淨水技術產學聯盟

科技部產學技術聯盟合作計畫

最新消息

水處理用藥技術工作坊

發布日期:2017-06-24

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在全球水環境日劇嚴苛的條件底下,為了幫助國內相關產業創造優勢並提升產、學、研界之關鍵淨水技術發展,交大成立「淨水技術產學聯盟」,並於本(106)年6月22日舉辦水處理用藥技術工作坊暨NCTU-UD共同實驗室成立揭牌儀式。

交通大學與德拉瓦大學兩校有深厚的情誼,歷經多年討論與規畫,而成立NCTU-UD共同實驗室,此次揭牌邀請到美國德拉瓦大學黃金寶教授、交大環工所的大家長白曛綾所長、交大防災與水環境研究中心史天元副主任及交大環境科技研究中心黃志彬主任見證下宣示成立,共同為NCTU-UD共同實驗室揭牌。此共同實驗室更象徵兩校密切研究合作之新的里程碑。

本次工作坊特別邀請到美國德拉瓦大學黃金寶教授演講「生物碳:一種舊材料的新機會」及北京中國科學院生態環境中心王東升教授演講「奈米混凝劑的發展與展望」。並於會後與會員廠商進行專屬的顧問面談諮詢討論、交流,獲益良多。

本次活動啟動了「淨水技術產學聯盟」的推廣運作,未來每季將陸續協助聯盟會員廠商進行訪視輔導及專家諮詢,並會有一連串的技術研討會提供會員廠商參與,期望提升台灣水環境產業及帶動產品與服務品質及技術競爭力之顯著成效。

圖一. NCTU-UD共同實驗室成立揭牌,由左至右分別為:交大環境科技研究中心黃志彬主任、美國德拉瓦大學黃金寶教授、交大環工所白曛綾所長及交大防災與水環境研究中心史天元副主任。

圖二. 交大環境科技研究中心黃志彬主任為活動開場致詞,勉勵水環境產業更進一步。

圖三. 本次活動貴賓,由左而右為:交大環工所張淑閔教授、北京中國科學院生態環境中心王東升教授、交大環境科技研究中心黃志彬主任、美國德拉瓦大學黃金寶教授、交大環工所白曛綾所長及交大防災與水環境研究中心史天元副主任。


敬邀出席「水處理用藥技術工作坊」

發布日期:2017-06-14

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水處理用藥技術工作坊

時間 : 106/ 6 / 22 (四) 上午 9 點30 ~ 下午 15 點30分
地點:交通大學環工所102演講廳 (新竹市大學路1001號)
請於6月16日前至線上報名:「https://goo.gl/EDcToc



淨水技術產學聯盟第二次推廣交流會議-休閒用水技術聯盟於2017年4月27日于嘉南大學溫泉中心舉行

發布日期:2017-05-02

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會議記錄

時間106年 4月 27日(星期四) 14:00~16:30
地點嘉南藥理大學 臺灣溫泉研究發展中心四樓會議室
主持人黃志彬 講座教授、甘其銓教授
聯盟團隊出席人員黃志彬 講座教授
出席廠商(詳見簽到表)泓發樂活氏水科技服務股份有限公司、安通溫泉飯店、利溢豐實業有限公司、科霖儀器有限公司、泉佳美農業生物科技有限公司、弓銓企業股份有限公司、捷思環能有限公司、恆和國際股份有限公司、汎佳企業社、下巴陵溫泉、中懋化學股份有限公司、嘉南藥理大學、科技部小產學聯盟計畫辦公室。
會議流程14:00~14:10 主席致詞 (黃志彬 講座教授)
14:10~14:30 聯盟介紹 (甘其銓教授)
14:30~15:00 Q&A討論時間
15:00~16:20 技術介紹及意見交流
16:20~16:30 參觀



召開「淨水技術產學聯盟推廣交流會議」,18家廠商代表出席

發布日期:2017-03-17

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淨水技術產學聯盟推廣交流會議

會議時間:106 年3 月17 日 下午2:00~4:00
會議地點:國立交通大學博愛校區實驗一館一樓會議室
(新竹市博愛街75 號)
主席:交通大學環境工程研究所 黃志彬 講座教授



敬邀出席「淨水技術產學聯盟推廣交流會議」

發布日期:2017-03-07

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各位產業先進 您們好!

淨水技術產學聯盟計畫主持人黃志彬教授及聯盟教授專家成員共同邀請 貴單位出席本計畫推廣與交流會議,時間地點為3/17(五)下午2:00~4:00於交通大學博愛校區實驗一館1F會議室,屆時將安排聯盟簡報技術說明與交流,並有聯盟技術成果展示,歡迎各位先進與會交流。

淨水產業技術聯盟網頁上線

發布日期:2017-02-20

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淨水產業技術聯盟網頁正式上線,部分資料內容將會陸續更新,會員系統也會在日後上線,此外若有其他問題,可透過網頁右上的聯絡我們。

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聯盟介紹

      國內水資源開發及節約需求日益提升,其中民生用水、工業用水及休閒用水都面臨缺水或水質不佳之問題,針對此一重大社會經濟議題,本聯盟團隊所掌握之淨水技術,適可提供因應方案。
      」有鑑於此,國立交通大學在科技部支持下,成立「淨水技術產學聯盟」,並以「國立交通大學環境科技與智慧系統研究中心」(簡稱環科中心、ETSS)為聯盟運籌基地,整合國內前瞻之淨水技術,並集合以專業人才的技術推動,緊密配合水資源相關產業實務需求,將核心淨水技術透過專業輔導與策略合作等方式,擴散至產業界,以提升水資源相關產業「產品」與「服務」品質及技術競爭力。
      此一聯盟除解決國內水資源利用所面臨之重大問題,更具體創造產業價值,以及協助產業界技術升級,開展商業發展空間。未來「淨水技術產學聯盟」服務之主要產業類別包括民生用水、工業用水及休閒用水三大產業。針對各產業別,著重發展之技術項目分列如下:

