TWI392537B - 過濾系統 - Google Patents

Description

過濾系統

本發明是有關於一種過濾系統，特別是有關於一種海水淡化或廢水處理的過濾系統。

水危機是聯合國及其他國際組織用來泛指自1970年以來世界性的水資源相對人類需求的狀況，主要的危機來源是可用水的匱乏以及水體污染，因此如何尋找可利用的水資源及解決水體污染是各國目前亟需解決的問題之一。

現有技術針對水危機的問題，目前各國已有針對海水淡化及過濾工業廢水等方式進行。海水是地球上數量最大的資源，包括取之不盡、用之不竭的水資源，開發和利用海水淡化技術，不僅是現代海洋開發的一項重要任務，也是未來開發新水源解決全球性水資源危機的重要途徑之一。目前，地球上的水約97%是海水，淡水只有3%，而且多數的淡水以冰河等形式存在於地球表面，人類可利用在地表的淡水資源大約只占全球水資源總量的0.26%。根據聯合國公布的資料，目前全球超過10億人口居住在水資源缺乏地區。而到2025年，這個數字會攀升到18億，而現有技術為有效將海水淡化，多是利用蒸餾法的方式進行，作法是以熱能將海水中的水分汽化成水蒸氣後，以冷凝之方式將水蒸氣形成淡水，再加以匯集，此種技術雖然能源利用率高，但其使用的設備體積相當龐大，需要很大的場地放置設備，因此，利用此種技術與方法也有許多課題待解決。

而在工業廢水上，因傳統或科技產業的生產過程中，水源可說是工廠營運的生命線，相對於需求水量大，廢水處理後的排出水量也就相當可觀，且在生產過程中，通常會排放有機溶劑，此些溶劑不管流入河川或海洋，都會因此危害人類身體健康或影響自然生態，若能以適當的方法回收部份 廢水，除可提供另一穩定的供水水源外，更可降低總廢水排放量，將能落實水資源的有效利用，而現有技術針對廢水處理此問題，多是採用薄膜法，作法是以高壓方式使水通過半透膜以取得淡水，然薄膜法所獲得的出水雜質去除率雖可達95%以上，但所需能源消耗卻很大，致使成本也相對提高。

有鑑於此，目前亟需一種可以解決佔地廣及能源消耗過大問題之技術，去解決目前水危機，以達水資源的有效回收與利用。

為了解決上述先前技術不盡理想之處，本發明提供一種過濾系統，包含有供應槽、第一輸送管路、第二輸送管路、複數個過濾匣、複數個第三輸送管路與複數個第四輸送管路。第一輸送管路係將第一溶液輸送至供應槽中，且第一溶液係藉由第二輸送管路輸出至過濾系統外，過濾匣係容置於供應槽內且浸設於第一溶液中，各過濾匣包含有至少一個過濾基板以及至少一個多孔性薄膜，各過濾基板至少包含有一個流道結構形成於各過濾基板之表面，各多孔性薄膜係貼附於各過濾基板之表面，並覆蓋流道結構，第三輸送管路與第四輸送管路係與過濾匣之流道結構連通，藉此第三輸送管路可將第二溶液輸送至流道結構中，且第二溶液再藉由第四輸送管路輸出至過濾系統外。

因此，本發明之首要目的係提供一種過濾系統，包含有供應槽、第一輸送管路、第二輸送管路、複數個過濾匣、複數個第三輸送管路與複數個第四輸送管路。利用上述結構組合之系統，供應槽之尺寸與過濾匣之數量可依實際欲設置此過濾系統之場地進行調整，因此，本發明之過濾系統可依設置地點或地點範圍大小進行最適化的設計。

本發明之次要目的係提供一種過濾系統，在進行過濾的過程中，利用低階能源如太陽能或任何形式之廢熱作為過濾系統所需之熱源。因為利用自然或再回收之能源，因此不但大大降低了能源的消耗，更進一步能降低 成本。

由於本創作係揭露一種過濾系統，其中所利用之經過疏水化與親水化之薄膜在溶液中，可利用功能之原理，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，不再作完整描述。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本創作特徵有關之結構示意，並未亦不需要依據實際尺寸完整繪製，盍先敘明。

