臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan新世紀的化學工程：薄膜水處理技術
童國倫
國立臺灣大學化學工程學系
中原大學薄膜技術研發中心
[email protected]
一般人對化工廠的負面刻板印象是製造污染和廢水的工業，實際上全球的化工業是最重視環保和水處理的，舉凡國際大廠BASF、Bayer、DuPont、DOW、DSM……等等，都是國際上最重視環保與水資源的模範生，國內也許多化學工業公司也都以環境永續發展為己任。為什麼是這些化學工業公司在推動環保，因為所有的基礎工程教育相關科系：土木、機械、電機、化工等四個系所，早期只有化學工程的教育將化學納入為核心課程之一，因此對於環境復育及永續具有環境化學所需的相關基礎專業知識，爾後由於環保意識日益升高，衍生出環境工程也投入了環保人才的孕育，也將許多化學相關課程納入其核心。
圖一：2020年化學工業發展願景[1,2]
近年全球興起循環經濟（circular economy）的概念[3]，其目標又遠高於一邊的環境保護概念，探討如何回收廢棄物中的有價物質，並設計新的化工單元程序將其再製成高值化的化學品，此實為具備化腐朽為神奇之工的化工人之專長，本世紀實為化學工程師的擅長時代。由圖一的化學工業發展願景來看，全球的化學工業已訂立了永續發展的宏願，未來再也看不到林立的煙囪，地面上都長出茵茵綠草，要完全的回收資源、能源及水，達到人類生活地球的永續運轉，這就有賴新的化學工業製程設計。本篇將以新的工業製程水處理膜過濾技術為例，介紹新世紀的化學工程教育中因應循環經濟發展所需而納入的新題材—膜過濾技術（membrane filtration technology），及其對基礎化學教育的倚賴，如何引進新的高效分離技術回收製程中的水，減少管末處理的需求，如圖二所示，甚至達到零液體排放（zero-liquid discharge, ZLD）的終極目標。
圖二、循環經濟（circular economy）發展的概念圖示
n 水資源的重要
我們知道地球表面超過70%的面積是為水所覆蓋，但這些水有超過97%是無法直接利用的鹹水，只有2.5%是不含鹽分的水，扣除兩極覆蓋的冰，只剩1.3%的地表水可茲人類使用。但近年來由於人口快速增加、地球暖化、產業蓬勃發展，水的問題在經濟發展上越來越重要，同時在食物及生質能源製造過程中耗用大量的水，更加速水資源缺乏窘境的惡化。目前全世界人口來到70億，以目前的水資源利用情形來看，到2025年有18億人不能享有基本的生活污水處理設施，將近2/3的人類會面臨水資源短缺的威脅。反觀臺灣，雖然年平均降雨量約是世界平均值的2.5倍，但由於地勢的關係，大部分的降雨都在兩天之內入海，無法有效利用，換算後每人每年所分配到的降雨量為全世界排名第18的缺水國[4]。因此，臺灣自2015年起推動相關的政策及法規，至今年（2016年）中正式全數通過包含再生水資源發展條例、自來水法修正案及水利法修正案等被外界稱為「節水三法」的重要政策，全面性的推動水資源開發與再利用。水資源開發重點包括多元化新水源的開發與工廠內部工業用水與廢水的回收再利用，多元化新水源的開發包括農業回歸水利用、大型廢污水回收與海水淡化等。
為因應近年全球與臺灣的對於水質以及水回收率要求的增加，發展新穎的高效能水處理技術是全球此領域專業人士的焦點。過去不管是自來水、生活污水或工業廢水處理，大都使用傳統的物理化學（如混凝、沈澱、砂濾）或生物（如活性污泥）處理程序，這些程序由於占地面積大、耗時耗能，且常需要加藥處理；因此，物理處理的膜過濾技術應運而生，但這些多孔性過濾膜的製作則仰賴高分子化學或無機材料化學科技。同時，因為近年膜製作技術的提昇，使得膜應用的設置與操作成本降低，因此薄膜在水處理及回收上的應用已經逐漸普及。本篇將以高分子膜為例，介紹常用於水處理之過濾膜材（membrane materials）及其化學結構，並簡介化學工程如何將這些高分子膜製作成模組（module）、設計出系統（system），再將其放大（scale-up）於實廠應用。
n 膜過濾技術
水處理用的膜過濾（membrane filtration）技術依其濾除物質與操作壓力大小可分為：微過濾（microfiltration, MF）、超過濾（ultrafiltration, UF）、奈米過濾（nanofiltration, NF）、及逆滲透（reverse osmosis, RO）[5-8]，實務操作上均是以壓力差驅動進流水，使其通過薄膜，以達到過濾分離效果。依水或廢水來源的不同，各種膜過濾技術可濾除之水體污染物種類可概分為懸浮固體微粒、病原蟲、細菌、病毒、膠體、有機物、染料、鹽類等，如圖三所示[8]。