聯盟技術

民生用水產業

      國內自來水普及率已達93%左右,供水人口達2200萬人之多,每日供水量多達1100萬噸,民眾對自來水處理效能及供水品質要求日益增加,自來水處理核心單元在於混凝及過濾,本聯盟研究團隊具有執行水利署及自來水公司委託研究計畫之豐富經驗,自1997年開始長期致力於淨水場單元操作效能提升及淨水處理技術優化之研究工作,對自來水處理技術及操作實務相當了解,且掌握關鍵核心技術,現階段預計可即時推展至民生用水產業之核心技術包括高效能混凝劑生產技術、抗菌濾料製造技術以及淨水污泥鋁回收再利用技術,各項技術說明詳述如下:

  1. 高效能混凝劑生產技術
  2. 抗菌濾料製造技術
  3. 簡易自來水薄膜過濾模組 (IS Water)
  4. 淨水污泥溶出鋁回收再利用技術

工業用水產業

      國內工業用水需求量隨著產業發展逐年增加,而工業用水之水質要求則愈來愈嚴謹。在供水量無法提升的限制下,工業用水效率提升已是產業界多年來不斷努力提升的目標。工業用水效率提升包括製程節水及使用後的排水處理、回收等。高科技電子產業為國內六大耗水行業之一,高科技產業廠商已被要求需達一定比率以上之製程回收率,並特別針對新設廠商,以較高回收率之標準要求遵循,且以回收率達成目標與否,作為評估新興重要策略性產業租稅獎勵之參考指標,如此對於產業用水處理與管理來說確實更具有迫切的需求,本聯盟透過歷年來工業用水與工業廢水相關處理等研究計畫,針對高科技產業與傳統產業廢水特性與用水需求開發處理技術與適用模組,並已申請專利,實際應用於高科技產業的用水改善與排水處理,輔導廠商達到節水回收的目標,並降低藥劑使用成本。現階段發展成熟且可即時推展至產業界之核心技術包括製程用水回收技術、製程排水處理及回收技術以及電半導體電極及光電濾膜脫鹽、脫色技術,各項技術說明詳述如下:

  1. 高科技製程排水處理及回收技術
  2. 排水回收技術
  3. 光電半導體觸媒氧化技術

休閒用水產業

      近年來由於國民所得提升及人民生活水準的提高,加上政府周休二日的實施,使得休閒活動越來越被重視,泡溫泉、游泳及Spa按摩則為近年來盛行的休閒活動之一。泡溫泉、游泳及Spa按摩皆屬於耗水量大的休閒娛樂活動,因此在循環淨化再利用並兼顧水質方面的衛生維持必然重要,水質狀況的好壞會直接影響到顧客的身體健康及意願,故水質不良對使用者來說不僅喪失了休閒娛樂的意義,更有可能導致使用者身體不適。
      休閒用水的循環淨化與衛生維持對產業發展相當重要,聯盟專家長期輔導溫泉業者開發相關技術及產品,對溫泉產業用水需求了解相當深入,目前提出三項新穎且可應用於休閒用水產業之產品及技術,各項技術說明詳述如下:

  1. 耐高溫纖維過濾技術
  2. 電解消毒技術
  3. 即時性微生物採樣與定量技術

高效能混凝劑生產技術

      過去數十年來,國內傳統淨水場普遍使用硫酸鋁(Alum)作為淨水用混凝劑,為了增加移除水中污染物之成效,近二十年來,淨水場廣泛地使用聚氯化鋁(polyaluminum chloride, PACl)混凝劑。依據104年臺灣自來水公司及臺北自來水事業處PACl混凝劑使用量統計資料顯示,國內兩大自來水事業所轄之淨水場對PACl混凝劑之需求量約60,000 公噸,主要由永吉、中華化工、惠盛、串昌、東展、大軒等六家廠商生產供料。
      由於PACl的合成技術主要是藉由添加鹼劑,使含鋁溶液中之單體Al離子預先水解,經由控制鹼化度、總鋁濃度及反應速率製備高含量Al13之PACl,故PACl的製備過程中的控制參數及技術決定PACl產品中之Al13成份高低。目前國外已將PACl化學合成和電化學原理進行綜合運用,建立了新型高含量Al13之PACl混凝劑的合成方法,透過選擇適宜的陰極材料、強化溶液傳質效能、優化電化學反應器構造等,可有效抑制極化現象、提高電解合成效率的方法,開發出具有低電壓、高電流特性工作狀態的多極並聯連續電解合成高Al13含量之PACl的設備系統,其具有電流效率高、易於進行參數線上調節、陽極鈍化程度低、極化現象小等突出特點。同時,中國大陸亦開發了一系列的PACl混凝劑合成程序,利用高溫高壓方式有效地控制水解聚合過程,降低了生產成本。另外,高含量Al13之PACl混凝劑合成設備還具備了產品出料和進料的動態平衡,並可線上隨時調整製備溫度,設備可用於現場製備,也可以用於商用PACl的合成。在最佳條件下,透過小規模連續生產系統,製備出鹽基度(OH-/Al3+)在2.2以上、Al13高於65 %、Al2O3含量為10 %以上的液體聚氯化鋁產品(臺灣自來水公司,2007)。此兩種製備高含量Al13之PACl混凝劑之方法均已實廠化,可大規模生產淨水處理所需之PACl,達到節省採購PACl混凝劑成本,提升淨水場營運效能之效益。然而,目前國內現有聚氯化鋁製造商大都使用高溫高壓法製備PACl混凝劑,缺乏產製高純度PACl混凝劑之合成技術,故PACl產品品質參差不齊,另,大多數淨水場使用之PACl混凝劑中,Al13含量偏低(<30%),其生產程序缺乏明確的科學理論基礎。
      本聯盟主持人黃志彬教授團隊2007年曾執行過臺灣自來水公司「高純度Al13混凝劑之混凝特性及製備研究」,並成功改良傳統化學法加鹼滴定方式,穩定控制傳統PACl生產過程之鹽基度,研發出有效處理國內淨水場原水之高純度聚氯化鋁(high-purity PACl)混凝劑,其鹽基度可達2.2以上,較一般傳統PACl混凝劑之鹽基度高,且含有高達60%以上的聚鋁(Al13)成份,使用此高效能PACl混凝劑可節省原水淨水過程之加藥量,同時降低淨水場出水之殘餘鋁含量,特別是使用高純度PACl混凝劑處理高濁度原水時,可大幅減少約30~50%污泥量。此研究成果獲得臺灣自來水公司重視,自2010年開始全面檢討PACl混凝劑之淨水效能,要求合約廠商提升PACl混凝劑品質及淨水成效,並由黃志彬教授研究團隊積極輔導國內主要生產食品級PACl混凝劑之中華化學工業股份有限公司,提升其生產PACl混凝劑之Al13比例達50%左右,以增強水中污染物(如顆粒及有機物)之聚集能力,原水之污染物即可快速沉降分離,達到淨化水質之效果。另一方面,強化PACl混凝劑之淨水效能及加藥控制可有效降低淨水場清水鋁含量,避免超過飲用水標準限值(0.2 mg/L as Al),以降低出水水質超標之風險,保障民眾飲水安全。此外,聯盟成員鄭文伯教授亦曾以超音波震盪輔助加鹼方式,利用音波振盪方式將微蠕動幫浦擠壓滴出之NaOH溶液液滴,瞬間破碎成更細小之微滴,使 OH- 離子以最均勻的方式進入鋁溶液中與 Al3+ 離子反應,避免 NaOH 液滴因直接加入鋁溶液中,產生局部過飽和現象,造成過多之低電荷大分子膠體鋁,甚至無混凝能力之Al(OH)3 固體的生成,利用超音波加鹼技術,可讓國內製造商在製備PACl之過程反應更均勻及降低過飽和反應之情形發生,並可有效縮短製備時間。