首先，請參考第1圖，係根據本創作所提出之較佳實施例，為一種過濾系統10，過濾系統10包含有供應槽11、第一輸送管路12、第二輸送管路13、複數個過濾匣14、複數個第三輸送管路15與複數個第四輸送管路16。其中第一輸送管路12係將第一溶液21輸送至供應槽11中，且第一溶液21係藉由第二輸送管路13輸出至過濾系統10外，其中第一溶液21可以為海水、工業廢水或民生廢水或其他需要進一步進行過濾之溶液。過濾匣14係容置於供應槽11內，且要特別說明的是，供應槽11中的各過濾匣14需整個完全浸入至第一溶液21中。又，供應槽11與過濾匣14可以依實際需求去製作供應槽11的尺寸與過濾匣14數量的調整。過濾匣14放入供應槽11內之方式並不受限制，可以平行放置或是直立擺放，其中又以直立的擺放方式較佳。此外，要特別說明的是，第一溶液21可以不斷循環過濾使用或是自第一輸送管路12輸入新的第一溶液21至供應槽11進行過濾，然後再藉由第二輸送管路12輸出至過濾系統10外，可以實際狀況而定決定之，其中第一溶液21的溫度可以是10℃至100℃。

接著，請繼續參考第2圖，過濾匣14包含有至少一個過濾基板141以及至少一個多孔性薄膜142。其中過濾基板141的面積、顏色或形狀不受限制，另外，多孔性薄膜142可以是氟素高分子材料、多孔性高分子材料或氟素高分子材料及多孔性高分子材料之複合體等任一種。其中以氟素高分子材料為聚四氟乙烯薄膜(PTFE)為較佳。此種聚四氟乙烯薄膜除了具備耐 熱、耐燃、耐酸鹼、耐候、撥水等特性外，還能使薄膜內部的纖維產生物理架鎖的結構上下左右拉住結點，使得此種聚四氟乙烯薄膜發生潛變(creep)之現象減少，而且如於聚四氟乙烯薄膜的製造時混入活性碳或其他活性物質，更可額外達到淨化水質的功用。多孔性薄膜142之孔徑大小變化以及孔隙度可以依照所要處理的海水或廢水品質不同而做變化，在本發明之多孔性薄膜142以聚四氟乙烯薄膜為較佳，其中聚四氟乙烯薄膜之孔徑介於0.01μm至15μm之間、氣孔佔積率為5%~99%之間、厚度介於1μm至1000μm之間為較佳。

再來，請繼續參考第2圖與第3圖，過濾基板141至少包含有一個流道結構1411，而流道結構1411可以以任何形狀形成於過濾基板141之一個表面，多孔性薄膜142係貼附於過濾基板141之表面並覆蓋流道結構1411。其中過濾基板141與多孔性薄膜142之接合方式可以是黏貼方式、熱熔方式或高週波方式等任一種黏貼方式，可依實際狀況使用。第三輸送管路15與第四輸送管路16係與過濾匣14之流道結構1411連通，第三輸送管路15係將第二溶液22輸入至流道結構1411中，且第二溶液22係藉由第四輸送管路16輸出至過濾系統10外。要特別留意的是，將第二溶液22從過濾系統10輸出的壓力須小於多孔性薄膜142貼附於過濾基板141的壓力，才可以確保多孔性薄膜142牢固地貼附在過濾基板141上，第一溶液21因此才不會進入至過濾基板141內。其中第二溶液22以冷凝水為較佳，第二溶液22可以不斷循環過濾使用或是自第三輸送管路15輸入新的第二溶液22至過濾基板141之流道結構1411中。當然地，第二溶液22的流向不限，重要的是，第二溶液22的溫度需低於第一溶液21的溫度。

另外需特別注意的是，多孔性薄膜142可進行化學改質處理使其變成親水性或疏水性，而多孔性薄膜142與第一溶液21接觸之一面為僅可以是疏水性表層。因為疏水性表層之特色在於溶液無法穿透，僅有水蒸氣可以穿透。而親水性表層則是溶液與水蒸氣皆可穿透。

