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正滲透薄膜程序的現況與挑戰

張浩銘、陳孝行

1 國立臺北科技大學環境工程與管理研究所博士生

2 國立臺北科技大學環境工程與管理研究所特聘教授

摘要

正滲透薄膜技術具有高污染物去除、低薄膜積垢及低耗能的優勢，是未來水資

源短缺情況下十分有潛力的技術。而與傳統的逆滲透與奈米過濾相比，無需外加

壓力，能同樣使用薄膜程序但卻可以大幅降低能量消耗，是非常重要一項優勢，

所以目前很多國家都大量地投入本技術的研發，試圖以本技術有效地解決水資源

及污水處理等問題。本文就正滲透基本原理、提取液種類、應用面如海水淡化、

污水處理、發電、食品加工及正滲透薄膜生物反應槽等，及本技術在應用面上的

未來挑戰做詳細說明。

關鍵字: 正滲透、緩壓滲透、海水淡化、發電、正滲透薄膜生物反應槽

1.前言

水資源與能源短缺，使節能水處理程序的研發有很高的需求。正滲透薄膜

(Forward osmosis，FO) 處理程序即是具潛力的一項節能水處理的新興技術。由

於其採用溶液間的滲透壓差做為驅動力，除了能源消耗較低之外，也不會像傳統

的逆滲透 (RO) 與奈米過濾 (NF) 程序需要高壓作為驅動力，因而造成薄膜的積

垢嚴重[1,2]；以薄膜處理技術而言，正滲透薄膜確實具有發展潛力。

2. 正滲透基本原理與特性

正滲透技術不需額外施加壓力，是一種低耗能濃縮技術。正滲透透過滲透

壓差使水分子從低鹽濃度(低滲透壓)透過選擇性半透膜移動至高鹽提取液 (高

滲透壓)，再藉由分離技術將提取液及過膜水分離與再生回用，具低耗能與低積

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垢傾向的效益，因此應用於水處理上能大幅提升功能穩定性及成本效益。圖 1

為正滲透薄膜技術之基本配置圖。

圖 1、正滲透薄膜技術基本架構

標準的滲透膜程序之水通量由下(1)式表示，其中 Jw為滲透水通量，A 為膜的

水滲透係數，Δπ為滲透壓差，Δp代表水力壓力:

Jw =A×(∆π-∆p)

滲透現象是一種自然界廣泛存在的物理現象。以水為例，依熱力學定律，

溶液會往低化學勢能之方向移動，因鹽水之化學勢能比淡水低，故由淡

水一側會產生滲透流通過膜面，進入鹽水溶液，直到膜兩側化學勢能

達到平衡為止。溶液滲透壓的大小取決於單位體積溶液中溶質的濃度：

溶液濃度越高，溶液滲透壓越高，對水的吸引力越大。正滲透無需施

加外界的水力壓力( ∆p =0 )，單靠膜兩側溶液滲透壓的不同，即能將滲

透水透過薄膜從低滲透壓側自發傳遞到高滲透壓側，直到膜兩側的液位

壓差與膜兩側的滲透壓差相等( ∆π =∆p )，因此該過程的驅動力就是溶

液的滲透壓差( ∆π )。假若在鹽水側施加一定的水力壓力∆p ，當 ∆π <

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∆p 時，則鹽水之化學勢能將會高於淡水，滲透水在水力壓力的推動下

透過膜從鹽水側擴散到淡水側，此過程稱為逆滲透 (RO)。當∆π > ∆p

時，滲透水之淨壓力方向，亦即驅動力，仍在滲透壓的推動下，透過膜

從淡水擴散到鹽水側，此過程稱作緩壓滲透 ( pressure retarded osmosis，

PRO )。三者過程之間的關係，如圖2、圖3所示。緩壓滲透膜與正滲透膜

的構造相同，都是不對稱的選擇性半透膜，由多孔支撐層與活性層組合

而成。緩壓滲透可看成正滲透和反滲透的中間過程，可以將滲透壓差的

勢能轉化為電能。表1為正滲透、逆滲透以及緩壓滲透的主要特性比較，

可以發現三者有相似的分離機制，卻有不同的用途。正滲透除了有提

取液選擇及再處理的問題外，內濃度極化 (internal concentration

polarization) 也是影響正滲透效率的主要因素之一。

圖 2、FO、PRO、RO 之水通量與水施加壓力關係圖[3,4]

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圖 3、FO、PRO、RO之水通量與施加水力壓力關係圖[4]

表１、正滲透、逆滲透以及緩壓滲透的特性比較

3. 正滲透技術之應用

低能耗、高截留效率等特點使得正滲透技術在許多領域展現高的應用價值及

發展潛力。在水的分離與純化方面，正滲透技術的應用領域主要包括海水淡化和

污水處理兩個方面，此外，緩壓滲透發電、食品加工與藥物應用等也具有潛力。

海水淡化

隨著正滲透薄膜材質與提取液研究的進一步發展，正滲透進行海水淡化的工

程化也逐漸成熟，Elimelech和McCutcheon [5,6]等對海水淡化作研究，開發出一

薄膜程序 驅動力 分離機制 主要用途 限制條件

正滲透

(FO)

