160 cm EDR 薄膜對數 : 450 對 處理量 : 450 m 3 /day 15

EDR 系統 控制盤 電源供應器 砂濾 原水 EDR 淡水 工業廢水 濃水 濃水 藥槽 16

不溶性陽極 ( 在網板內 ) 離子交換膜 膜組 (500 m3/day) 倒極控制器 電源供應器 電腦自動操作記錄 膜堆 17

實場 EDR 設備 三級三段 EDR 膜組 級 / 段總膜對數產水量膜面積極限操作電壓 3 級 3 段 450 200m 3 /day 160cm x 80 cm 160-180V 18

實場 EDR 設備 19

EDR 操作參數 20

EDR 膜組串連與並聯 21

EDR 設計與操作 水質 / 水量 用途 回收率 脫鹽率 模組安排電流與電壓斷面流速的控制搭配前處理技術 ph 控制倒極頻率酸洗週期 On-line 監測與控制 生物滋生沉積防止 結垢防止 22

應用實績 地下水脫鹽工程 (50CMD,2003) 河川水混凝沉澱脫鹽工程 (2400 CMD,2003) 冷卻循環水脫鹽循環使用工程 (500 CMD, 2003) RO 濃縮水 EDR 脫鹽回收工程 (300CMD, 2004) RO 濃縮水 EDR 脫鹽回收工程 (300 CMD, 2005) 工業廢水脫鹽回收 (200 CMD, 2006) 晉億公司螺絲製造廢水脫鹽回收 (450 CMD, 2007) 日東精密螺絲製造業廢水脫鹽回收 (350 CMD, 2007) 瑞升電子含銅清洗水回收 (1000 CMD, 2008) 含氟清洗水脫鹽再生回收 (600 CMD,2008) 中鋼公司直接冷卻水脫鹽回收 (560CMD,2008) 義芳化學工業用水脫鹽回收 (400 CMD, 2010) 集盛實業公司廢水回收 (1200 CMD, 2011) 23

實績照片 24

案例 1. 鋼材直接冷卻水塔循環水 2. 電器業冷卻水塔循環水 3. 電鍍業冷卻水塔循環水 4. 石化業廢水與冷卻水回收 5. 西班牙都市汙水回收灌溉 25

案例 1 中國鋼鐵股份有限公司 200D 直排水回收設備 EDR 實場照片 26

EDR 應用 直接冷卻水回收 HCl 酸洗 200D 直排水 複合濾材過濾器 精密過濾器 原水槽 原水 極水 濃水 EDR 淡水 極水 濃水 淡水槽 原水槽 濃水槽 回用 原水補充 清洗排放 1.5m 3 /hr 濃水槽 排放至工業廢水道 流量 PH 電導率總硬度 Cl - SO 4 2- 原水水質 : 35 : 8.5 : 1800 : 400 : 280 : 340 m 3 /hr μs/cm mg/l mg/l mg/l 流量 PH 電導率總硬度 Cl - SO 4 2- 濃水水質 : 8.5 : 8.5 : 6100 : 1500 : 1100 : 1000 m 3 /hr μs/cm mg/l mg/l mg/l 流量 PH 電導率總硬度 Cl - SO 4 2- 處理後水質 : 25 : 7.5~8.5 : 350 : 50 : 30 : 120 m 3 /hr μs/cm mg/l mg/l mg/l 27

案例 1 鋼材直接冷卻循環水水質結果 樣品名稱 ph COD (mg/l) SS (mg/l) SO 4 2- (mg/l) Cl - (mg/l) Ca 2 (mg/l) Mg 2 (mg/l) Na (mg/l) 原水 8.5 24 4 316 298 124 12 188 淡水 6.2 11 -- 112 21 11 0.5 42 1800 1600 1400 電導度 (us/cm) 1200 1000 800 600 400 200 原水 EDR 產水 0 6 月 13 日 6 月 14 日 6 月 15 日 6 月 18 日 6 月 19 日 6 月 20 日 6 月 21 日 6 月 22 日 28

