TWM575025U - 過濾系統 - Google Patents

Abstract

本創作提出一種過濾系統，用以將一溶液過濾為一淨化水，該過濾系統包含：一原液槽、一過濾裝置、一廢液槽以及一流放槽。該原液槽裝載有該溶液；該過濾裝置與該原液槽連接，其中該過濾裝置包含有複數個過濾模組，每一個過濾模組包含至少一過濾基板以及至少一多孔過濾薄膜；該廢液槽分別與該過濾裝置和該原液槽連接，該廢液槽經由該過濾裝置回收濃縮廢液，並排放該濃縮廢液至該原液槽；該流放槽與該過濾裝置連接，該流放槽回收並排放淨化水。

Description

過濾系統

本創作係關於一種過濾系統，尤指一種可長時間透過薄膜蒸餾（Membrane Distillation, MD）法進行溶液過濾的過濾系統。

水危機是泛指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。

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。然，薄膜法所需能源消耗大，且若薄膜受到固體微粒的積垢，往往得為了更換薄膜或其他元件而停止整個過濾系統的運作，大幅降低過濾的效率，也使成本相對提高。

有鑑於此，目前亟需一種能長時間不間斷處理海水、工業廢水及民生廢水的過濾系統，以解決目前水危機，並達到水資源的有效回收與利用。

有鑑於此，本創作之目的在於提出一種透過薄膜蒸餾（Membrane Distillation, MD）法，進行長時間過濾的過濾系統。

基於上述目的，本創作提出一種過濾系統包含：一原液槽，裝載有一溶液；一過濾裝置，與該原液槽連接，該過濾裝置過濾該溶液以形成一淨化水與一濃縮廢液，其中該過濾裝置包含有複數個過濾模組，每一個過濾模組包含至少一過濾基板以及至少一多孔過濾薄膜；一廢液槽，分別與該過濾裝置和該原液槽連接，該廢液槽經由該過濾裝置回收該濃縮廢液，並排放該濃縮廢液至該原液槽；以及一流放槽，與該過濾裝置連接，流放槽回收並排放該淨化水。

更進一步而言，該過濾系統還包含一中和槽設於該過濾裝置與該流放槽之間。

以上對本創作的簡述，目的在於對本創作之數種面向和技術特徵作一基本說明。創作簡述並非對本創作的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本創作的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本創作的範圍，僅為以簡明的方式呈現本創作的數種概念而已。

為能瞭解本創作的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：

本創作為一種過濾系統及其控制方法，透過複數個卡匣式的過濾模組，以薄膜蒸餾（Membrane Distillation, MD）的方式，對海水、工業廢水、民生廢水等溶液進行過濾。

請參考圖一所示，其為本創作較佳實施例之過濾系統示意圖。過濾系統1包含：裝載有一溶液110的一原液槽10；一過濾裝置20，與該原液槽10透過輸送管路連接，該過濾裝置20過濾該溶液110以形成一淨化水410與一濃縮廢液310，其中該過濾裝置20包含有複數個過濾模組22，每一個過濾模組22包含至少一過濾基板221以及至少一多孔過濾薄膜222（可參照圖三）；一廢液槽30，分別與該過濾裝置20和該原液槽10透過輸送管路連接，該廢液槽30回收該過濾裝置20回收排放的該濃縮廢液310，並回收該部分濃縮廢液310至該原液槽10中；以及一流放槽40，透過輸送管路與該過濾裝置20連接，該流放槽40回收該過濾裝置20所排放的該淨化水410，並將該淨化水410排放至外部。

其中，該過濾系統1還可以包含一中和槽50，設置於該過濾裝置20與該流放槽40之間，並透過輸送管路分別與該過濾裝置20和該流放槽40連接，該中和槽50是用來在將該過濾裝置20過濾後的淨化水410排放至外部環境之前，加入pH值調整劑以中和該淨化水410的酸鹼值（pH值）趨近於酸鹼值6至9，更好的是酸鹼值趨近於7，避免汙染生態環境。

