一、前言

水資源有效管理迫在眉睫，隨著人口成長、都市化、經濟成長等，缺水現象越趨加劇，根據世界銀行報告指出2030年全球將面臨降雨短缺達40%，並將直接衝擊供水系統。現今，世界各國雖已開始嘗試透過水管理改善，如新興水資源開發、精緻農業、工業水回收及都市用水再生等方式，進行技術整合開發驗證及成本分析以因應未來缺水問題，但其改善速度仍有限，僅可補足至2030年用水缺口之20%~50%⁽¹⁾。於民生用水方面，新興水資源(Unconventional Water Resource)的開發可以協助提供穩定供水，海水資源無限，故海水淡化(Seawater Desalination)已成為一風險管理工具，成為抗旱及應對氣候變遷解決方案之一。近年來，許多國家及地區面臨系統性缺水，海水為穩定替代水源，因此目前已有超過150個國家使用海水淡化技術，提供至少三億人使用，而海水淡化之達成則為透過脫鹽技術(Desalination Technology)以去除水中之離子，以達降導之成效。海水淡化的同時產出高濃度的鹵水，目前處理方式為排放回海裡，根據許多研究皆顯示當海洋生物進入了超過他可承受的環境鹽度時，會影響其生物行為，使海洋生態造成不可逆的環境衝擊，海淡鹵水的處理成為一大議題，此外，因應政府高規格要求產業落實水回收再利用政策，產出高濃度再生水濃排亦是一大問題，將驅使產業廢水處理走向零排放(Zero Liquid Discharge, ZLD)。廢水零排放程序末端鹵水經由蒸發取出純水之後，產出的混合離子僅能廢棄處理造成環境二次污染，如何從中提取出，並轉化為有價資源，將是未來處理技術發展一大趨勢。遂此，本文章將針對脫鹽及鹵水資源化技術進行介紹，包含低碳海淡、海淡鹵水資源化、工業廢水提濃與鹵水資源化，可做為未來技術可行發展方向參考資料。

二、脫鹽技術介紹

脫鹽技術常被拿來移除水中的鹽類(離子)，被廣泛應用於民生污水或工業廢水處理，其進流水根據DesalData分類可依水中總溶解固體物(Total Dissolved Solids, TDS)分為海水(Seawater, SW) (TDS = 20,000~50,000 mg/L)、半鹹水(Brackish Water, BW) (TDS = 3,000~20,000 mg/L)、河水(River Water, RW) (TDS = 500~3,000 mg/L)、純水(Pure Water, PW) (TDS < 500 mg/L)、鹵水(Brine) (TDS > 50,000 mg/L)或廢水(Wastewater)。脫鹽技術(Desalination Technology)主要可分為逆滲透(Reverse Osmosis)、多級閃蒸法(Multiple Stage Flash, MSF)、多效蒸餾法(Multiple Effective Distillation, MED)、奈濾(Nano Filtration, NF)、電透析/倒極式電透析(Electrodialysis/Electrodialysis Reversal, ED/EDR)、電去離子(Electrodeionization, EDI)與其他(如正滲透、薄膜蒸餾、真空壓縮等)，其技術佔比及處理原水種類如圖一所示，因處理之原水總量以海水為最大宗，故以脫鹽技術總處理量占比來看仍以逆滲透技術為多數。雖脫鹽技術仍以薄膜法與熱法為主流，近年來快速發展之電透析(Electrodialysis, ED)透過薄膜法與電化學法(Electrochemical Method)之結合，亦始被廣泛應用於化工、生物製藥、食品加工等製程，其原理為透過離子交換膜(Ion Exchange Membrane, IEM)與電場驅使水中陰陽離子移動，如使陽離子往陰極移動，陰離子則往陽極移動，並於過程中藉由陰陽離子交換膜之阻擋，以達分離之效果，通常為延長電極及膜材壽命則透過定期倒極避免長期操作產生結垢(Scaling)等問題，故稱為倒極式電透析(Electrodialysis Reversal, EDR)。

