氧化還原液流式電池脫鹽技術應用於低能耗海水淡化之研析

Abstract

"近年來水資源的匱乏以及能源的需求日益提升，開發新穎的脫鹽技術，以低能耗的方式提供新興水資源(如海水淡化、再生水)，成為國際間重要的研究課題。而在現今的脫鹽技術中，亦有其各自的限制。因此，氧化還原液流式電池脫鹽技術(redox-flow battery desalination, FBD)被進一步提出，其使用氧化還原液流電池材料(redox-flow battery, RFB)作為液流式電極，透過氧化還原反應及電子遷移的機制去除水中離子，以期能將此技術應用於高鹽度溶液的脫鹽。 本研究的目的為開發FBD模組系統，探討脫鹽過程中的反應機制與重要的操作參數，並驗證其在海水淡化的應用可行性。在本研究中，FBD模組具有四個通道，包含陽極室、陰極室、淡室與濃室，並利用鐵氰化物/亞鐵氰化物(ferri-/ferrocyanide)作為氧化還原液流電池材料，探討電壓(0.2, 0.4, 0.6, 0.8 V)、鐵氰化物/亞鐵氰化物濃度(5, 10, 50, 100 mM)與氯化鈉濃度(介於3000至35000 mg/L)，對於脫鹽效能及能耗表現的影響。在此FBD系統中，若對其施加外部電場，氧化還原液流電池材料將於陽極室發生氧化反應，由亞鐵氰化物氧化為鐵氰化物，同時於陰極室發生還原反應，由鐵氰化物還原為亞鐵氰化物。為了達到電荷平衡，陽極室和淡室中的陽離子會通過陽離子交換膜(cation exchange membrane, CEM)，分別往濃室及陰極室移動；而淡室中的陰離子則會通過陰離子交換膜(anion exchange membrane, AEM)向濃室遷移。因此，淡室中的離子將不斷被去除，相反地，濃室中的離子將持續被濃縮。由於FBD系統以氧化還原液流電池材料取代固定式電極，進行離子的去除，其在電場下可不斷發生氧化還原反應的特性，使得FBD系統具有無限的脫鹽容量。此外，FBD模組的四通道設計使其能夠同時產生淨水及濃水，達成完全連續的操作程序。 以處理初始濃度為3000 mg/L的氯化鈉溶液為例，在施加電壓為0.2 V、鐵氰化物/亞鐵氰化物濃度為100 mM時，其平均脫鹽速度和單位莫耳能耗分別為65.8 μg/min-cm2及18.1 kJ/mole。當初始氯化鈉濃度增加至35000 mg/L，其平均脫鹽速度亦提升至96.2 μg/min-cm2，單位莫耳能耗則為20.6 kJ/mole。相較於過去針對RO(約20.8–27.5 kJ/mole)和ED(約23.2–26.5 kJ/mole)的研究結果，FBD對較低鹽度或高鹽度溶液進行脫鹽時，均具有較低的能耗。由此可知，因驅使氧化還原反應發生所需的電壓相對較低，使得FBD系統在處理高鹽度溶液時，亦能維持良好的脫鹽性能與較低的能耗。此外，本研究將透過各項指標及水質分析，以評估FBD系統應用於真實海水的可行性。FBD系統對真實海水進行脫鹽時，其單位莫耳能耗為23.9 kJ/mole，並可將總溶解固體濃度(total dissolved solids, TDS)由39200 mg/L降至約1840 mg/L。其中，鈣離子(Ca2+)、鎂離子(Mg2+)及硫酸根離子(SO42–)的去除率均可達到99%以上，而鈉離子(Na+)及氯離子(Cl–)去除率則分別為96%與95%。從本研究的實驗結果可知，FBD系統為一個極具潛能的低能耗電化學脫鹽技術，具有較大的脫鹽濃度範圍，有助於海水淡化的應用與發展。"