高效能混凝劑生產技術

      傳統淨水場通常以石英砂為濾材,此種濾料材質無法抑制微生物之生長,當水場處理含藻原水時,混沉程序無法去除之藻類進入快濾池後,因為藻類細胞內含有機物質,可作為天然原水中各式微生物之營養源,故濾池遭藻類堵塞後,微生物(如細菌)容易在濾料表面繁殖,造成濾料上之生物膜數量急遽增長而堵塞濾料間之孔隙,此種生物性積垢(bio-fouling)不容易藉由反沖洗移除,會延長濾池之反沖洗時間。傳統濾料之濾池隨著操作時間的增加,濾料表面之生物積垢逐漸增大,於早期過濾所形成之生物積垢對過濾水水質的穩定仍有良好的成效,但當過濾時間增長,生物積垢會嚴重堵塞濾床,降低濾池的過濾成效。國外早有將金屬氧化物作為抗菌濾料(anti-microbial filters)應用於飲用水處理成功之研究及實際案例(Byun et al., 2010; Van Halem et al., 2009; You et al., 2005),如銀塗料,因銀塗料可對於生物之附著生長有好的抵抗作用(Bielefeldt et al., 2009)。陶瓷銀過濾器亦可過濾水中之原蟲,抑制其生長。另外,研究亦指出金屬氧化物(如鋁氧化物)可藉由顆粒表面與蛋白質間之靜電斥力,降低家庭飲水過濾器之有機積垢,以阻絕微生物滋長,故金屬氧化物亦可作為抗生物之濾料(Yeu et al., 2009)。此外,國外研究證實二氧化錳濾材抵抗有機積垢(organic fouling)之程度優於二氧化鐵及二氧化鈦(Byun et al., 2010),或者使用零價鐵顆粒作為濾材亦可有效去除飲用水中病毒及降低其活性,以降低後續消毒所需之加氯量(You et al., 2005)。綜合上述,抗菌性高之金屬材質(如銀及零價鐵),可作為良好的抗生物濾材,但由於其材料昂貴不適用於淨水場大量使用,僅適合作為家庭小型飲水過濾材之用。雖然鐵氧化物、鋁氧化物及鈦氧化物亦均能在過濾程序中減少有機積垢,可有效減少生物生長所需之食物,抑制生物生長,但這些金屬氧化物在催化氧化作用抵抗有機積垢之能力均不如錳氧化物,且無法直接應用於自來水廠過濾產水上。
      本聯盟主持人黃志彬教授團隊曾於2010年執行國科會「低濁含藻原水最適處理藥劑及濾材之研究」,進行抗菌濾料開發及應用研究,近年來實驗室及淨水場現地研究證實以高錳酸鉀活化之錳砂可作為自來水處理之抗菌濾料(鄭,2014),且抗菌濾料效能之關鍵在於高錳酸鉀活化之濃度,活化錳砂濾料可有效殺死水中微生物(如大腸桿菌),明顯降低生物性堵塞之程度(林,2014),減少濾池反洗頻率及廢水產生量,提升傳統濾池操作效能,以活化錳砂作為抗菌濾料之生產成本較國外進口之抗菌濾料低,且可重複使用,符合國內飲用水淨水用藥劑規範,無須另外向環保署申請使用,兼具經濟及實用價值,尤其是以地下水為水源之水場通常使用錳砂作為濾料,若使用活化錳砂處理含錳地下水,可使錳離子在其氧化錳顆粒表面產生自媒催化,形成錳氧化物沉澱,以去除錳離子,且可降低快濾池濾料生物機垢之潛勢。雖然國內生產製造淨水用濾砂之廠商(如千昌股份有限公司)對於抗菌濾料開發相當有興趣,但卻一直無法掌握抗菌濾料製備之關鍵參數,故若能將活化錳砂生產製造技術推廣至國內產業界,則可建立國內製造商生產抗菌濾料之技術。此外,國內廠商對於淨水用濾材效能之測試能力較為缺乏,本聯盟成員吳志超教授過去曾於2012年執行自來水公司「過濾及反洗效能評估方法之建立及試行」委託研究計畫,建立國內淨水場濾砂過濾效能及品質測試方法,可協助廠商鑑定及分析生產之濾料效能及品質,以增加淨水用濾料之產品價值。

簡易自來水薄膜過濾模組 (IS Water)