圖一、全球運轉中脫鹽水廠依技術及處理原水種類佔比⁽²⁾

1. 民生應用-低碳海淡發展崛起

   全球近三成人口居住於靠海的都市中心，在許多乾旱地區(如中東、澳洲、北非及南加州等)，其沿海地區人口集中度超過75%⁽¹⁾。近年來，隨著缺水加劇與脫鹽技術成本漸低，海水淡化漸受重視，並自經濟條件許可且缺水之國家開始被採用，如中東及北非地區，其約佔全球47.5%，其分布區域如圖二所示^(1,2,3)。根據國際海淡協會(International Desalination Association, IDA)及GWI DesalData (Global Water Intelligence, GWI)之報告中指出，截至2021年全球共有18,426座海淡廠營運中，遍及183國，每日最高可提供7,800萬噸產水供應3億人使用，單就2021年來看，已發包總海淡廠容量達1,021萬噸/日；脫鹽技術的發展使其漸具成本競爭力，故使得海淡廠數不斷增加，相較於2008年之日產水4,760萬噸，年增長率超過10%^(1,4-5)。

   

   圖二、全球脫鹽廠/海淡廠分布位置、技術種類及產水量⁽³⁾

   
   
   1. 海淡常見之脫鹽技術

      脫鹽技術種類多元，但現今主流海淡技術仍以熱法(Thermal Methods)與薄膜法(Membrane Methods)為主，熱脫鹽程序(Thermal Desalination)為透過煮沸及蒸發冷凝技術回收淡水，其中最常被應用的熱脫鹽技術為多級閃蒸法(Multistage Flash Distillation, MSF)與多效蒸餾法(Multiple-Effect Distillation, MED)，皆為透過熱蒸發使含鹽原水流經一系列逐漸減壓的腔室(Chambers)以得冷凝水。一般而言，MSF適用於大規模廠域，其產水成本為1.02~1.74 USD/m³ (平均1.44 USD/m³)，MED則較適用小規模海淡廠，其產水成本為1.15~1.50 USD/m³ (平均1.39 USD/m³)，其規模越大產水成本則減；此外，雖MSF之發展較早且具有成本優勢，但MED之出現創造了更高的效率，在低能源需求及低建置成本需求下，未來將有機會取代MSF成為熱法海淡之主流⁽¹⁾。薄膜程序(Membrane Processes)應用於海淡多採逆滲透法(Reverse Osmosis, RO)，故稱為海水淡化逆滲透(Seawater Reverse Osmosis, SWRO)；其原理為使水分子通過RO膜以收集淡水，為減少膜材阻塞現象，SWRO廠通常需建置完整前處理設施，而此技術也常被應用於廢水處理。目前SWRO仍為海淡主流技術，約佔全球已建置海淡廠之60%，其中約82%座落於海淡發展最迅速之中國⁽⁵⁾。近年來SWRO技術之提升，尤以膜材改良如非對稱膜(Asymmetric Membrane)，使產水通量(Flux)大幅提升，系統能耗得以降低，並同時延長膜使用壽命等，大幅降低SWRO處理成本，其脫鹽成本自1990年代中期0.64~0.80 USD/m³降至0.50 USD/m^{3(3, 6)}，惟SWRO雖具有成本優勢但其潛在因素(如選址)也降低了其適用性；而整合薄膜法與電化學法之ED/EDR雖已被廣泛使用於工業、民生等用途，但仍較少應用於海水淡化。

      一般而言，現已有多種海淡技術並成功應用於實廠，其仍以SWRO及熱法為主，SWRO市佔率約近六至七成，其自90年代已漸超越熱法，熱法則主要應用於中東等地區。除分布地點氣候因素外，海淡系統操作參數與維運過程則涉及水回收率、產水能耗、用藥量、耗材等層面，概述如下：

