TWI796863B - 水淡化方法 - Google Patents

Abstract

一種水淡化方法。在此方法中，提供電濕潤裝置於待淡化水上方，其中此電濕潤裝置包含導電基底、以及絕緣層覆蓋在導電基底之表面上。電濕潤裝置將待淡化水之水蒸氣吸附於絕緣層之一表面上方。利用放電裝置朝絕緣層之表面進行放電處理，以使水蒸氣帶電。於進行放電處理時，對導電基底施加電力，以使導電基底與帶電之水蒸氣具有不同電性，藉此可將帶電之水蒸氣吸引於絕緣層之表面上並在絕緣層之表面上凝結成水。於絕緣層之表面上之水累積到一預設量時，將電濕潤裝置轉移到淡水收集槽上方，並停止施加電力。

Description

水淡化方法

本揭露是有關於一種水處理技術，且特別是有關於一種水淡化方法。

目前的水淡化技術常常利用蒸餾方式或逆滲透方式進行。這兩種方式須使用大量的能量才能完成，不僅相當耗能，且在無法取得大量電力或缺電的環境下難以完成水的淡化。此外，這兩種水淡化技術都需要大型設備才符合經濟效益，且營運成本高。

舉例而言，在以蒸餾方式的水淡化技術中，係利用高低溫度造成水蒸氣壓差異，來進行水回收。首先，需提高鹽水溫度，以從鹽水中蒸發出水分。隨後，降低蒸發水氣的溫度，使其達過飽和狀態，即可得到冷凝析出的淡水。將鹽水控制在高溫下，會加快鹽水所接觸之設備的腐蝕速率，而導致營運成本的增加。

因此，本揭露之一目的就是在提供一種水淡化方法，其可使待淡化之水體之水蒸氣帶電，並利用電濕潤裝置而透過庫倫力來吸引水蒸氣，隨後透過停止供電的方式釋放凝結在電濕潤裝置上的淡水。藉此，可在低耗能的情況下，順利完成水的淡化，故可大幅降低水淡化成本。

本揭露之另一目的是在提供一種水淡化方法，其電濕潤裝置之表面可設有許多微結構，以產生蓮花效應。結合電濕潤技術與微結構所產生之蓮花效應，可顯著提升淡水吸引效果，並可大幅增加電濕潤裝置所吸附之淡水量，因此可有效提升水淡化效率，並可進一步降低水淡化成本。

根據本揭露之上述目的，提出一種水淡化方法。在此方法中，提供電濕潤裝置於待淡化水上方，其中此電濕潤裝置包含導電基底、以及絕緣層覆蓋在導電基底之表面上。電濕潤裝置將待淡化水之水蒸氣吸附於絕緣層之一表面上方。利用放電裝置朝絕緣層之表面進行放電處理，以使水蒸氣帶電。於進行放電處理時，對導電基底施加電力，以使導電基底與帶電之水蒸氣具有不同電性，藉此可將帶電之水蒸氣吸引於絕緣層之表面上並在絕緣層之表面上凝結成水。於絕緣層之表面上之水累積到一預設量時，將電濕潤裝置轉移到淡水收集槽上方，並停止施加電力。