      根據水利署統計,全國簡易自來水場約有900座,每日供水量在300~3,000立方公尺之簡易自來水場約有450座,依據自來水法第110條規定,簡易自水事業係由直轄市或縣(市)主管機關訂定自治法規管理,但地方主管機關礙於資源不足,簡易自來水事業無法有效管理,影響水質安全,且因位處偏遠,管理維護人員不足及欠缺專業技術。此外,國內簡易自來水場主要處理單元包括混凝、沉澱、過濾、消毒等,其中大多數簡水場僅有沉澱或過濾單元,甚至僅有消毒單元,其處理單元設備及管線大多簡陋老舊。本聯盟主持人黃志彬教授研究團隊自2013年起協助水利署執行臺灣18個縣市政府簡易自來水管理單位之業務督導查核(水利署,2013),對簡易自來水用水問題掌握相當清楚,並由本聯盟成員林志麟博士負責辦理臺灣本島北、中、南、東各區偏鄉或高地簡易自來水場之淨水單元操作示範及教育訓練,提升簡易自來水場管理人員之水處理專業知識及操作技能。另一方面,偏遠地區簡易自來水場設施單元無法自動化操作,多數水場均仰賴單一人力巡迴操作,且設施容易損壞而失去淨水功能,尤其是無法處理颱風或暴雨期間之高濁度原水問題,同時簡易自來水場大都採不加氯方式供水,用戶用水之大腸桿菌群密度及總菌落數時常超過飲用水水質標準限值,造成簡易自來水地區民眾用水常面臨無水可用或存在飲用水水質安全問題。因此,為了改善簡易自來水水質問題,黃志彬教授與聯盟成員李篤中教授在執行水利署「公共給水高級處理程序之薄膜技術建立」計畫中共同開發供水量達10 m3/day之簡易自來水薄膜過濾系統(IS Water),I是指Instant(立即),S是指自給自足(Self-sufficiency)及節能(Saving-energy),IS Water模組已成功應用於改善臺灣本島部份農村或山地地區簡易自來水供水水質。IS Water模組採用國內自行研發之聚四氟乙烯(PTFE)微過濾(MF)膜,簡易自來水場改採IS Water薄膜過濾模組淨水,可去除水中大部份的濁度物質,過濾簡易自來水水源之污染物,IS Water模組並具備定期自動薄膜清洗功能,在不加氯消毒之情況下,模組出水濁度及生物性指標均可符合飲用水水質標準,達到水質淨化功效。現階段兩套IS Water模組仍放置於台中市和平國中及新北市橫山國小校區內運轉中,在遠端監控操作方式下,持續協助校方改善生活用水水質。此薄膜淨水自動控制技術因操作簡易且維護便利,操作用電量低,操作成本較一般傳統方式製備的MF膜模組便宜且耐用,IS Water模組未來技轉廠商之可行性相當高,可創造國內新的簡易自來水事業營運商機及擴大淨水設施市場,提升民生用水產業之技術品質及產值。

淨水污泥溶出鋁回收再利用技術

      淨水場因於水處理混凝程序中添加鋁系混凝劑(如PACl或Alum),產生大量淨水污泥,企業若可回收污泥中之鋁金屬,將可再利用製成混凝劑,增加淨水污泥處理之附加價值。由於存在於淨水污泥中的氫氧化鋁是兩性物質,可溶於酸性或鹼性溶液中,因此也是含鋁污泥回收鋁鹽的最主要研究方向。以硫酸回收鋁鹽時,pH值越低時,酸化溶解汙泥中的鋁鹽能力越強,但相對的鋁鹽回收成本及操作不安全性也越高。使用氫氧化鈉時溶液pH值範圍在11.2~11.8之間會出現高的回收效率,但鹼溶的過程也會造成污泥中有機物的大量溶出,不利於鋁的回收,因此近年來的研究仍以酸溶為主。而若要回收高濃度Al3+,必需加入大量的污泥和無機酸,造成後續的固液分離過程需要較大的成本,因此基於經濟效益考量,在適當污泥濃度下,能所溶出的鋁鹽濃度通常也只有數百mg/L至數千mg/L,距離商業化的數萬mg/L仍有一段差距。相對的,若以離子交換樹酯進行回收則又無法濃縮至高濃度(Dhage el at, 1985),因此近年來有部份研究以薄膜方式進行回收,有學者以組合膜(composite ion exchange membranes)回收Al3+,選用對鋁離親和力強的薄膜,抓取鋁離子後再進行萃取,但此方式無法濃縮至極高濃度Al3+,且組合膜在商業上目前還無法大量推廣。
      為了得到高濃度之鋁離子並進行回收再利用,近年來本聯盟成員鄭文伯教授研究團隊共發展出三種實際之應用方式,其中兩項已獲得發明專利。三種新製程分別是:(1)應用普通家庭用之低價格商業化nanofiltration(NF)膜組對受Donnanexclusion排斥作用的特性,有效截留淨水污泥酸化溶出之低濃度鋁離子並加以濃縮,達到回收再利用之目的。(2)利用淨水汙泥中存在的鋁化合物與高濃度氨廢液進行銨明礬的製備,這在化學混凝汙泥再利用或高濃度氨廢液處理方法上,是一種全新尚未被開發的應用方向。(3)採用隔膜電解法同時分別將陽極及陰極電解槽的水電解成pH<2的酸性溶液及pH>12的鹼性溶液,使電解槽之pH值分別達到溶解污泥中鋁鹽之條件,將含鋁污泥中的Al(OH)3固體分別在陽極及陰極電解槽中以Al3+及Al(OH)4-方式溶出,含鋁之酸性及鹼性溶液過濾混和後可回收高純度之Al(OH)3固體作為混凝劑原料使用。淨水污泥回收鋁再利用相關技術專利包括含鋁污泥之鋁鹽回收濃縮方法與系統(中華民國發明專利I 415950, 2013)及使用隔膜式電解法從混凝污泥中回收鋁鹽(中華民國發明專利I 421213, 2014)。
      上述技術可作為自來水廠化學混凝污泥之處理技術發展之參考,發展成可行且經濟性的回收再製混凝劑方式,除可有效解決自來水廠每年15萬噸污泥必需之處理問題外,亦可節省操作成本,同時酸化及鹼化過程亦可降低污泥之產量。現行自來水廠混凝污泥每公噸淨水污泥之再利用代處理費視投標廠商數、淨水污泥之化學組成及淨水場地理位置而介於三百至一千元不等,已成為自來水營運主要支出費用之一。且少數地理位置較偏遠之淨水場,有時會遭遇無廠商願投標代處理之窘境,而使淨水污泥代處理費用更加高漲。本聯盟推展之淨水污泥溶出鋁回收再利用技術解決的問題具有實用上之需求,且技術具有安全、方便之特性,將來應極具有商品化之潛力。