      1. 回收率：熱法需使用大量原水，因其回收率(Recovery Rate)僅有10~20%；SWRO回收率為30~50%。
      2. 能耗：以操作成本而言，熱法以能源消耗為主，佔約66%；薄膜法(SWRO)能源消耗佔比約為41%。若以單位產水能耗比較，熱法與SWRO分別為2~10 kWh/m³及4~6 kWh/m³⁽⁶⁾。
      3. 用藥：化學藥劑常被使用於清洗、前處理或後處理程序，常用的包含鹽酸、硫酸、硫酸鈉與抗垢劑(如聚磷酸鹽、高分子聚合物)等，而化學品使用量與水廠規模、設備流程及效能息息相關。
      4. 耗材：膜材更換費用取決於進流水(原水)水質而定，依鹽度不同其成本約為總操作成本之5~20%，進流水質越複雜，將導致膜更換費用越高，一般而言，中等規模半鹹水(Brackish)淡化廠其膜更換費用約為每噸產水0.013 USD，海水淡化廠(Seawater Desalination Plants)則為0.031~0.053 USD/m³，而維護費用為總建置成本之1~3%不等⁽⁶⁾。

      綜觀上述，海水屬可穩定供水之新興水源，各國政府為因應未來用水缺口，皆積極規劃及推動海淡廠建置；現有海淡廠多採用膜法(如逆滲透)及熱法(如多效蒸餾)，其產水成本高、高碳排，且濃水/廢棄物易造成海洋生態破壞，故為因應龐大的海淡水需求，未來海淡技術更應朝向低成本、節能減碳、低環境衝擊目標開發；再者，因應化石燃料成本提高及淨零碳排議題，海淡廠亦可採以結合再生能源之方式規劃，如整合綠能或與電廠結合，並利用餘熱發電降低總體產水能耗，將可達開發新興水資源的同時亦具環境友善之目標。

      此外，現行海淡鹵水大部分的處理方式為設置排水暗管，延伸至海外再沿著海溝往下至10米深處排放，然而高鹽度鹵水對海洋生物將造成一定的威脅，甚至是影響生態環境間接造成人們生活上的不利，海水中富含鈉、氯、鎂等有價資源，若可將其回收，除可降低鹵水之鹽度並可產製出有價資源(酸、鹼、鹽)，如圖三。

      

      圖三、海淡鹵水資源化概念

      
      
   2. 海淡鹵水資源化

      海淡鹵水一般的離子濃度大概為50,000 mg/L，其中含有大約1,000 mg/L鎂離子、500 mg/L鈣離子與3,000 mg/L的硫酸根，可透過電透析技術搭配功能性膜片，吳等(2022)提出將其與一價的鈉、氯離子分離並提濃，如圖四所示，產出一股富含鈣/鎂的溶液與一股硫酸根溶液，將兩股混合藉由化學特性可將鈣以CaSO₄形式提取出，剩餘即為富含鎂的溶液⁽⁷⁾。

      

      圖四、鈣、鎂提濃試驗

      
      

      提取出鈣、鎂離子後的鹵水，剩餘的大部分則為Na⁺及Cl^-，藉由電化學分鹽技術可將其轉為HCl與NaOH，如圖五所示鹵水導電度可由80 mS/cm降至<40 mS/cm，同時可轉化出約10 wt%之酸液與鹼液，此時鹵水中的離子含量約等於海水，達成降低鹽度的目即可友善放流回大海，而鹼液則可與鎂溶液產出高純度的Mg(OH)₂，未來更可應用於食品與醫藥方面，有利後續產業之應用。

      

      圖五、海淡鹵水轉化酸鹼試驗

      
      
2. 工業應用-資源循環再利用

   工業廢水主要由有機物及無機物所組成，有機物通常可透過生物處理進行降解，常見指標如化學需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)及總有機碳(Total Organic Carbon, TOC)，水中之無機物則往往由水中離子所組成，如導電度(Conductivity)、總溶解性固體物(Total Dissolved Solid, TDS)等指標；一般而言，無機鹽類之去除即稱為脫鹽(脫除鹽類)或降導(降低導電度)；近年來，各用水用途遽增，尤以工業用水需求量增幅最大，故許多國家紛紛針對相關產業提出水回收甚至是零排放之規範，而產業為達此目標，如圖六所示，其廢水經前處理去除有機物後則需透過適當之脫鹽技術，以達水回收率之提升，進行水循環再利用，而末端高鹽鹵水現階段採用熱蒸發程序，藉由大量的熱能使水分蒸發，而剩餘的混合固體鹽類無法再利用，僅能以清運掩埋方式處理，國內廢棄物可掩埋區域限縮，終將趨於飽和，導致未來可能發生固體廢棄物無處可去窘境。水回收系統除常見之薄膜技術外，黃等人(2020)⁽⁸⁾發表採用EDR技術應用於印度皮革工業零排放聯合廢水處理廠(Common Effluent Treatment Plant, CETP)之RO濃水(RO Reject, ROR)再濃縮，將進流水導電度自84.1 mS/cm提濃至134.2 mS/cm，濃縮達1.6倍，並以倒極操作方式減緩因高導電度環境造成之結垢現象，除了驗證EDR可適用於處理高導電度RO濃排水，更可顯著降低後段蒸發系統處理量，減少廢水處理成本。