依據本揭露之一實施例，上述之電濕潤裝置之一表面包含數個微結構，帶電之水蒸氣吸附在電濕潤裝置之表面上且凝結成水填充於這些微結構之間。

依據本揭露之一實施例，上述之導電基底之表面包含數個第一微結構，絕緣層共形(conformal)覆蓋導電基底之表面。

依據本揭露之一實施例，上述之導電基底之表面為一平面，且電濕潤裝置之表面為絕緣層之一表面。

依據本揭露之一實施例，上述之電濕潤裝置更包含成核層設於絕緣層之表面上。

依據本揭露之一實施例，上述進行放電處理包含利用極化方式。

依據本揭露之一實施例，上述之放電裝置包含電暈放電裝置或直流電放電裝置。

依據本揭露之一實施例，上述之導電基底包含導體材料、半導體材料、或其組合。

依據本揭露之一實施例，上述之放電裝置具有數個貫穿孔，水蒸氣可通過這些貫穿孔而帶電。

依據本揭露之一實施例，上述對導電基底施加電力包含對導電基底施加高壓直流電。

有鑑於傳統水淡化技術過於耗能，且營運成本高，本揭露在此提出一種省能且營運成本低之水淡化方法。本揭露之水淡化方法利用放電裝置朝電濕潤裝置之絕緣層表面進行放電處理，以使附著在絕緣層之表面上方之待淡化水的水蒸氣帶電，並使電濕潤裝置之導電基底具有與水蒸氣不同之電性。藉此，可利用庫倫力將帶電之水蒸氣吸引在導電基底上之絕緣層之表面上。待電濕潤裝置之表面所凝結之水量達預設程度時，透過停止對導電基底施加電力的方式，即可釋放電濕潤裝置之絕緣層上所吸引與聚積之淡化水。因此，應用本揭露之方法，淡化水所需之能源相當低，而可大幅降低成本。

此外，在本揭露之水淡化方法中，電濕潤裝置之吸引水蒸氣的表面可設有許多微結構，這些微結構可產生蓮花效應。電濕潤技術與蓮花效應的結合可提升對水蒸氣的吸引效率與凝結水的吸引量，因此可進一步提升水淡化效率，降低營運成本。

本揭露之水淡化方法可透過水淡化設備進行。請參照圖1，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種水淡化設備的裝置示意圖。水淡化設備100主要可包含電濕潤裝置200、放電裝置300、電力供應源400、與淡水收集槽500。選擇性地，水淡化設備100可進一步包含腔體600，以容納待淡化水700。待淡化水700可為海水等鹽水，或者可為廢水。在一些例子中，腔體600具有流體入口610與流體出口620，待淡化水700可從流體入口610流入腔體600內，而於腔體600內進行淡化處理。淡化後留下之濃縮鹽水或廢水可從流體出口620排出，以利收集來對其做進一步處理。

在一些例子中，腔體600之內部環境可處於大氣壓下，且溫度為室溫。在另一些例子中，腔體600之內部環境可具有特定壓力或溫度。可藉由控制腔體600之內部環境之壓力及/或溫度，來促使待淡化水700的水氣蒸發。舉例而言，可將腔體600之內部環境控制在壓力小於1atm，且溫度高於室溫但小於此壓力下水的沸點。

在一些例子中，電濕潤裝置200可位於腔體600內。電濕潤裝置200位於腔體600內之待淡化水700的液面710上方。在另一些例子中，電濕潤裝置200可非位於腔體600內，而是位於腔體600上方。在這樣的例子中，腔體600可具有開放式的容置空間，即不具有上蓋而使得腔體600內之待淡化水700的液面710暴露出。

請一併參照圖2，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種電濕潤裝置的示意圖。電濕潤裝置200主要可包含導電基底210與絕緣層220。導電基底210可包含導體材料、半導體材料、或導體材料與半導體材料的組合。舉例而言，導電基底210之材料可為金屬。導電基底210具有表面212。在圖2之實施例中，導電基底210之表面212為平面。絕緣層220覆蓋在導電基底210之表面212上。在此實施例中，絕緣層220亦可具有平坦之表面222。絕緣層220可具有疏水性，或者可具有弱親水性，以利釋放凝結於其上的水。

在一些特定例子中，電濕潤裝置200可選擇性地包含成核層230。成核層230設於絕緣層220之表面222上。成核層230可為一連續層，而覆蓋在絕緣層220的整個表面222上。成核層230亦可為非連續層，而局部設於絕緣層220之表面222上。成核層230具有親水與凝水性質，水蒸氣可在成核層230上成核，有利於收集水蒸氣。成核層230之厚度薄，以利釋放凝結在其上的水。舉例而言，熱敏材料在某臨界溫度下具有親水特性，因此成核層230之材料可採用熱敏材料。成核層230亦可由非熱敏材料的其他適合材料所構成。

本實施方式之電濕潤裝置亦可有不同設計。請參照圖3，其係繪示依照本揭露之一實施方式的另一種電濕潤裝置的示意圖。電濕潤裝置200a之架構大致上與圖2之電濕潤裝置200之架構類似。電濕潤裝置200a與200之間的差異在於電濕潤裝置200a之表面202a包含許多微結構204a。此外，電濕潤裝置200a包含導電基底210a與絕緣層220a，但不包含成核層。然，在一些例子中，電濕潤裝置200a亦可額外包含如圖2所示成核層230覆蓋在絕緣層220a上。