MF薄膜多用來濾除粒徑大小在0.05~10微米（μm）間的懸浮顆粒，操作壓力約在0.5~2大氣壓（atm）；UF薄膜孔徑較小，多用來濾除粒徑較小的巨分子或所謂的膠體（colloids），大小在2~100奈米（nm），由於這些物質的尺寸都相當小，實用上又常以能阻擋之物質的分子量（molecular weight cut off, MWCO）來表示，約為2,000~500,000道爾吞（Dalton），UF的操作壓力約在1~5大氣壓。
NF則是近10年發展起來的膜分離技術，其〝膜孔〞介於超濾膜和逆滲透膜之間，膜的表面分離層由聚電解質所構成，可截留分子量在200-2000 道爾吞之間的有機物，並對二價和多價離子具有較高的截留率。可去除水體中的三氯甲烷前驅物質、低分子有機物、農藥、激素、砷和重金屬等有害物質，NF的操作壓力約在4~10大氣壓。
RO逆滲透是一般民眾最熟知的膜過濾程序，RO膜孔洞最小僅約0.2~0.4奈米（nm）只能讓水分子過，濾除其他物質，操作壓力受進水的滲透壓而異，一般家用的RO由於進水的鹽濃度相當低，操作壓力跟NF相近，約在6~10大氣壓力。而海水淡化用的RO操作，由於海水的鹽濃度約3.5%，其滲透壓力就約24~26大氣壓，因此一般海水淡化的RO操作壓力一般都高於50大氣壓，相當高的操作壓力，因此膜材料與模組的設計就必須考量其機械強度。
圖三：水處理用膜過濾技術分類圖譜（修改自日本Toray公司資料）[8]
一個好的膜過濾水處理程序端賴三個重要的關鍵環節，如圖四所示：1. 要有高透流率、高阻擋率、高抗污特性的過濾膜材（membrane）；2. 要有高填充密度（packing density）、高機械強度的模組（module）；3. 要有高穩定性、高可靠度的系統（system），近年的趨勢是於系統內加裝監測裝置（monitoring device）[9]。
圖四：水處理膜過濾技術的三個重要環節：材料設計、模組設計與系統設計。
在膜材料種類方面，有高分子膜（polymeric membrane）與無機膜（inorganic membrane）兩類，依膜材構造又可分為對稱膜（symmetric）與非對稱膜（asymmetric）兩類，如圖五所示。一般對稱膜的結構強度較高，而非對稱膜由於選擇層較薄，有較高的液體透過率。高分子材質或無機材質之MF/UF多孔膜材結構型態，依材料特性及加工製備方法不同而異。但微過濾膜（MF）大多製成如圖五（(a）的對稱膜結構型態，超過濾膜（UF）為儘量縮減選擇層厚度，則多製備為如圖五（b）的非對稱膜結構型態。而奈米過濾（NF）與逆滲透（RO）膜的孔洞最小，可預期的阻力也會最大，因此選擇層（selective layer）能越薄越好，一般厚度都控制在0.5微米（um）以下，因此表層多以界面聚合（interfacial polymerization）長成在多孔UF上，如圖五（c）所示。
（a）對稱膜（symmetric membrane）[10]
（b）非對稱膜（asymmetric membrane）[10]
（c）多層複合膜（multilayer thin-film composite membrane）[11]
圖五：多孔膜材結構示意圖
由高分子材料的加工性與孔洞成形控制特性來看，常用於製備多孔MF/UF的高分子，依市場佔有率依序為PVDF、PSf、PES、CA、PE、PAN、PP、PTFE等，而NF/RO表面選擇層的材料則多為PA或PI。可見得膜過濾有機材料的製備核心技術在於高分子合成、聚合與加工技術。在大學化學工程教育中，相關的課程計有：有機化學、高分子化學、高分子物理、高分子加工、及薄膜分離技術等。
除了膜過濾材料的製備所需之化學相關知識外，為了能實現膜過濾技術的工程應用，化學工程與化學系不同之處在於多開授流體力學與質量傳遞相關的輸送現象等以物理與數學為基礎的核心課程，以培養學生懂得如何設計模組，將膜材料製入模組中並進行規模放大，而這些物理設計近年多仰賴電腦運算，以計算流體力學（CFD）輔助模組設計[12-14]。由化學工程學在磨過濾水處理新技術的教育課程設計來看，除了材料所需的化學之外又加上模組與系統設計所需的物理與數學，顯示了化學工程教育的多元。