化學機械研磨廢水薄膜回收

      由於高科技產業發展蓬勃、科學園區紛紛設立,其中仍以半導體、光電為主要發展產業,隨著產能的擴增,其產生的廢水量有增加的趨勢,半導體業產生的廢水大致可區分為蝕刻廢水、光刻廢水、逆滲透廢水、離子交換樹脂廢水及化學機械研磨(chemical mechanical polishing, CMP)廢水等等。其中CMP廢水因含有大量的奈米級微粒,在處理上較複雜,是目前半導體產業廢水處理最常遭遇的問題。CMP研磨廢液及後段清洗廢水,其成份除了奈米級顆粒之外,亦可能含有Cu、W、Ti、Ce等重金屬及其他未知成分;CMP廢水約佔半導體製程總廢水量之30~40% (江,2005)。
      現今半導體廠多以傳統化學混凝/沉澱法、薄膜處理法單獨處理CMP廢水或是納入氟系、酸鹼廢水合併處理。但這些方法於實際操作時皆遭遇一定程度上之困難:傳統化混程序中常有加藥不易控制的問題,且於處理過程中會產生大量污泥,造成後續處理的負擔;薄膜單獨處理則有容易阻塞導致通量下降且反沖洗次數頻繁等問題;近年來以薄膜分離處理CMP廢水的相關技術包括微過濾(MF)、超過濾(UF)及陶瓷過濾等已經被大幅採用而併入氟系廢水處理將會產生H2O2及NH4OH氣體,導致氟化鈣顆粒上浮、混凝效果不佳。部分高科技廠會將經過薄膜分離處理後的放流水加以回收,做為冷卻水塔的補充水、洗滌塔清洗水或一般清洗用途等次級用水,因而提高水的整體利用效率與廢水回收率(陳,2004)。本聯盟主持人黃志彬教授研究團隊過去幾年曾參與並投入科學園區半導體廠商CMP廢水處理技術開發,並與園區廠商建立合作與信任基礎,已輔導廠商處理 CMP 廢水以及後續水回收等問題(Huang et al., 2004; Den and Huang, 2005; Den et al., 2006)。

水中溶解矽酸移除

      工業廢水中的矽酸濃度隨製程而異,對於半導體產業的化學機械研磨(CMP)製程而言,由於製程中使用大量的非晶形矽石(amorphous silica),故其CMP廢水中溶解了大量的矽酸(約 80~140 mg SiO2/L),本技術利用鋁或鐵之水合氫氧化物膠羽吸附水中矽酸,特別是關於利用膠羽隨pH相變之過程解決矽酸吸附飽和的問題,可有效降低水中矽酸至目標濃度,且不需另進行再生動作,同時,水中固體二氧化矽亦可被有效捕捉。國內外目前無任何技術可解決矽酸吸附飽和的問題,其所使用的吸附劑不是拋棄,就是得經過再生,再生效率一般也小於60%。本技術特點在於有效降低水中矽酸濃度,且吸附劑可不斷重複使用,以解決矽酸吸附飽和的問題。吸附劑為鋁或鐵之氫氧化物,其中吸附劑之加藥來源可為硫酸鋁、氯化鋁、多元氯化鋁、鋁酸鈉、氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵、硫酸亞鐵等化學藥品之任何水合態。處理後工業廢水的矽酸濃度若能小於5 mg/L,則可以回收至純水製造系統,而不侷限於空調冷郤用水而已,這對CMP廢水(含70~120 mg/L溶解矽酸)的處理回收是一大突破,此技術已獲得中華民國專利(第I 300058號)。