案例 1 操作成本分析 電費 藥品費 維修費用 設備攤提 合計 ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) EDR 1.13 0.77 4.25 5 11.15 29

案例 2 電器業冷卻循環水 新真空爐 砂濾塔 自來水槽 E.D.R. 儲水塔循環水槽舊真空爐地下集水坑 冷卻水塔 本體車間 當循環水電導度高於 250µ s/cm 時, 迴流至 E.D.R. 再精製 電氣用品製程用水再利用處理流程圖 30

案例 2 原水水質 EDR 進水水源為 : p H : 7.1 M 鹼度 : 78.3 mg/l 電導度 : 710 μs/cm 總硬度 : 147 mg/l 全鐵 : 0.24 mg/l 氯離子 : 60.1 mg/l SO 4 2- : 155 mg/l 31

案例 2 EDR 系統圖 自來水儲槽 精密過濾器 EDR 設備 循環水儲槽 20T 電導度計 自來水水質 電導度 : 710 μs/cm 總硬度 : 150 mg/l 氯離子 : 130 mg/l 處理後 水槽 現場機台設備 冷卻水塔 EDR 處理後水質 電導度 : 200 μs/cm 總硬度 : 50 mg/l 氯離子 : 15 mg/l 當水質偵測器偵測到循環水質電導度偏高時, 會自動把水倒入 EDR 再做處理, 使電導度控制在 200μs/ cm. 32

33 7.9 7.5 05.10.27 7.74 8.04 05.9.29 6.32 7.66 05.8.20 6.18 7.72 05.7.23 6.55 6.97 05.6.23 7.08 6.68 05.5.28 7.4 7.68 05.4.30 7.23 7.68 05.3.26 7.36 7.28 05.2.25 ph ph 淡水自來水檢測項目日期 ph 0 2 4 6 8 10 05.2.25 05.3.26 05.4.30 05.5.28 05.6.23 05.7.23 05.8.20 05.9.29 05.10.27 自來水淡水 EDR 分離功能案例 2

34 198 603 05.10.27 195 524 05.9.29 176.8 722 05.8.20 233 826 05.7.23 224 765 05.6.23 233 719 05.5.28 271 710 05.4.30 177 525 05.3.26 172.2 465 05.2.25 導電度 (μs/cm) 導電度 (μs/cm) 淡水自來水檢測項目日期導電度 0 200 400 600 800 1000 05.2.25 05.3.26 05.4.30 05.5.28 05.6.23 05.7.23 05.8.20 05.9.29 05.10.27 日期 μs/cm 自來水淡水 EDR 分離功能案例 2

35 11.2 57.4 05.10.27 16.1 51.8 05.9.29 8.03 69.68 05.8.20 9.56 72.26 05.7.23 12.54 62.71 05.6.23 10.9 41.99 05.5.28 13.94 40.67 05.4.30 6.97 27.89 05.3.26 17.7 41.8 05.2.25 M 鹼度 (mg/l) M 鹼度 (mg/l) 淡水自來水檢測項目日期 M 鹼度 0 20 40 60 80 05.2.25 05.3.26 05.4.30 05.5.28 05.6.23 05.7.23 05.8.20 05.9.29 05.10.27 日期 mg/l 自來水淡水 EDR 分離功能案例 2

36 38.9 195 05.10.27 21.9 117 05.9.29 ND 45.82 05.8.20 ND 69.72 05.7.23 18.82 190.19 05.6.23 34.02 194.18 05.5.28 40.05 188.19 05.4.30 40.04 188.19 05.3.26 47 198.9 05.2.25 總硬度 (mg/l) 總硬度 (mg/l) 淡水自來水檢測項目日期總硬度 0 50 100 150 200 250 05.2.25 05.3.26 05.4.30 05.5.28 05.6.23 05.7.23 05.8.20 05.9.29 05.10.27 日期 mg/l 自來水淡水 EDR 分離功能案例 2