   

   圖六、傳統零排放程序

   
   

   除了單純針對減少濃鹵水量、提高水回收率與降低熱系統成本之目標外，近年來更陸續開發可將鹵水中有價資源進行資源化之技術，目前高價值化合物提取方式大都為蒸餾、離子交換、溶劑萃取、吸附、膜分離、共晶冷凍及電透析等方法⁽⁹⁾。其中電透析法(Electrodialysis, ED)則被廣泛應用於脫鹽之水處理及回收技術，其利用電場驅動下可有效分離水中無機離子之特性，優於使用壓力來分離的薄膜系統⁽¹⁰⁾，又可分為電解去離子技術(Electrodeionization, EDI)、倒極式電透析(Electrodialysis reversal, EDR)及雙極膜電透析(Bipolar membrane electrodialysis, BMED)。

   雙極膜電透析相較於傳統電透析法，其陰陽離子可藉由雙極膜水解出之H⁺及OH^-結合形成酸與鹼，如圖七所示，故此系統於鹵水、工業及食品製成等廢水處理的同時可產生有價之酸鹼物質⁽¹¹⁾。目前雙極膜電透析大都應用在單離子化合物的產酸鹼，還無法應用於混合離子的分離及酸鹼純化，工研院藉由電場調控、機構設計與搭配功能性離子交換膜開發出可處理複雜廢水組成的R2A (Recovery to Acid and Alkali)系統，有效使混合離子同時達到分鹽及產製酸鹼，使產製酸鹼更能符合產業應用需求。

   

   圖七、雙極膜電透析技術原理⁽¹²⁾

   
   
   1. 鹵水降導/資源化評估

      將高鹽鹵水轉化酸鹼技術導入於乾燥單元前，如圖八所示，處理部分濃排水將離子轉為酸液與鹼液，此時脫除離子後的降導水回到水回收系統前，可提升再生水量、並減少EVP處理量。案例應用於某科技業實廠廢水，經由資源循環再生零排放程序的導入，將部分離子轉為可再利用的酸液與鹼液，剩餘約10 mS/cm的降導水導回水回收系統前，可使再生水量提升約15%，而整體廢水零排放處理成本加上回收的藥劑開銷可節省約71%，減碳效益的部分由於減少EVP單元60%的處理量，大幅降低熱系統所需的能源與末端廢棄物清運及藥品的碳排放，使整體系統處理每噸廢水可降低10 kg碳排量。

      

      圖八、高濃鹵水資源化概略流程

      
      

      工業廢水除應用於鹵水外，如圖九所示，亦可應用於半導體廠的2B3T樹脂再生廢液處理，樹脂再生液大多使用5 wt%鹽酸與液鹼，因此產出的廢液導電度約占全場排水導電度的50%，將此股廢液的中的離子轉化為可再利用的酸液與鹼液(>5 wt%)，同時可降低排水導電度，達到廢棄液資源化；亦可應用於蝕刻廢液的酸洗液純化，針對酸提取並提濃再製為工業級酸液；含鹽有機廢液可藉由此技術進行脫鹽，轉化成可再利用的鹼液，R2A轉化酸鹼技術可有效降低原來廢液的處理成本，同時達到廢液資源化減少末端廢棄物產出。

      

      圖九、R2A轉化酸鹼技術應用

      
      