含氟廢水處理

      除了CMP廢水之外,含氟廢水亦為半導體廠內主要的廢水來源,約佔全廠總排放量約30~50%,其主要來源為晶圓清洗及濕蝕刻時使用氫氟酸後所產生的廢水、回收水系統中再生樹酯後所產生之廢水及機台端局部廢氣處理設施(local scrubber) 和中央廢氣洗滌塔(central scrubber) 所排放廢水。目前國內外處理含氟廢水的技術主要是以化學混凝法、流體化床結晶法為主,處理低濃度含氟廢水則以離子交換法與吸附法為主,此外尚有許多替代性技術陸續發展中,包括逆滲透法、電混凝浮除法、晶種迴流法等(謝,2006),針對目前用來處理含氟廢水的技術相關研究包含化學沉澱、離子交換、流體化床結晶法等,目的皆為提升含氟廢水的處理效能。一般多採用加藥(如CaCl2或Ca(OH)2)、混凝、沉澱的傳統處理方式來去除廢水中的氟離子,然而,除了氟離子之外,含氟廢水含有磷酸、硫酸等混酸皆可能與氫氟酸競爭鈣鹽,為了達到放流標準常常需要添加過量的氯化鈣並會產生大量的污泥,且其含水率高達60~80%(鍾,2008);過量加藥對氟離子去除並無經濟效益、且增加處理成本,由此可知含氟廢水處理所需之化學藥品為總廢水化學藥品費用之主要支出,因此針對含氟廢水來源進行適當的分流與妥善的加藥控制為氟系廢水處理的重點之一。不同濃度的含氟廢水妥善分流亦為含氟廢水處理的重點,可有效的提升處理效率,並降低加藥成本。
      本團隊所研發之廢水除氟技術主要是在含氟廢水中提供適量碳酸根離子,在鈣鹽加藥前,調整pH於適當範圍,加入適量碳酸鹽後,加入所需鈣鹽,可產生「氟化鈣-碳酸鈣」之共沉物,有效放大顆粒,待反應完畢後,視所需處理效率可選擇直接進入沉澱式固液分離槽,或進入以鋁鹽混凝之混凝槽中,進一步混凝放大顆粒,可有效放大顆粒至mm級,其後可自由選擇採重力式固液分離或薄膜固液分離。本技術特點為 (1) 放大含氟廢水中之奈米級氟化鈣顆粒,且能令其原有之表面電性趨近於零,如此,後續不論採用何種固液分離單元皆能有極高的效率;(2) 可在不更動現有硬體設備狀況下大幅提升含氟廢水處理效能;(3) 可解決氟化鈣顆粒過小難以固液分離的問題(不論是重力式抑或是薄膜分離),同時可解決其表面電位為正而令混凝劑加藥過量的問題,即能維持殘餘氟在法規標準以下,又能節省加藥;(4) 廢水中產生「氟化鈣-碳酸鈣」之共結晶,在適當之pH及碳酸鹽劑量控制下,可將此共結晶粒徑放大至數十甚至數百微米以上,若再加入少量之混凝劑,即可放大廢水中之膠羽平均粒徑至1,000µm左右,採重力分離則可快速沉降,採薄膜分離則水通量大且不易堵塞。此技術已獲得中華民國專利(第 I 293065 號),可廣泛應用於所有製程中將產生氟系廢水的高科技產業,透過加藥控制以及固液分離等技術,可有效提升顆粒去除效率並節省加藥成本,該技術亦與工研院、水之源公司合作開發與推廣,廣受園區業者採納。

電容脫鹽技術

      工業廢水處理後使其符合排放或納管標準為廢水處理的基本要求,然而,經處理後的工業廢水若能再依其水質特性與再利用途徑使其再生回收,對於水資源短缺的現今環境而言已是國際發展趨勢。104 年行政院會通過之「再生水資源發展條例」草案中,擬定工業廢水整體回收率提高至八成及工業用水全面取自再生水為長期目標,因此,開發適用於台灣環境的水資源再生技術已是迫在眉睫。水再生技術之目標為脫鹽,意即去除水中的鹽類、氮、磷及有機物等溶解性固體物。
      電容去離子(capacitive deionization, CDI)是近年興起的脫鹽技術,農業迴歸水、生活污水及工業廢水之總溶解性固體物濃度約在3,000 mg/L以下,皆屬半鹹水之鹽度範圍。目前應用於半鹹水之脫鹽技術有低壓逆滲透(low-pressure reverse osmosis, LPRO)、奈米過濾(nano filtration, NF)及電析法 (electrodialysis, ED)等,此三種技術皆為利用薄膜將水分子與其他雜質分離,RO與NF係以壓力使水分子通過薄膜,ED 則是以電力為驅動力使鹽類離子穿透陰陽離子交換膜而將離子收集至濃縮液。傳統污水回收技術以RO薄膜過濾為主,但壓力幫浦的使用提高了系統能耗,且薄膜成本高又易產生積垢之問題,即使將RO與倒極式電透析結合應用,仍無法完全避免使用化學藥劑清洗薄膜造成二次污染,以上均屬目前技術無法完全克服之缺點。CDI以電場將水中離子移動至多孔性電極暫時被吸附儲存,待吸附飽和後再斷電或倒極使其脫附,該系統結構簡單可於常溫常壓下操作,同時能避免昂貴薄膜及額外清潔用化學品的使用,既可彌補目前技術缺陷又具成本效益且低能耗,因此被認為是最有潛力的脫鹽技術。然而目前CDI所用之電極,大多仍面臨鹽類吸附容量不足、電極面積無法放大及量產化的瓶頸;另外改良之模組系統應用至實廠操作等方面,已進一步的研發與驗證中,預期能提高CDI處理廢水的成熟度(莊,2013; Pan et al., 2005)。活性碳為低成本與高比表面積的電極材料,也常被應用於CDI技術中,但常因導電性不足,使得電吸附容量較低,碳黑因其價格便宜與導電性強,且於電極中適度的添加碳黑可增強電容以及脫鹽效果;近年常用的CDI模組型式為flow-by模式,且多為平板型電極型態,黃志彬教授研究團隊新創一種濾網型電容電極,並將構成濾網之金屬線,披覆新複合碳機能材料,使碳材料完整包覆於金屬線上,可大幅提高電極吸附離子之有效表面積並應用於flow-through模組中,兩個結合應用可提高電極的反應面積與縮短模組間隔距離,且濾網型電極能加速離子吸附,節省離子從電極空隙擴散進入多孔性碳材的時間。
      本聯盟主持人黃志彬教授曾與康淳、兆聯等廠商投入高科技產業製程用水技術研發,並已在科學園區半導體廠具有輔導與應用實績,確實可降低廠內超純水系統運轉與耗材成本,作為高科技廠年度歲修與用水計畫的評估依據。