37 13.7 89.8 05.10.27 12.7 77.3 05.9.29 9.97 83.05 05.8.20 12.63 98.589 05.7.23 40.26 116.17 05.6.23 22.8 99.3 05.5.28 13.34 96.86 05.4.30 11.32 74.49 05.3.26 3.8 75.4 05.2.25 Cl - (mg/l) Cl - (mg/l) 淡水自來水檢測項目日期氯離子 0 20 40 60 80 100 120 140 05.2.25 05.3.26 05.4.30 05.5.28 05.6.23 05.7.23 05.8.20 05.9.29 05.10.27 曰期 mg/l 自來水淡水 EDR 分離功能案例 2

38 0.34 0.36 05.10.27 0.7 0.71 05.9.19 0.68 0.648 05.8.20 0.703 0.711 05.7.23 0.233 0.212 05.6.23 0.3 0.3 05.5.28 3.1 3.4 05.4.30 0.15 0.3 05.2.19 SiO 2 (mg/l) SiO 2 (mg/l) 淡水自來水檢測項目日期 SiO2 0 1 2 3 4 05.2.19 05.4.30 05.5.28 05.6.23 05.7.23 05.8.20 05.9.19 05.10.27 日期 mg/l 自來水淡水 EDR 分離功能案例 2

案例 2 EDR 分離功能 檢測項目 自來水 淡水 硫酸塩 日期 05.2.25 05.3.4 05.4.30 05.5.28 05.6.23 05.7.23 05.8.20 05.9.29 SO 4 2- (mg/l) 170 150 195 158 154 136 114 116 SO 4 2- (mg/l) 75 105 81 82 90 72 54 52 mg/l 250 200 150 100 50 0 05.2.25 05.3.4 05.4.30 05.5.28 05.6.23 日期 05.7.23 05.8.20 05.9.29 05.10.27 自來水 淡水 05.10.27 118 86 39

案例 2 操作成本分析 虎生電子電器有限公司 電費 藥品費 維修費用 設備攤提 合計 ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) EDR 1.5 0.45 0.36 3 5.31 40

案例 3 晉億實業股份有限公司 EDR 實場照片 41

案例 3 EDR 應用 酸洗清洗水脫鹽 電導度 Cd(µS/cm) 8000 7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 原水 6350 6200 7350 7200 6520 7320 6500 7260 7360 7440 6800 7100 淡水 177 107 165 161 181 114 135 146 173 444 383 370 2008 年 原水淡水 42

案例 3 EDR 應用酸洗清洗水脫鹽 Cl - 3000 2500 Cl - (mg/l) 2000 1500 1000 原水淡水 500 0 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 原水 1533 2150 2350 1900 2380 2210 2340 1866 1922 2300 2290 2055 淡水 29 18 26 38 29 18 20 24 20 12 20 42 2008 年 43

案例 3 電鍍業廢水 ( 回收 300 CMD) 操作成本分析 電費 藥品費 維修費用 設備攤提 合計 ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) (10 年 ) ( 元 /m 3 ) ( 元 /m 3 ) EDR 3.5 2.5 2.6 5 13.6 44

EDR 實場照片日東精密螺絲工業 ( 浙江 ) 有限公司 EDR 實場照片 45

四 EDR 案例案例 4 石化廢水處理廠放流水脫鹽回收 DC Waste EDR Product UF Concentrate Water Clean water Recycle Backwash Pilot plant of UF and EDR units 46