滲透壓

(提取液濃度)

電性排斥

溶液擴散

水處理

海水淡化

醫學應用

內濃度極化

提取液選擇

提取液再處理 逆滲透

(RO)

壓力

(5-120 bar)

電性排斥

溶液擴散

水處理

海水淡化

能量消耗大

膜阻塞

緩壓滲透

(PRO)

滲透壓

(提取液濃度)

電性排斥

溶液擴散 滲透壓發電

內濃度極化

系統壓損

薄膜發電效率

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套新型正滲透脫鹽系統，如圖 4所示。在該研究中，將系統分為前後兩段，前段

正滲透部分，後段是提取液的回收；所使用之提取液為碳酸銨，可以在 40℃下

與水分離，降低了耗能而提升正滲透的海水淡化的可行性[7]。實廠化方面，2009

年英國現代水公司（Modern Water）以正滲透的觀念在阿曼王國的 Al Khalf地區

設置 100 m3/day的正滲透淨水廠，利用提取液及海水間的不同滲透壓來進行海水

淡化，回收率為 35%。其方法為首先使海水通過正滲透膜稀釋具有較高的滲透壓

的提取液，並且利用現代水公司發展出的MOD （manipulated osmosis desalination）

系統，以其專利的提取液，循環使用其所研發的提取液，如圖 5 所示。2012 年

現代水公司在阿曼王國再建立了一座正滲透海水淡化廠，處理量 200 m3/day，如

圖 6所示；首先是入流海水進入正滲透系統中成為進料溶液，搭配耐垢的正滲透

膜，再以該公司專利的提取液自海水中取得淡水，隨後將被稀釋的提取液導入再

生系統，即可得到淡水與可再次使用的提取液。其優點計有低積垢、低能耗、低

操作成本、高除硼性與易操作[8]。此外，近年來在國際間也有很多類似的實廠

案例[9,10]。

圖 4、 新型正滲透海水淡化系統[5,6]

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圖 5. 現代水公司發展的MOD系統 [8]

圖 6. 現代水公司發展的正滲透海水淡化系統 [8]

污水處理與正滲透薄膜生物反應槽

正滲透技術在污水處理方面的應用，早在 70年代 Anderson [11]等人就利用正

滲透技術處理重金屬廢水。然而三醋酸纖維素 RO膜在正滲透系統中處理重金屬

廢水時水通量遠小於預期，導致試驗被迫中斷。近年來隨著正滲透膜材料及提取

液研究的進一步發展、正滲透在污水處理應用範圍也隨之擴大，在工業廢水、垃

圾滲濾液等處理中發揮重要作用。目前正滲透技術處理高鹽廢水的相關研究主要

是利用高濃度提取液對原液的濃縮作用，採取與其他技術聯用的技術手段，如

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FO-NF、FO-UF、FO-RO等。在這些研究中，正滲透作為前處理攔截住了大部分

的污染物質，降低了處理的污染，其出水的水質也符合排放標準。

結合生物反應槽也是污水處理應用方向之一。以正滲透薄膜取代傳統 MF膜

及 UF膜的薄膜生物反應槽，稱為正滲透薄膜生物反應槽。正滲透薄膜生物反應

槽可分為好氧及厭氧兩種。Chang 等人[12]等人提出好氧正滲透薄膜生物反應槽

藉由提取液端的鹽反滲透搭配MF薄膜的使用，如圖 9所示，不僅能降低鹽類於

生物槽內的積累，也能藉由MF的濾液來有效回收鳥糞石作為肥料。

圖 9、正滲透薄膜生物反應槽系統示意圖[12]

另一方面，由於浸入式的正滲透薄膜生物反應器在長時間操作的情況下，通常

具有嚴重的薄膜積垢產生，會造成處理績效降低及增加額外支出之成本。因此，

Nguyen 等人[13] 提出應用海綿結合好氧正滲透薄膜生物反應槽，以有效降低薄

膜積垢，如圖 10 所示，藉由流動的海綿不僅能沖刷掉薄膜表面的污泥積垢，也

能藉由海綿上所附著之生物膜去除污水的污染物質。此外，Chang 等人[14] 也

提供了另一種在厭氧正滲透薄膜生物反應槽避免污泥積垢的發生的方法，藉由上

流式反應槽的槽體設計，避免污泥床與正滲透薄膜接觸之機會，因而有效維持正

滲透薄膜生物反應槽之效能，如圖 11所示。

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圖 10、正滲透薄膜生物反應槽結合海綿之示意圖[13]