請同時參考圖二所示，其為本創作較佳實施例之過濾系統的運作方法流程圖。過濾系統1的運作方法是用來將一溶液110過濾為一淨化水410，該方法步驟包含：在步驟a中，將一原液槽10中待過濾的該溶液110引入至一過濾裝置20；在步驟b中，該過濾裝置20過濾該溶液10以形成該淨化水410與一濃縮廢液310，其中該過濾裝置20包含有複數個過濾模組22，且每一個過濾模組22包含至少一過濾基板221以及至少一聚四氟乙烯（PTFE）材質的多孔過濾薄膜222；在步驟c中，一流放槽40經由該過濾裝置20回收該過濾裝置20排放的淨化水410，並將該淨化水410排放至外部環境中；以及在步驟d中，與該過濾裝置20連接的一廢液槽30經由該過濾裝置20回收該濃縮廢液310，並排放該濃縮廢液310至該原液槽10中，或經脫水後形成固態或濃稠態廢料廢棄；其中，在步驟c中，更包含一中和槽50設於該過濾裝置20與該流放槽40之間，該中和槽50用以中和該淨化水410的酸鹼值（pH值）。

其中，該過濾系統1還可以包含一採樣槽60，透過輸送管路與該流放槽40連接，用以採樣檢測該流放槽40中的淨化水410是否符合排放至外部環境的標準。

其中，該廢液槽30中還可設有汙泥脫水機（圖未示），可將廢液槽30中的濃縮廢液310脫水形成固態或濃稠態廢料後排出，以利於廢棄作業；而經汙泥脫水機排出的液體可重新回收至該原液槽10中進行過濾，直至排出溶液中的大部分的廢料。

其中，該溶液110為果汁、海水、工業廢水、民生廢水、化學濃縮液或高揮發性溶液（VOC）等，該溶液110也可以是流放槽30排放的該濃縮廢液310或上述經汙泥脫水機排出的液體，以達到廢水高回收率。

請同時參考圖三所示，其為本創作較佳實施例之過濾模組示意圖。其中該過濾模組22包含至少一過濾基板221以及至少一多孔過濾薄膜222。該多孔過濾薄膜222的材質可以是聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚醚碸（PES）或聚四氟乙烯（PTFE）或其組合，且以聚四氟乙烯（PTFE）為最佳。聚四氟乙烯（PTFE）材質的多孔過濾薄膜222除了具備耐熱、耐燃、耐酸鹼、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，使得該聚四氟乙烯（PTFE）材質的多孔過濾薄膜222發生潛變（creep）之現象減少，若於該聚四氟乙烯（PTFE）多孔過濾薄膜222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。

其中，該聚四氟乙烯材質的多孔過濾薄膜222的氣孔孔徑介於0.01μm至10μm之間，該聚四氟乙烯孔過濾薄膜222的氣孔分布率介於10%至99%之間、該聚四氟乙烯孔過濾薄膜222的薄膜厚度介於1μm至100μm之間，而所述氣孔孔徑、氣孔分布率及薄膜厚度可以依據使用者所要處理的溶液110（如海水、工業廢水及民生廢水）品質不同而做變化，本創作不應以此為限。

由圖三中可看出該過濾模組22除了過濾基板221及多孔過濾薄膜222外，還包含一溶液進液口223、一熱交換器224、一廢液出液口225、一淨化水出液口226、一冷卻交換器227以及一抽真空器228，前述之過濾基板221、熱交換器224以及冷卻交換器227皆為基板狀結構，且彼此堆疊形成卡匣式的過濾模組22。其中，該溶液進液口223與原液槽10連接，用以引入前述之原液槽10（可參照圖一）中待過濾的溶液110；該熱交換器224與該溶液進液口223連接，用以加熱該溶液110；該多孔過濾薄膜222設於該過濾基板221上，且該過濾基板221及多孔過濾薄膜222設置於該熱交換器224及該冷卻交換器227之間，用以過濾該溶液110以形成一濃縮廢液310（可參照圖一）及一淨化水蒸氣（圖未示）；該廢液出液口225與該過濾基板221和前述之廢液槽30（可參照圖一）連接，用以排放該濃縮廢液310至廢液槽中30；該抽真空器228設置於該過濾基板221相對於該熱交換器224一側（即與該冷卻交換器227同一側），用以降低該冷卻交換器227一側的蒸氣壓力；該冷卻交換器227用以冷凝穿透過該多孔過濾薄膜222的淨化水蒸氣以形成一淨化水410（可參照圖一）；該淨化水出液口226與該冷卻交換器227和前述之流放槽40（可參照圖一）或前述之中和槽50（可參照圖一）連接，用以將排出該淨化水410至流放槽40或中和槽50中。