本發明之過濾系統10，實際操作時，當過濾匣14浸設於供應槽11中的第一溶液21時，因第一溶液21僅與過濾匣14表面的多孔性薄膜142的疏水性表層接觸，第一溶液21無法通過多孔性薄膜142的疏水性表層，而不會進入過濾匣14之內，僅有第一溶液21因具有熱度而產生之水蒸氣，可以穿透過疏水性表層到達過濾匣14之過濾基板14之流道結構中1411，此時，因為第二溶液22的溫度小於第一溶液21的溫度，因此，水蒸氣遇到第二溶液22會凝結成水滴，因此，即可與第二溶液22混合在一起，一起藉由第四輸送管路16輸出至過濾系統10外或者第二溶液22可以不斷循環使用。其中親水性表層的厚度占有率小於95%，因為親水性表層的厚度會影響到疏水性表層的阻水性，親水性表層過厚而疏水性表層過薄時，會無法有效阻擋第一溶液21，而讓第一溶液21直接穿透薄膜而無法進行蒸餾，因此親水層的厚度必須規定在一個範圍內。

重要的是，本發明經過實驗一得到，情況一：如果多孔性薄膜142與過濾基板141接合之一面為疏水性表層，需等待第一溶液21蒸發後的水蒸氣再次穿透過另一面疏水性表層，才能被第二溶液22將水蒸氣冷凝後藉由流道結構1411及第四輸送管路16將淡水輸出並匯集。情況二：如果多孔性薄膜142與過濾基板141接合之一面為親水性表層，則當第一溶液21蒸發後的水蒸氣穿透過疏水性表層到達親水性表層時，因為第二溶液22可以更快接觸到第一溶液21蒸發後的水蒸氣，因此，在相同第一溶液21溫度情況下，使用情況二的多孔性薄膜142在本發明之過濾系統10中，每米平方小時所(L/hr/M²)產生之第二溶液22與第一溶液21冷凝成水之混合溶液量會較多。關於上述二種情況之實驗數據如下表一所示：

此外，從上表一中也可看出，第一溶液21溫度越高，過濾效果越好，因為可使得第一溶液21更加快速的產生水蒸氣。因此，本發明之過濾系統10，可以進一步具有一個加熱裝置17，可裝設在過濾系統10中或與過濾系統10相連接(如第1圖所示)。此外，為了節省能源，加熱裝置17可以利用太陽能、廢熱或電熱等，以利用自然或再回收之能源，可大大降低了能源的消耗，進一步更能降低花費的成本。

又，本發明經過實驗二與實驗三，得到海水、工業廢水或民生廢水得以藉由本發明所提出之過濾系統10加以淡化或取得淡水。實驗二為海水經淡化後之海水其金屬離子之含量分別如下：鈉離子小於0.8mg/L、鉀離子小於1.7mg/L、鈣離子小於0.6mg/L、鎂離子小於1.4mg/L。實驗三為工業廢水處理後相關數據如下表二所示：

多孔性薄膜142可以進一步貼合一支撐件(圖未示)，目的用來支撐多孔性薄膜142，使多孔性薄膜142不會因為太軟而無法作用、並可增加支撐力及提高壓力承受度，支撐件可以選用高分子材料，例如：聚酯樹脂、聚乙烯樹脂或者是芳香族聚醯胺樹脂等樹脂材料。而支撐件之形態可為織布、不織布、細網(mesh)、網(net)、海綿、泡綿或者是多孔體。

另外需注意的是，過濾系統10中的過濾基板141之流道結構1411進一步可以具有高低起伏之微結構(未圖示)，例如：凸點或不規則之結構。因為流道結構1411中高低起伏之微結構可以直接碰觸到，與過濾基板141貼合之那一面多孔性薄膜142，因此，當水蒸氣穿透進入疏水性表層時，即可碰出到流道結構1411中高低起伏之微結構，故可讓水蒸氣通過疏水性表層的距離縮小，增加具有冷凝效果的表面積，進而增加淡水之產量。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利權利；同時以上的描述，對於熟知本技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因此其他未脫離本創作所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。

