液流式電容去離子技術之奈米碳管/活性碳電極與其在廢水脫鹽之研析

Abstract

"由於全球性的水資源匱乏，發展低能耗的水處理技術，提供新興水資源(如海水淡化、回收雨水或再生水)為重要的研究議題。其中，取用廢污水並經過處理後之再生水，回收處理過程中的能源需求相對較低，且不易受氣候限制，可以作為優先發展的新興水資源。電容去離子技術(capacitive deionization, CDI)是新穎的電化學脫鹽技術，對於進流濃度小於4000 mg/L的溶液(如半鹽水)進行脫鹽時具有低能耗的優勢。然而，受限於其固定式電極的有限脫鹽容量，CDI應用於高濃度溶液時較不具能源效率。因此，液流式電容去離子技術(flow-electrode capacitive deionization, FCDI)被進一步提出，其以流電極(flow-electrode)取代CDI的固定式電極，以期能將此技術應用於高濃度溶液的脫鹽，包含高導電度廢水、海水淡化與淨零排放等。 本研究的目的為建立FCDI模組系統，研究流電極組成對於脫鹽表現之影響，釐清相關反應機制，並評估應用於廢水脫鹽的可行性。在本研究中， FCDI模組具有三個通道，包含陽極室、陰極室與脫鹽室，其中，兩極室通入流電極，其組成為包含活性碳、奈米碳管與氯化鈉溶液所，脫鹽室則通入處理的氯化鈉溶液。若對FCDI系統施加外部電場，脫鹽室中的離子將受電場吸引，陰離子通過陰離子交換膜(anion exchange membrane, AEM)，遷移至陽極室；而陽離子則通過陽離子交換膜(cation exchange membrane, CEM)，遷移至陰極室。遷移至兩極室的離子將進入流電極的氯化鈉溶液中，或進入活性碳孔洞內，形成電雙層(electrical double-layer, EDL)，脫鹽室中的離子得以被去除，產生淨水。本研究首先以不同的奈米碳管添加量(0.00, 0.05, 0.25, 0.50 wt.%)進行實驗，決定10 wt.%活性碳流電極中的最佳導電添加物量，其次則探討在不同操作電壓(1.2, 1.6, 2.0 V)與處理不同濃度氯化鈉溶液(0.05, 0.10, 0.30, 0.50 M)，FCDI的脫鹽表現與能源消耗的影響。 由實驗結果可得知，添加奈米碳管於10 wt.%活性碳流電極中，可以顯著地提升脫鹽表現。當以1.6 V處理初始濃度為0.10 M的氯化鈉溶液時，奈米碳管添加量為0.50 wt.%時的脫鹽速率可達1.69 μmol/cm2-min，為不添加奈米碳管時的1.85倍，而單位莫耳能耗(molar energy consumption, Em)為0.040 kWh/mol，較不添加奈米碳管時減少15%。這是由於奈米碳管的導電性較活性碳高，且在流電極中，奈米碳管可在活性碳顆粒間扮演橋樑的腳色(bridge effect)，在充電時形成導電網路(conductive network)，提供材料間更頻繁的碰撞機會。此導電網路對於FCDI有關鍵的影響，可以提升流電極的電化學表現，進而提升整體系統的性能。另一方面，本研究也分析流電極在不同奈米碳管添加量下的黏滯度。結果顯示，隨著奈米碳管添加量的提升，流電極的黏滯度(viscosity)也將增加，造成較差的流動性(flowability)。此現象可能導致幫浦能耗的提升甚至模組的阻塞。因此，在添加導電添加物(conductive additives)時，應注意其對流電極黏滯度的影響，以避免影響操作。 接著以處理初始濃度為0.05 M的氯化鈉溶液為例，當施加電壓為1.6 V、奈米碳管添加量為0.25 wt.%時，ASRR為0.96 μmol/cm2−min，而單位莫耳能耗(molar energy consumption, Em)為0.041 kWh/mol。當初始濃度提升至0.30 M時，ASRR亦提升至2.07 μmol/cm2−min，且可維持Em於0.045 kWh/mol。由此可知，FCDI技術可將CDI系統的應用範圍增廣，並維持一定的能源效率。此外，本研究將以各項指標及水質分析，評估FCDI系統應用於真實廢水的可行性。FCDI系統可以0.034 kWh/mol的能耗，將廢水的總溶解固體濃度(total dissolved solids, TDS)由4891.2 mg/L 降至273.3 mg/L。其中，水體中的鈉離子(Na+)、鋇離子(Ba2+)、鋅離子(Zn2+)、氯離子(Cl−)與硝酸根離子(NO3−)的去除率皆可達90%以上。結論而言，FCDI是一個新穎的電化學脫鹽技術，可突破CDI系統的應用於中高鹽度進流的限制，且有助於廢污水回收再生技術的發展。"