在電濕潤裝置200a中，絕緣層220a覆蓋在導電基底210a之表面212a上。在此例子中，導電基底210a之表面212a包含數個第一微結構214a。絕緣層220a可例如以共形方式覆蓋在導電基底210a之表面212a上，如此可使所構成之電濕潤裝置200a的表面202a包含許多微結構204a。在圖3之例子中，電濕潤裝置200a之表面202a即為絕緣層220a之表面222a。

舉例而言，這些微結構204a可包含奈米結構、微米結構、及/或毫米結構。這些微結構204a之形狀可根據製造等實際需求而設計。舉例而言，微結構204a可為圓弧狀、圓錐狀、角錐狀、或其他適合之形狀。這些微結構204a可產生蓮花效應。藉此，可使得在導電基底210a通電時吸附在電濕潤裝置200a之表面202a上的凝結水與表面202a之間的接觸角變小，提升電濕潤裝置200a之表面202a的親水性，進而可增加附著在表面202a的淡水量。另外，可使得導電基底210a在未通電時吸附在濕潤裝置200a之表面202a上的凝結水與表面202a之間的接觸角變大，而可提升電濕潤裝置200a之表面202a的疏水性，進而使得水更容易脫離電濕潤裝置200a之表面202a。

請參照圖4，其係繪示依照本揭露之一實施方式的又一種電濕潤裝置的示意圖。電濕潤裝置200b之架構大致上與圖3之電濕潤裝置200a之架構類似。電濕潤裝置200b與200a之間的差異在於電濕潤裝置200b之導電基底210b之表面212b為平面，而作為電濕潤裝置200b之表面202b的絕緣層220b的表面222b包含許多微結構204b。換言之，電濕潤裝置200b之表面202b的微結構204b係由絕緣層220b的結構所定義出。類似地，這些微結構204b可包含奈米結構、微米結構、及/或毫米結構。舉例而言，這些微結構204b可為圓弧狀、圓錐狀、角錐狀、或其他適合之形狀。

在圖4之例子中，電濕潤裝置200b僅包含導電基底210b與絕緣層220b，但不包含成核層。同樣地，在一些例子中，電濕潤裝置200b亦可額外包含如圖2所示成核層230覆蓋在絕緣層220b上。

請再次參照圖1，在一些例子中，放電裝置300可設於腔體600內。放電裝置300可位於腔體600內之待淡化水700的液面710上方，且與待淡化水700之液面710相隔一段距離。放電裝置300可位於電濕潤裝置200之下方，並與電濕潤裝置200相隔開。換言之，放電裝置300介於待淡化水700之液面710與電濕潤裝置200之間。在電濕潤裝置200位於腔體600上方而非位於腔體600內的例子中，放電裝置300可位於腔體600內，或者可位於腔體600外。

放電裝置300可朝電濕潤裝置200之絕緣層220進行放電處理，以朝電濕潤裝置200之絕緣層220的表面222發射電荷，例如負電荷的電子、正電荷氣體等，藉以使附著在絕緣層220之表面222上方之水蒸氣帶電。放電裝置300可例如但不限於電暈放電裝置或直流電放電裝置。放電裝置300可透氣，而可讓待淡化水700之水蒸氣通過。也就是說，放電裝置300具有數個貫穿孔，待淡化水700之水蒸氣可通過這些貫穿孔而進入放電裝置300並帶電。

在一些例子中，如圖1所示，放電裝置300可包含放電電極310與電網320。透過對放電電極310、電網320、與導電基底210施加不同電位，可極化絕緣層220之表面222或成核層230，藉此可使絕緣層220之表面222或成核層230上方之水蒸氣帶電。舉例而言，可對導電基底210施加正電位，對放電電極310施加負電位，並對電網320施加低於放電電極310之負電位。

電力供應源400可與電濕潤裝置200之導電基底210電性連接，並可對導電基底210施加電力。藉此使導電基底210與通過放電裝置300而帶電之水蒸氣具有不同電性。因此，帶電之水蒸氣通過放電裝置300後，可因庫倫力作用而為電濕潤裝置200所吸引，進而吸附在絕緣層220或成核層230上。在一些例子中，電力供應源400可為高壓直流電供應源，而對導電基底210施加高壓直流電。

淡水收集槽500可例如鄰設於腔體600。淡水收集槽500可用以收集電濕潤裝置200上所凝結積聚的淡水。在電濕潤裝置200之絕緣層220之表面222上方之水累積到一預設量時，即可將電濕潤裝置200轉移到淡水收集槽500上方，並停止對導電基底210施加電力。此時，絕緣層220之表面222轉變成疏水性質，絕緣層220之表面222上方之水即可順利脫離而落入下方之淡水收集槽500。

