薄膜電容去離子技術 Membrane Capacitive Deionization (MCDI)
技術規模 實廠測試/運轉
適用對象
技術成熟度TRL 7技術或概念於真實環境完成現地測試與實證，且發展出完整的系統或與其他技術/系統整合
技術分類
- 綠色分離
- 高效去除
- 循環回收
污染物
- 氨氮
- 無機離子
- 重金屬
4L+C
- 低成本
- 循環經濟
- 低碳排放/低耗能
- 低污染
適用行業及污染物(濃度)
- 適用污染物：氨氮、無機帶電離子、重金屬
- 適用污染物濃度
- TDS：<2100 mg/L
- 導電度：<3000 μS/cm
- 適用目的與應用標的：脫鹽降導
- RO-reject廢水(實績)
- 洗滌塔循環水(實績)
- 冷卻水塔循環水(模廠)
- 廢(污)水廠放流水再生(模廠)
- 電鍍製程水洗水(鎳、銅、鉻、鋅)
- 適用目的與應用標的：富集濃縮
- 含氨氮冷凝水(模廠)
- 製程氨氮廢水(< 500 mg-N/L)(模廠)
技術原理
電容去離子技術(Capacitive Deionization, CDI)是透過施加外部電場，使具有高比表面積之多孔碳電極表面產生電雙層結構，同時，水中離子在受到電場牽引下移動至電極表面，並貯存於電極孔洞中，以達成離子移除並產出良好的水處理品質。
薄膜電容去離子技術(Membrane Capacitive Deionization, MCDI)為典型電容去離子技術之優化，於兩側電極板上分別披覆陽離子與陰離子交換膜，該離子交換膜上的帶電荷官能基團僅能使帶相反電荷離子進行跨膜傳輸，並同時阻擋帶相同電荷離子之遷移，進而提升整體MCDI之系統效能(如圖1所示)。
技術概述
MCDI之執行方式包含兩個階段：充電產水以及放電富集。於充電階段，透過施加外部電場，以電吸附形式去除水中離子並產生淨水。而在放電階段，則透過移除電場或施加反向電壓，使原先儲存於孔洞中的離子釋出並產出濃排，達成物質富集之回收目的。
技術特色
- 低能耗：本技術之施加電壓僅約0.8−2.0 V，且在操作過程中無須採用高溫或高壓之條件，故具備低能耗之優勢。
- 低積垢風險：本技術採用流經式之系統結構，相比於採用穿透式系統結構之技術，有助於降低系統內積垢潛勢。
- 無須加藥再生：本技術藉由控制外部電場達到產出淨水與富集濃縮之效益，無須仰賴化學品以達到電極再生。
- 高度環境友善性：基於技術低能耗、低積垢風險以及無須加藥再生等特點，本技術具備高度環境友善性。
可依照使用目的進行操作程序與工程系統設計的調整。如：產生乾淨水樣，以及富集濃縮目標物質。
符合 4L+C 資源循環、節能減碳
低成本、循環經濟、低碳排放/低耗能、低污染
低碳排放/低耗能
本技術可在低電壓(0.8-2.0V)且低壓力(0.5-1.5 kg/cm2)之條件下運行，因此能源消耗較低，故具備低碳排放/低耗能之優勢。
低污染
本技術藉由控制外部電場達到產出淨水與富集濃縮之效益，過程中無須仰賴化學品以達到電極再生，因此較無二次污染之問題，故具備低污染之特性。
循環經濟
本技術於充電階段產出淨水並於放電階段富集濃縮，有助於分別回收目標水體之水資源以及有價資源，故具備達到循環經濟之潛力。
技術限制與負面影響
技術限制
- 本技術應對TDS達2100 mg/L或導電度達3000 μS/cm以上水樣，較不適用。
- 目標處理水樣若含有硬度離子時，需定期採用酸液潤洗系統，以降低結垢風險。
- 若目標污染物（如硼、磷酸鹽、砷）的存在形式會隨 pH 值變化而改變，則該特性將影響其於 MCDI 系統中的離子去除效率。
- 在去除廢水中特定目標污染物時，目標離子的去除效能可能會受到其他具相同電荷之污染物的競爭性吸附影響。
負面影響
電極製備過程中所採用有機溶劑之潛在環境影響問題需加以考量。為降低此類影響，應在電極製備階段採取適當措施，確保最終產品中無有機溶劑殘留，以避免對環境及後續應用產生不良影響。
技術流程
本技術之應用潛力包含污水廠放流水再生、洗滌塔循環水水質處理以及純水製程廢水處理
民生污水廠放流水再生
洗滌塔循環水水質處理
純水製程廢水處理
資料來源 自行研發、國內外文獻
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Lee, M.S., et al. (2019). Membrane capacitive deionization for low-salinity desalination in the reclamation of domestic wastewater effluents. Chemosphere, 235, p.413-422.
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侯嘉洪（2023）。廢污水新興廢水處理技術示範及推廣技術計畫，環境部。
模廠試驗
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