由於化學工程教育的核心是化學、物理與數學並重，因此學生可以受到更多元與跨領域的專才培養，在工程設計上時有物外之趣的創新想法。例如美國UCLA化工系教授Sidney Lobe除了是RO逆滲透膜於1970年代落實商業化的推手外，也在RO逆滲透程序的工程化過程逆向思考，發現滲透原理的新應用正滲透（forward osmosis, FO）操作，除了可以用來處理高濃度廢水又可以用來進行鹽濃差發電（salinity gradient power generation），正所謂海水滲透過濾左右逢〝源〞—逆滲透取水（源）、正滲透取電（源），有興趣的人士可以參閱作者近年在科技部「科學發展」刊物所發表的文章[15]。
n 結語
期盼這篇的介紹能讓您更加認識新世紀的化學工程在永續水資源上所扮演的角色及身為一位工程師的社會責任，實際上隨著人類對物質生活渴望的日益升高，無可避免會伴隨著工業廢水與廢棄物產生的增加，如何加速資源的有效再利用，是你我的期待。在這物質慾望日益升高，有限資源不斷消耗的年代，你我都是繫鈴人，但解鈴還需化工人。
n 延伸閱讀
[1] Meili, A., “Practical Process Intensification Shown with the Example of a Hydrogen Peroxide Distillation System,” Proceedings, 2nd Intl. Conf. Proc. Intensif. in Pract., BHR Group, London, 28, pp. 309–318 (1997).
[2] Stankiewicz, A.I. and J.A. Moulijn, “Process Intensification: Transforming Chemical Engineering,” Chem. Eng. Prog., pp. 22-34, January (2000)
[3] Stahel, W.R., ‘The Circular Economy,’ Nature 531, 435-438 (2016).
[4] 臺灣水資源—多元化水資源經營管理，經濟部水利署，http://www.wra.gov.tw/ct.asp?xItem=30424&ctNode=1967。
[5] 童國倫、呂坤宗、李雨霖、胡哲嘉，「奈米過濾的發展及其應用」，化工，51(3)，26-36 (2004)。
[6] 莊清榮、游勝傑，「流體中的最佳守門員—微過濾與超過濾」，科學發展，429，14-19 (2008)。
[7] 童國倫、阮若屈，「最小心眼的薄膜—逆滲透膜與奈米濾膜」，科學發展，429，20-24 (2008)。
[8] 童國倫、張王冠、周珊珊，「低壓薄膜技術在水處理及回收上的應用」，工程，82(1)，60-75 (2009)。
[9] Tung, K.L., “Monitoring Techniques for Water Treatment Membrane Processes,” Chapter 15 in Monitoring and Visualizing Membrane Processes, edited by Carme Güell, Montse Ferrando and Francisco López, Wiley VCH, Weinheim, ISBN: 978-3-527-32006-6. (2009).
[10] Mulder, M., Basic principles of membrane technology, 2nd ed., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, (1996).
[11] Baker, R.W., Membrane technology and applications, 2nd ed., John Wiley and Sons, England (2004).
[12] 童國倫、李雨霖、呂明洋、賴君義，「薄膜模組簡介及其設計」，化工，52(1)，31-46 (2005)。
[13] 童國倫、李雨霖、呂坤宗，「計算流體力學簡介及其在化工上之應用（上）」，化工技術，123，146-159 (2003)。
[14] 童國倫、李雨霖、呂坤宗，「計算流體力學簡介及其在化工上之應用（下）」，化工技術，124，216-230 (2003)。
[15] 童國倫、徐治平、林念蓉、吳佳穎、賴君義，「海水滲透過濾左右逢〝源〞—逆滲透取水（源）、正滲透取電（源）」，科學發展，500，6-11 (2014)。