為了緩解水資源不足的問題,由台灣大學(NTU)化學工程系與環境工程研究所聯手的研究團隊開發出結合新穎奈米孔洞碳材與高效能電容去離子(Capacitive Deionization;CDI)系統的創新水再生處理技術,不僅有助於提升淨水效果、解決高科技製程循環用水問題,並進一步強化台灣水資源再利用。

台灣雖然降雨豐沛但由於蓄水量有限而仍潛藏缺水陰影,如何取得乾淨的水資源成為重要課題。經濟部水利署為此提出再生水計劃,其中包括針對高科技產業與工廠製程用水在排放到廢水處理場的放流水,經過去除重金屬離子等處理後,讓乾淨的水能夠回到製程中再次利用,達到循環用水以及節省水資源的效果。

據統計,2015年,台灣每日約有42萬公噸(CMD)的再生水利用量,預計2021年能夠達到70萬CMD,水利署的目標是期望在2031年實現132萬CMD再生水資源的回收再利用。

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台灣水資源再生策略的目標是在2031年達到132萬CMD的再生水利用量(來源:財團法人中興工程顧問社)

為此,台大研究團隊結合兩項科技部的計劃,打造創新的「水科技」:由台大化學工程系教授吳嘉文主導的研究團隊開發出關鍵的奈米孔洞碳材,再由環工系副教授侯嘉洪團隊將該新穎材料製成電極,並結合感測器應用於電容去離子系統。

創新奈米碳材提高導電性與吸附力

吳嘉文強調,為了打造高效節能的電容去離子(CDI)技術,關鍵就在於電極上的奈米碳材。「作為電極材料的碳材必須具備高比表面積、良好的導電性與電化學穩定度、高度親水性以及高可接觸之孔隙度,才能吸附更多的金屬離子並儲存在孔洞中。」

研究人員率先開發出新穎的奈米孔洞金屬有機骨架材料——「沸石咪唑酯骨架-8衍生氮摻雜孔洞碳材」,具有較高的比表面積,可增加電吸附容量。為了進一步提高導電度,研究人員再將金奈米顆粒嵌入有機的金屬官能基(沸石咪唑酯骨架-8)或是混進一些PEDOT導電高分子,使其在經過熱裂解後碳化成為碳材。

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沸石咪唑酯骨架-8衍生氮摻雜孔洞碳材改質,可進一步提高導電度。(來源:NTU)

研究結果顯示,以金奈米顆粒嵌入或以導電高分子改質所產生的電極材料具有高比表面積、階層性的孔洞結構以及優異的導電性。吳嘉文說,相較於第一代碳材的重金屬離子吸付力(約8mg/g),此衍生氮摻雜孔洞碳材作為電極材料的電吸附容量約為16.2mg/g,並較現有商業活性碳(電吸附力約5-10mg/g)更高達3倍,大幅提升其電化學脫鹽的應用優勢。

新穎奈米碳材提升電容去離子效能

相較於RO逆滲透等傳統薄膜製程耗電量高,新一代的電容去離子技術具有高效節能的優點,採用奈米孔洞碳材為電極,並以電荷貯存的原理移除水中的鹽類或是帶電的污染物質。侯嘉洪長期致力於發展這項創新水科技——該技術目前已能用於水的淡化、硬水的軟化、重金屬的移除、地下水砷的去除、再生水以及廢水採礦等,在國際間被認為最具有前瞻性的潛力技術。

台大研究團隊這項結合新穎奈米孔洞碳材與高效能電容去離子的研究成果目前已能在1.2V低電壓操作下,達到國際最高的電容去離子量(16.2mg/g)。研究人員並為此技術進行模型廠實驗,成功地在真實環境驗證測試。

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NTU結合奈米孔洞碳材與高效能CDI的研究達到國際最高的電容去離子量(16.2mg/g)。(來源:NTU)

吳嘉文說,台大研究團隊從五、六年前開始合作,從基礎的材料研究開始,至今已將這項技術擴展到產業界,去年完成技術轉移,並成立了一家新創公司——普泉科技,開發出可用於家庭或辦公室的電容脫鹽軟水系統(測試機),以及工業用的電容脫鹽軟水系統原型機...

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