   2. 樹脂再生廢液資源化

      純水樹脂再生廢液包含陽離子塔再生廢液及陰離子再生廢液，陽離子塔功用為去除水中陽離子，如一價的鈉、鉀離子及二價的鈣、鎂離子等，再生時，係利用4-6%鹽酸進行再生，將吸附飽和樹脂上的鈉、鉀、鈣、鎂離子脫出，而最主要的離子成分還是酸再生液的氯離子；陰離子塔則是去除水中陰離子，包含一價的氯離子、硝酸根、矽酸鹽及二價的硫酸根離子等，再生液使用4-6%的液鹼(NaOH)，因此再生液中將含有較高濃度氯鹽、硫酸根，而主要的離子成分則為鹼再生液中的鈉離子。其中鈣、鎂及矽在R2A系統運作時會產生無機性結垢物質，導致膜阻塞及系統效率降低，因此必須先行去除。傳統的軟化程序可藉由pH值的控制，使鈣、鎂形成氫氧化物去除，同時在高pH值時，產生的氫氧化鎂會與矽酸鹽產生鎂矽酸錯合物，具有共沉降作用，為了避免軟化時加藥突增的系統運作成本，因此軟化程序係利用原本酸、鹼再生廢液混合調整pH值，達到軟化效果，如圖十。如表一所示，藉由酸鹼廢液於一定混合比例下時，可使混合廢液pH>12，可有效降低鈣、鎂及矽酸鹽的成分，達到軟化效果。

      

      圖十、樹脂再生廢液資源化

      
      

      表一、樹脂再生廢液無加藥軟化試驗

      

      轉化酸鹼結果如圖十一所示，將樹脂再生廢液中Cl^-、Na⁺分別轉換為HCl、NaOH，原來的廢液導電度則可降至10 mS/cm、降導率達80%，生成HCl濃度可達15 wt%、NaOH 20 wt%，純度分別為96%及97%。樹脂再生液資源化之產業效益評估可分為酸鹼附加價值與環境影響來看，以銅鑼園區為例，因排放水體為灌溉渠道，因此廠區排水納管導電度要求須<10,000 µS/cm，後續再由廢水處理廠集中處理至<750 µS/cm。

      

      圖十一、樹脂再生廢液轉化再生液結果

      
      
   3. 蝕刻廢液資源化

      以某科技廠蝕刻廢液為例，主要使用磷酸為蝕刻液，產出的廢液主要為磷酸，而不純物為微量的銅離子，如圖十二所示透過R2A技術可將此股廢酸純化並預提濃為10 wt%的磷酸、銅離子<1 mg/L，再藉由熱蒸發程序將其濃縮為工業級磷酸，即可回到產業再利用，技術導入可使廢棄污泥減少75%，達到廢液減量、物質資源化之目的。

      
      

      圖十二、蝕刻廢液資源化概念及純化試驗成果

三、結論與建議

脫鹽技術已被廣泛應用於工業、民生等水處理用途，其中海淡技術能耗隨著科技發展，逐年降低，但能耗成本仍然佔了整體海淡廠60%以上，結合綠能系統，已成為系統節能必要手段，但其中儲能、電源管理、相關綠能硬體設施及適切的脫鹽技術，仍有有待未來開發。廢水處理方面，以往產業在進行產品生產過程中所排放的廢水，處理流程考量僅符合排放標準而已，現況產業更加重視企業社會責任與ESG的落實，除了能夠將水回收外，甚而達到水中物質的循環利用；同時，更須因應節能減碳趨勢，使處理技術更加精進。產業廢水最極致化處理方案即是廢水零排放，回收再利用至少90%以上之水源，但系統能耗及成本一直是無解的議題，必須透過處理流程的重新設計及個別技術優化，才可能降低能耗與成本，方能於產業廣泛推廣應用，尤其在低耗能水回收與高效率提濃與鹵水處置，更是具有迫切需求的議題。因此，本文透過技術研析盤點，整合低碳脫鹽技術與鹵水處置方案，以期能解決產業用水缺口，提供環境友善生產製程，並同時符合低碳程序目標。

四、參考文獻

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