四 EDR 案例案例 4 石化廢水處理廠放流水脫鹽回收 Item Discharged stream from Water of EDR product treatment plant ph 8.1~8.3 7.1~7.5 SS mg/l 42 - Conductivity µs/cm 3,240~4,100 440~640 COD mg/l 56~80 45~75 Ca mg/l 15~38 5~8.5 Mg mg/l 12~19 2.5~4 Fe mg/l 0.52 - Na mg/l 1,676~1,830 180~195 Cl - mg/l 182~220 46~69 - NO 2 mg/l 76~92 15~32 - NO 3 mg/l 42~105 10~35 3- PO 4 mg/l ND - 2- SO 4 mg/l 16~40 - SiO 2 mg/l 6.5 2.5 Hardness mg/l as CaCO 3 80~135 20~38 Alkalinity mg/l as CaCO 3 520~580 160~195 47

四 EDR 案例案例 4 石化廢水處理廠放流水脫鹽回收 Conductivity(ms/cm) 7 6 5 4 3 2 1 UF/SUF permeate EDR product 電導度去除 0 8/7 8/27 9/16 10/6 10/26 11/15 12/5 12/25 DATE 48

四 EDR 案例案例 4 石化廢水處理廠放流水脫鹽回收 100 80 Ca 2 (mgl) 60 40 20 0 8/14 8/29 9/13 9/28 10/13 10/28 11/12 11/27 12/12 鈣離子去除 DATE 49

案例 4 冷卻排放水 : 石化業冷卻水塔 EDR 產水 項目 5 月 2 日 5 月 4 日 5 月 7 日 5 月 9 日 5 月 10 日原水平均 PH 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 電導度 μs/cm 3060 3080 3100 3100 2990 3066 總硬度 ppm as CaCO 3 1733 1780 1733 1743 1657 1729 鈣硬度 ppm as CaCO 3 1093 1153 1150 1127 1083 1121 氯鹽 ppm as Cl 97 97 99 104 101 100 硫酸鹽 ppm as SO 4 1649 1713 1679 1691 1515 1649 矽酸鹽 ppm as SiO2 55.5 57.3 57.6 56.0 54.2 56.1 項目 5 月 2 日 5 月 4 日 5 月 7 日 5 月 9 日 5 月 10 日 平均 PH 4.0 3.7 4.4 3.5 3.6 3.8 電導度 μs/cm 947 814 1086 869 1018 947 總硬度 ppm as CaCO 3 246 184 354 214 278 255 鈣硬度 ppm as CaCO 3 151 111 222 134 167 157 氯鹽 ppm as Cl 8 7 11 10 10 9 硫酸鹽 ppm as SO 4 393 313 499 344 425 395 矽酸鹽 ppm as SiO2 51.0 47.2 51.3 47.0 49.2 49.1 50

四 EDR 案例案例 5 污水廠放流水脫鹽回收 處理程序 51

四 EDR 案例案例 5 污水廠放流水脫鹽回收 設計資料 52

四 EDR 案例案例 5 污水廠放流水脫鹽回收 水質 操作成本 52 53

比較 RO and EDR 特性 Conductivity, μs/cm 前處理方式 EDR 200~ 8,000 可用砂滤 /UF/MF RO > 1,000 最好用 UF SDI( 水中微粒子密度指標 ) < 15 ( 較耐高微粒子濃度 <2 ( 不耐 ) 抗結垢 ( 碳酸鈣碳酸鎂與硫酸鈣 ) 好 / 倒極控制 / 加酸 差 / 加酸 / 抑垢劑 生物性黏著與沉積物 好 / 添加次氯酸鈉 差 / 殺菌劑 (RO 膜不耐氯 ) SiO2 沉積 濃水的濃度不會上升, 不沉積 濃水濃度大幅升高會沉積造成阻塞 膜清洗 HCl/NaOH 特殊清洗劑搭配酸鹼 分離機制 電荷驅動 壓力驅動 流力抗沉積作用 膜表面切線流流速大較佳 膜表面切線流速小較差 Recovery 70~90 % ~70% Desalination ratio 自來水的 SDI 值通常 >5 high high 54

敬請指正 謝謝 55