圖 11、上流式厭氧薄膜生物反應槽[14]

緩壓滲透發電

正滲透技術在能源方面的應用主要是指緩壓滲透發電[15,16]，其原理是將正

滲透過程中因提取液體積增大而產生的壓力推動渦輪轉換為電能，如圖 7所示。

這種利用滲透壓差發電的方式相對於傳統的發電方式更加綠色節能[17]。世界上

第一座滲透壓發電廠由 Statkraft 公司在 2009年於挪威 Tofte建立，原預計每年產

生 1,600 TWH-1,700 TWH (TWH=1010

KWH) 的電力。雖然緩壓滲透發電有很多

優點，包括能量輸出穩定又無污染，但是正滲透膜的內濃差極化及系統壓損使得

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這項技術難以達到經濟規模，因此 Statkraft 公司暫時停止壓力延遲滲透發電的計

畫[18]，但是世界上目前仍有幾個團隊正繼續研發中，力求達到發電損益平衡的

基本門檻: 5W/m2 (每公尺平方薄膜可產生 5W 的電力)。隨著正滲透膜材料的

研究發展，正滲透發電的普及會更有機會。

圖 7、緩壓滲透發電示意圖[17]

食品加工與醫學應用

在食品行業，為了便於食品的包裝、運輸和儲存，通常需要去除液體食品中

的水。常用的濃縮方法有真空蒸發濃縮和冷凍濃縮，但真空蒸發法不僅會破壞熱

敏食品的口感和營養，而且能耗高；冷凍濃縮法在低溫下作業，雖不會造成熱敏

性物質變性和揮發性物質損失，但能耗非常高，難以廣泛應用；逆滲透雖能保持

食品口味，但也有膜易阻塞等問題。低壓、低能耗使得正滲透應用於食品加工行

業成為一大趨勢。現今正滲透技術已經被廣泛應用於濃縮液體食品，包括各種果

汁、番茄汁，在保證食品安全的同時保證了食物的口感與營養[19–22]。與其他

應用相似，正滲透膜和提取液的發展將促進正滲透用於食品加工的進一步發展。

正滲透也應用於醫藥行業，其用途主要有兩種：藥物富集和藥物傳輸。藥物

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富集類似於食品濃縮，針對一些熱敏性且分子量大的藥物如溶解酵素和蛋白質。

正滲透相對於傳統的熱濃縮或化學濃縮技術，濃縮出的藥物具有高穩定性和高純

度[23,24]。Nayak和 Rastogi [24]利用正滲透濃縮花青素，證明正滲透在產品的穩

定性上具有比傳統的熱濃縮技術更好的優勢。另一種用途是藥物傳輸，正滲透的

滲透特性使得其可以控制藥物的釋放，做到藥物長期釋放、靶向輸送和劑量控制，

從而增強藥效，降低藥的副作用。現有的被廣泛用於醫學領域的正滲透藥物傳輸

系統包括滲透泵、空隙的半透膜包裹的藥片或膠囊等[25]。

4.提取液選擇

提取液是正滲透程序的推動力，正滲透過程離不開薄膜兩側溶液的滲透壓差，

滲透壓直接影響正滲透程序的效率。因此良好的提取液必須具有以下特性：高水

通量、低鹽反滲透、無毒性、低成本、易回收、需與正滲透膜相容且不改變膜的

性質及結構。很多可溶於水並能產生高滲透壓的溶質都可以作為提取液，例如單

價鹽氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl），二價鹽氯化鎂（MgCl2）、硫酸鎂（MgSO4）、

硫酸銅（CuSO4）可有效控制反滲透的高價鹽磷酸三鈉（Na3PO4）及 EDTA-2NA

[26,27] 或是可結合聚電解質及界面活性劑進一步降低反滲透[28]。

5. 未來挑戰

正滲透薄膜技術為一項極具潛力的新興處理方法，尤其在污水處理、水回收

及發電方面，已有大量的研究成果。然而，仍然有些缺點必須要克服改善，以達

廣泛商業化的機會。首先，一個好的提取液須具備高滲透壓、低反滲透之特性，

才能使系統有最佳化的表現。提升提取液中分離清水的效率也是重點之一。在緩

壓滲透發電上，需進一步研發至到發電效率 5W/m2 的基本門檻。但正滲透薄膜

最關鍵的因素，仍然在於內濃度極化使實際水通量要遠小於理論水通量，因此發

展出一個高效能的正滲透膜以提升水通量是重要的課題。好的正滲透薄膜由於製

作上的困難與成本考量，市面上的普及性遠不如逆滲透薄膜。但正滲透有著高截

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留率與不需增加能量的優勢，若能開發具有高通量、高截留率、製程簡單且花費

成本低之正滲透薄膜，且能大量生廠，將會是水處理技術上的一大突破。

6. 引用文獻

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