請繼續參照圖1，水淡化設備100可選擇性地包含承載機構800。電濕潤裝置200可設置在承載機構800上，而由承載機構800所固持。承載機構800可為可轉動機構，或者可為可移動機構。當電濕潤裝置200所吸附之淡水量達預設值，即可利用承載機構800之轉動或移動而將電濕潤裝置200載送至淡水收集槽500上方，來進行電濕潤裝置200上之淡水的脫附與收集。在一些例子中，水淡化設備100可包含二個或更多電濕潤裝置200，以同時進行待淡化水之水氣的吸附與淡化水的脫附收集。

請同時參照圖1與圖5，其中圖5係繪示依照本揭露之一實施方式的一種水淡化方法的流程圖。對鹽水或廢水進行淡化處理時，可先進行步驟900，以提供電濕潤裝置200，並將此電濕潤裝置200設置在待淡化水700之液面710的上方。電濕潤裝置200之絕緣層220之表面222與待淡化水700之液面710相面對。電濕潤裝置200可將待淡化水700之水蒸氣吸附於絕緣層220之表面222上。電濕潤裝置200亦可以圖3之電濕潤裝置200a或圖4之電濕潤裝置200b取代。電濕潤裝置200、200a、與200b之架構與特性已描述於上，於此不再贅述。

同時，可進行步驟910，以提供放電裝置300。在一些示範例子中，可將放電裝置300設置在待淡化水700之液面710的上方，以及電濕潤裝置200之絕緣層220之表面222的下方。接下來，利用放電裝置300朝絕緣層220之表面222進行放電處理，以朝絕緣層220之表面222發射電荷，例如負電荷的電子、正電荷氣體等，藉此使附著在絕緣層220之表面222上方之水蒸氣帶電。在一些例子中，放電裝置300可產生電漿，而利用極化方式使水蒸氣帶電。放電裝置300可產生離子風，可促使待淡化水700之水蒸氣移動到電濕潤裝置200。此外，待淡化水700之水蒸氣通過放電裝置300時也會帶電。

此時，可進行步驟920，以於放電裝置300進行放電處理時，對電濕潤裝置200之導電基底210施加電力，例如對導電基底210施加高壓直流電，藉此使導電基底210與絕緣層220上之帶電水蒸氣具有不同電性。如此一來，可將帶電之水蒸氣吸引於絕緣層220之表面222上方並在絕緣層220之表面222或成核層230上凝結成水。電濕潤裝置200可促進絕緣層220之表面222或成核層230的親水性，因此可加速水蒸氣的凝結速度，並大幅增加電濕潤裝置200所能吸附之水容量。

在採用電濕潤裝置200a或200b的例子中，微結構204a或204b所產生之蓮花效應，搭配電濕潤效應，可加強絕緣層220之表面222或成核層230的親水性。因此，可進一步加速水蒸氣的凝結速度，且凝結之水可填充在這些微結構204a或204b之間，電濕潤裝置200a或200b所能吸納之水容量可獲得顯著增加。

請再次參照圖5，可進行步驟930，以在絕緣層220之表面222上方之水累積到一預設量時，可先利用承載機構800將電濕潤裝置200轉移到淡水收集槽500上方。接著，關閉電力供應源400，而停止對導電基底210施加電力。此時，絕緣層220之表面222從親水性轉變成疏水性，吸附在絕緣層220之表面222上方之水即可順利脫離，而透過自身的重力落入下方之淡水收集槽500。

透過對電濕潤裝置200施加電力與對電濕潤裝置200之表面放電，即可加速水蒸氣的凝結與增加所吸納之水容量。而透過停止對電濕潤裝置施加電力，即可使電濕潤裝置200所吸附之淡水脫離。因此，本實施方式之水淡化方法無需大量能源來進行鹽水或廢水的淡化，相當節省能源，可大幅降低水淡化成本。

在成核層230採用熱敏材料的例子中，可藉由將溫度提高到超過熱敏材料之臨界溫度，使成核層230轉變成疏水性。藉此，吸附在成核層230上方之水可順利脫離，而因自身的重力落入淡水收集槽500。