節能高效電混凝技術

      本團隊之節能高效電混凝技術可去除水中之離子、色度、油脂、溶解性有機物、毒性物質、放射性物質、細菌等污染物質,主要應用於工業廢水處理及回收,亦可應用於含有特殊污染物之廢水處理及回收。相對於傳統混凝技術,電混凝技術之主要優勢為免用化學藥劑(減少大量污泥產出)即可有效進行自來水、生活污水、工廠製程水、工廠廢水、礦場廢水、農業廢水、土壤地下水污染處理及回收。本研究團隊引用之節能高效電混凝技術除大幅改良傳統電混凝技術耗電高、維修成本高、維修不易之缺點外,更大幅提升對於污染物質的去除率。經成本計算,節能高效電混凝技術應用於工業廢水回收,其成本可低於自來水購置費用,更低於水源開發之費用。
      節能高效電混凝技術可選用鐵電極或鋁電極(示如下圖),除污之方式包括:(1)產生核心-陽極的金屬板(以鐵板為例)產生帶電的鐵離子(Fe+3)溶於水。陰極的水分解成氫離子(H+)和氫氧根(OH-)。氫氧根在水中和鐵離子結合,產生氫氧化鐵,稱作綠銹,變成小核心。綠銹和污染物(如:重金屬離子)反應成鐵-重金屬-氫氧化物聚合物,會去吸附在氫氧化鐵核心上,變成更大、更穩定、不會溶解的大顆粒。(2)鹵素合成-鐵離子和氯結合成碳氫氯化物,然後凝結成不會溶解的大顆粒。使殺蟲劑,除草劑和多氯聯苯從水中分離。(3)乳液分離-氧和氫離子綁定在油分子水的受體上 ,讓其不溶於水,使油污、泥水、染料和墨水等分離出來。(4)電子沖擊-油污和微生物等雜質受到水中電子的沖擊,表面極性改變,讓膠狀物容易吸附在核心上,凝結分離出來。電子產生的滲透壓也可以破壞微生物、胞囊和濾過性病毒。(5)漂白-反應槽內產生的氧離子用來氧化染料、氰化物、細菌、濾過性病毒、有害生物等。(6)轉變酸鹼度-電混凝可用在pH值4-12的溶液中,化學程序使溶液酸鹼pH值加減1,轉變趨向酸鹼中性。

      本電混凝技術之特色為:(1)使用大面積電極,化學反應最快,處理效果最好。(2)使用直流3V電壓,省電且成本低。(3)電源設計簡單:將所有的電極串聯,且將電壓計算後設定電極數,不需要變壓器,省掉濾波用的電容和電阻,可供應大面積、數量多的電極,用在大水量的廢水處理。(4)水流設計優良:水流由下往上流,產生的氣泡和凝結物立刻被水流帶走,不會停留在電極之間,免除短路或影響化學反應。(5)速度快:化學反應完全,雜質凝結速度快,水通過電混凝水槽只要一分鐘時間。(6)節省體積:以相對小的電混凝水槽達到較大的處理容量。(7)耐用性高,維修周期長:系統操作僅消耗電極鐵(鋁)片,本系統之鐵片為面積大,較其他電混凝系統耐用數十倍,通常一個多月才需要維修一次,停機時間大幅縮短。(8)維修零件供應容易,成本低:電極鐵(鋁)片是普通3mm厚,長方型,不需任何加工,因此任何地方都可以買到,不需向原廠訂購,甚至回收再製的鐵(鋁)片都可以用,成本低廉。(9)維修簡單快速:只有第一片和最後一片電極需要連接到電源,其他的電極完全不需要連接到電源,只要取出舊材換新即可,不需特殊技術,且無線路接觸不良問題。(10)減少電極沈積:設計每分鐘反轉電源一次,避免產生電極表面沈積。(11)設備建置成本低:電源、電極、電線、接頭都設計簡單,成本低;(12)維護成本低:因化學反應效果好,省電,污水處理電費可以低到0.5度電/噸產水。
      本聯盟執行長陳筱華博士曾與淶達科技公司、鴻華環保公司合作,於彰濱工業區二億紡織染整公司架設模廠,應用於染整廢水處理(詳照片),大幅去除廢水中之色度和有機物;並於本田汽車廠架設實廠,處理及回收含油墨廢水(詳照片),有效廢水中去除油墨,並將廢水循環回收利用。

光電半導體觸媒氧化技術

      黃志彬教授研究團隊曾使用較低成本或高效能之原料(如二氧化鈦、人工鑽石、碳黑)進行新型電極材料開發及改質,改善原有電極在水處理過程之電腐蝕之現象;此外亦積極開發半導體電極材料,如p型半導體電極及光電半導體光電陽極,以結合電化學與濾膜系統使其可同時去除水中有機物及無機顆粒,改變大眾對薄膜僅可過濾應用之思維。以電泳沉積法、陽極氧化法及溶膠凝膠法製備TiO2電極濾網,結合可見光光電催化與電芬頓成一複合性光電芬頓反應機制,有效提升系統電子利用效率而達成高效淨水之目的,並將所開發之光電半導體淨水膜組於台灣實廠應用(光電半導體濾膜淨水設備研發3年計畫,經濟部學界開發產業技術計畫),相關研究成果已獲得四項專利,另含2項技轉(金額共146萬元),光電半導體濾膜模組如下圖所示。聯盟主持人黃志彬教授曾與聯盟成員胡啟章教授結合工研院的研發能量,對於光電薄膜電極進行改質與改良,可應用在廢水脫鹽與回收,提高電極使用效率以及用水效率(Huang et al., 2007; Lin et al., 2013; Juang et al., 2013)。除此之外,聯盟成員李篤中教授亦掌握廢水脫鹽處理與高色度廢水脫色之核心技術,已成功應用在化工製程相關廢水、染整廢水的處理,李教授亦擔任過經濟部小型企業創新研發計畫(SBIR)民生化工組召集人,對化工產業廢水處理技術相當了解,可強化聯盟對工業廢水處理及回收技術輔導及推廣。

耐高溫纖維過濾技術

      休閒或遊憩用水中,如溫泉或是海水富含高濃度離子,如鎂、鈣、矽等元素,皆容易於水中形成碳酸鹽或氧化物等固體粒子,並導致顆粒沉澱或形成結垢物,於循環淨化的砂濾系統中,易導致濾砂結塊,不易反沖洗,並縮短濾砂過濾系統使用壽命。日本針對溫泉的循環濾砂過濾,亦有採用高佳的陶瓷過濾器來進行循環淨化,本聯盟團隊提出以PPS或polyimide等耐高溫纖維(如下圖),製成纖維球取代傳統的矽藻土或石英砂等濾料,易於反沖洗且不易與水中溶解鹽類離子形成結垢物,將作為傳統循環過濾系統中的新利器。國內主要從事泳池、三溫暖規劃設計與建造之企業(如超群三溫暖公司)對此產品推展相當有興趣,未來將此耐高溫纖維球應用於休閒或遊憩用水過濾設施上,可避免發生濾料結垢之問題發生,提升國內本土淨水設備廠商產品之競爭力。