11‧‧‧供應槽

12‧‧‧第一輸送管路

13‧‧‧第二輸送管路

14‧‧‧過濾匣

141‧‧‧過濾基板

1411‧‧‧流道結構

142‧‧‧多孔性薄膜

15‧‧‧第三輸送管路

16‧‧‧第四輸送管路

17‧‧‧加熱裝置

21‧‧‧第一溶液

22‧‧‧第二溶液

第1圖係根據本發明提出之第一實施例，為一種過濾系統示意圖。

第2圖係根據本發明提出之第一實施例，為一過濾匣結構示意圖。

第3圖係根據本發明提出之第一實施例，為過濾基板中的流道示意圖。

10‧‧‧過濾系統

11‧‧‧供應槽

12‧‧‧第一輸送管路

13‧‧‧第二輸送管路

14‧‧‧過濾匣

15‧‧‧第三輸送管路

16‧‧‧第四輸送管路

17‧‧‧加熱裝置

21‧‧‧第一溶液

Claims (10)

1. 一種過濾系統(10)，包含有一供應槽(11)、一第一輸送管路(12)、一第二輸送管路(13)、複數個過濾匣(14)、複數個第三輸送管路(15)與複數個第四輸送管路(16)，其特徵在於：該第一輸送管路(12)係將一第一溶液(21)輸送至該供應槽(11)中，且該第一溶液係藉由該第二輸送管路(13)輸出至該過濾系統(10)外；該等過濾匣(14)係容置於該供應槽(11)內且浸設於該第一溶液(21)中，各過濾匣(14)包含有至少一過濾基板(141)以及至少一多孔性薄膜(142)，各過濾基板(141)至少包含有一流道結構(1411)形成於各過濾基板之一表面，各多孔性薄膜(142)係貼附於各過濾基板(141)之該表面，並覆蓋該流道結構(1411)；該等第三輸送管路(15)與該等第四輸送管路(16)係與該等過濾匣(14)之該等流道結構連通(1411)，藉此該等第三輸送管路(15)係將一第二溶液(22)輸送至該等流道結構(1411)中，且該第二溶液(22)係藉由該等第四輸送管路(16)輸出至該過濾系統(10)外；其中該第二溶液(22)之溫度低於第一溶液(21)之溫度，且該第一溶液(21)因熱度產生之水蒸氣，穿透過該多孔性薄膜(142)到達該流道結構(1411)。
2. 依據申請專利範圍第1項的過濾系統(10)，其中該等多孔性薄膜(142)係選自於由氟素高分子材料、多孔性高分子材料與氟素高分子材料及多孔性高分子材料之複合體所構成之群組。
3. 依據申請專利範圍第2項的過濾系統(10)，其中該氟素高分子材料為聚四氟乙烯薄膜(PTFE)，該聚四氟乙烯薄膜之孔徑介於0.01μm至15μm之間，氣孔佔積率為5%~99%之間，厚度介於1μm至1000μm之間。
4. 依據申請專利範圍第3項的過濾系統(10)，其中該聚四氟乙烯薄膜與該等過濾基板(141)接合之一面可為親水性表層或疏水性表層。
5. 依據申請專利範圍第4項的過濾系統(10)，其中該親水性表層的厚度占有率小於95%。
6. 依據申請專利範圍第5項的過濾系統(10)，其中該聚四氟乙烯薄膜與該第一溶液(21)接觸之一面為疏水性表層。
7. 依據申請專利範圍第1項的過濾系統(10)，其中該等過濾基板(141)之該等流道結構(1411)進一步具有高低起伏之微結構。
8. 依據申請專利範圍第1項的過濾系統(10)，其中該等過濾基板(141)與該等多孔性薄膜(142)之接合方式係選自於由黏貼方式、熱熔方式與高週波方式所構成之群組。
9. 依據申請專利範圍第1項的過濾系統(10)，其中該第一溶液(21)係為海水、工業廢水或民生廢水，該第二溶液(22)係為冷凝水。
10. 依據申請專利範圍第1項的過濾系統(10)，進一步具有一加熱裝置(17)。