可由上述之實施方式可知，本揭露之一優點就是因為本揭露之水淡化方法可使待淡化之水體之水蒸氣帶電，並利用電濕潤裝置而透過庫倫力來吸引水蒸氣，隨後透過停止供電的方式釋放凝結在電濕潤裝置上的淡水。藉此，可在低耗能的情況下，順利完成水的淡化，故可大幅降低水淡化成本。

本揭露之另一優點就是因為本揭露之水淡化方法之電濕潤裝置的表面可設有許多微結構，以產生蓮花效應。結合電濕潤技術與微結構所產生之蓮花效應，可顯著提升淡水吸引效果，並可大幅增加電濕潤裝置所吸附之淡水量，因此可有效提升水淡化效率，並可進一步降低水淡化成本。

雖然本揭露已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:水淡化設備 200:電濕潤裝置 200a:電濕潤裝置 200b:電濕潤裝置 202a:表面 202b:表面 204a:微結構 204b:微結構 210:導電基底 210a:導電基底 210b:導電基底 212:表面 212a:表面 212b:表面 214a:第一微結構 220:絕緣層 220a:絕緣層 220b:絕緣層 222:表面 222a:表面 222b:表面 230:成核層 300:放電裝置 310:放電電極 320:電網 400:電力供應源 500:淡水收集槽 600:腔體 610:流體入口 620:流體出口 700:待淡化水 710:液面 800:承載機構 900:步驟 910:步驟 920:步驟 930:步驟

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： ［圖1］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種水淡化設備的裝置示意圖； ［圖2］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種電濕潤裝置的示意圖； ［圖3］係繪示依照本揭露之一實施方式的另一種電濕潤裝置的示意圖； ［圖4］係繪示依照本揭露之一實施方式的又一種電濕潤裝置的示意圖；以及 ［圖5］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種水淡化方法的流程圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:水淡化設備

200:電濕潤裝置

210:導電基底

220:絕緣層

230:成核層

300:放電裝置

310:放電電極

320:電網

400:電力供應源

500:淡水收集槽

600:腔體

610:流體入口

620:流體出口

700:待淡化水

710:液面

800:承載機構

Claims (10)

1. 一種水淡化方法，包含：提供一電濕潤裝置於一待淡化水上方，其中該電濕潤裝置包含一導電基底、以及一絕緣層覆蓋在該導電基底之一表面上，該電濕潤裝置將該待淡化水之一水蒸氣吸附於該絕緣層之一表面上方；利用一放電裝置朝該絕緣層之該表面進行一放電處理，以使該水蒸氣帶電；於進行該放電處理時，對該導電基底施加一電力，以使該導電基底與帶電之該水蒸氣具有不同電性，藉此可將帶電之該水蒸氣吸引於該絕緣層之該表面上並在該絕緣層之該表面上凝結成水；以及於該絕緣層之該表面上之水累積到一預設量時，將該電濕潤裝置轉移到一淡水收集槽上方，並停止施加該電力，以使該絕緣層之該表面轉變成疏水性，藉以使該絕緣層之該表面上的水脫離而落入該淡水收集槽中。
2. 如請求項1所述之水淡化方法，其中該電濕潤裝置之一表面包含複數個微結構，帶電之該水蒸氣吸附在該電濕潤裝置之該表面上且凝結成水填充於該些微結構之間。
3. 如請求項2所述之水淡化方法，其中該導電基底之該表面包含複數個第一微結構，該絕緣層共形覆蓋 該導電基底之該表面。
4. 如請求項2所述之水淡化方法，其中該導電基底之該表面為一平面，且該電濕潤裝置之該表面為該絕緣層之該表面。
5. 如請求項1所述之水淡化方法，其中該電濕潤裝置更包含一成核層設於該絕緣層之該表面上。
6. 如請求項1所述之水淡化方法，其中進行該放電處理包含利用一極化方式。
7. 如請求項1所述之水淡化方法，其中該放電裝置包含一電暈放電裝置或一直流電放電裝置。
8. 如請求項1所述之水淡化方法，其中該導電基底包含一導體材料、一半導體材料、或其組合。
9. 如請求項1所述之水淡化方法，其中該放電裝置具有複數個貫穿孔，該水蒸氣可通過該些貫穿孔而帶電。
10. 如請求項1所述之水淡化方法，其中對該導電基底施加該電力包含對該導電基底施加高壓直流電。

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