電解消毒技術

      休閒或遊憩用水的衛生條件的維持是必要的,衛生的維持手段通常為消毒,傳統的消毒方式就是加氯消毒,國內外一般業者皆會購置10~12%有效氯的液態次氯酸鈉,並將其儲存於藥桶之中,由於現場藥劑儲存槽容量與每日的消耗用量不等,次氯酸鈉於現場儲存時間從數日至數個月,因此也存在次氯酸鈉老化、儲存以及運送的問題。在成本經濟、操作與維護便利以及安全考量之下,利用電解消毒對遊憩用水進行消毒,由於電解消毒藥劑中,通常含有自由餘氯、臭氧、二氧化氯、過氧化氫及些微自由基,此類為高氧化態物質,雖然可以有效的消除浴池中的細菌,卻也導致浴池中氧化還原電位的升高,對長期洗浴溫泉或使用水療的人來說,其皮膚及呼吸系統的影響風險的確是不容忽視的。因此,如何能維持浴池中水的衛生條件,又能確保水質的還原特性,是電解消毒技術之優勢。本技術已申請中華民國專利娛樂用水之消毒系統(新型M 341031)。國內從事溫泉飯店環境消毒、浴池消毒之主要廠商(如立可適殺菌水股份有限公司)一直在尋找穩定且安全的休閒用水消毒系統,電解消毒技術推展至產業界,可確保溫泉水衛生安全,擴大民眾使用溫泉之意願,增加溫泉業產值。

即時性微生物採樣與定量技術

      休閒或遊憩用水為維持良好水質須定期採樣分析,現今標準方法水中總菌落數檢測方法-塗抹法需耗時24~48小時,且需耗費較多成本及藥品,且無法立即快速提供水質之概況,對於維護良好水質之情形上成為一項嚴重的問題。微生物採樣技術主要利用金屬薄膜過濾及革蘭氏染色法並搭配簡易型USB顯微鏡建立一套微生物過濾鏡檢系統,利用USB顯微鏡拍照與電腦軟體計算微生物平均面積,並與環保署法規公告標準方法總菌落數分析方法比較,研究結果顯示,塗抹法與簡易式過濾鏡檢法關聯性R2值為0.897,表示過濾鏡檢法與之塗抹法有良好的線性關係。微生物採樣系統係設置一採樣通道以及一反洗通道。採樣通道係讓一待採樣液體流通,當待採樣液體在採樣通道中流通並經過一過濾單元時,待採樣液體的微生物會留在過濾單元上。然後,反洗通道係讓一反洗液體流通且經過過濾單元,當反洗液體在反洗通道中流通並經過過濾單元時,會將留在過濾單元的微生物帶走。藉此,微生物分析單元就能夠分析反洗液體中之微生物。微生物分析單元可設置於反洗通道的一端而接收反洗液體之一部分並進行分析,進而達到自動分析功能。因此,微生物採樣系統能夠節省人力成本及時間,並提升分析的準確性,以及達到即時、大量的採樣與監控。本發明已取得中華民國專利(發明I 522463號)。國內從事溫泉與海洋深層水產品研發之泓發樂活氏水科技服務(股)公司,乃是一家以整合創新技術力,強調對生命關懷與尊重自然的研發服務公司,其公司得技術研發聚焦重點在如何創造水對人體健康促進,如何確保日常飲/用水的絕對衛生安全,如何維護水的生態環境等訴求健康與永續的樂活氏(LOHAS)水市場。本聯盟預計透過此項創新技術產品的推展,可帶動新興樂活水系統的運作,創造嶄新的服務契機,開創水在「健康養生」的新價值。

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聯盟儀器

交通大學提供聯盟會員進行相關淨水技術、設備效能、淨水藥劑及水質特性分析之重要儀器分列如下:

儀器/廠牌/型號

相 片

儀器/廠牌/型號

相 片

微波消化

CEMMARS
Xpress

全波長式分析儀

TECAN
Infinite M200 Pro

紫外線可見光分光光譜儀

HITACHI
U-3010

孔震盪恒溫培養箱

TAITEC
MBR-024

感應耦合電漿發散光譜儀

Agilent Technologies
ICP-OES 700 Series

顯微鏡
NIKON
ECLIPSE E400

離子層析儀

DIONEX
DX-120

多螢光影像分析系統
VILBER LOURMAT

E-BOX-1000/26M

離子層析儀

DIONEX
ICS-1000

光學式接觸角測量儀

MagicDroplet
Model 100

氣相層析質譜儀

THERMO TRACE™ 1300 GC ISQ™ Series Single Quadrupole

總有機碳分析儀

SHIMADZU
TOC-L

高溫高壓滅菌釜

TOMION
AUTOCLAVE TM-321

顆粒影像分析儀

Fluid Imaging Tech.
Portable FlowCAM

微小顆粒計數器

Nano Sizer 
KL-28B

多功能混凝瓶杯試驗器
杯試驗模組

高溫燒結爐

LINDBERG
BLUE-M

熱風循環烘箱

WTB-Binder
FD-53

雷射顆粒技術微粒分析儀

Malvern
MASTERSIZER 2000

 

 分光光譜儀

HACH DR 4000U spectrophotometer

 

紫外線可見光分光光譜儀

Metertech
UV/VIS SP8001 

  純水製造機

Sartorius stedim
arium 611DI

 

防水型總餘氯測試儀

EXTECH
CL200 Chlorine meter

恆電流分析儀

Autolab 
Aut302n

 

超純水裝置

MILLIPORE MILLI-Q

高效能液相層析儀

Waters Alliance 2695 Separations Module and 2996 Photodiode Array Detector

 

 

螢光光譜儀

Agilent Technologies
Cary Eclipse Fluorescence Spectrophotometer

 

 

 解剖顯微鏡 

ZEISS
Stemi 508
 

聯盟成果

敬請期待

組織架構

服務分工

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活動報導

2017-03-29 中鋼公司現地訪視
2017-03-31 永吉化工專業諮詢

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