更進一步而言，該過濾膜組22是以薄膜蒸餾（Membrane Distillation, MD）的方法進行溶液的過濾，該薄膜蒸餾方法的詳細步驟如下：將原液槽10中待過濾的溶液110透過溶液進液口223注入熱交換器224，該溶液110經過熱交換器224加熱後，該溶液110溫度為攝氏60~80度並產生部分水蒸氣（含有溶液110及淨化水蒸氣）。當高溫溶液110接觸到設於該過濾基板221上的多孔過濾薄膜222，由於多孔過濾薄222膜靠近熱交換器224一側為疏水性的材質，因此溶液110會被多孔過濾薄膜222擋下而形成濃縮廢液310；同時，設置於該過濾基板221相對於該熱交換器224一側（即與該冷卻交換器227同一側）的抽真空器228將冷卻交換器227一側的空氣抽真空，使得該冷卻交換器227一側的蒸氣壓力降低，由於多孔過濾薄膜222的氣孔大小大於溶液110分子卻小於淨化水蒸氣分子，藉此淨化水蒸氣會穿過（氣體分子由高壓往低壓移動）多孔過濾薄膜22上的氣孔而進入冷卻交換器227。最後，冷卻交換器227會將淨化水蒸氣冷凝為淨化水410（溶液），並透過連接於冷卻交換器227上的淨化水出液口226排出淨化水410至流放槽40或中和槽50中，完成溶液110的過濾。

值得注意的是，至少一多孔過濾薄膜222可進行化學改質處理使其變成親水性或疏水性，而多孔過濾薄膜222與溶液110接觸的一面為僅可以是疏水性表層。因為疏水性表層之特色在於液體無法穿透，僅有水蒸氣可以穿透，而親水性表層則是液體與水蒸氣皆可穿透。

另外，過濾膜組22中的多孔過濾薄膜222在過濾的過程中是處於負壓的狀態，因此在長期使用後，多孔過濾薄膜222靠近熱交換器224一側會因為溶液110中固態微粒的積垢，而嚴重影響過濾膜組22的淨化水410出水量和過濾的品質。然而，習知的過濾裝置通常透過藥水或是人工清理的方法，需全面停止過濾裝置的運作，使過濾工程停擺，影響到過濾裝置的效率。因此，請參考圖四所示，其為本創作較佳實施例之過濾系統的過濾方法示意圖，在本較佳實施例中，該複數個過濾膜組22的數量為八個，且每一個過濾膜組22彼此以並聯方式同時過濾由原液槽10引入的待過濾溶液110。若當其中一個（或以上）過濾膜組22中的多孔過濾薄膜222受到固態微粒的積垢而影響過濾效率，或過濾膜組22中（可參照圖三的溶液進液口223、熱交換器224、廢液出液口225、過濾基板221、淨化水出液口226、一冷卻交換器227以及一抽真空器228）的任一元件故障損壞，僅需將欲替換的過濾膜組22元件取出並更換備品，同時其他過濾膜組22仍持續運作過濾溶液110，藉此避免長時間停止過濾裝置20的運作，以提升過濾的效率。

更進一步而言，過濾膜組22還可包含一感測器（圖未示），用以偵測每一個過濾膜組22中多孔過濾薄膜222受到固態微粒積垢的影響，或偵測每一個過濾膜組22過濾溶液的效率，當多孔過濾薄膜222上的固態微粒積垢過多，或過濾膜組22過濾溶液的效率過低時，即可發出警示提醒檢修人員應盡速更換過濾膜組22或其元件。該過濾裝置22也可以更設有一儲藏空間（圖未示），該儲藏空間可放置複數個過濾膜組22的備品，當遇到上述狀況發生時，該過濾裝置20僅須從該儲藏空間中自動取出過濾膜組22的備品，並自行替換即可持續運作。

經由過濾裝置20過濾後所排放的濃縮廢液310，還可透過輸送管路回收至原液槽10中以進行二次以上的過濾，或是串聯多個過濾模組22（可參照圖四所示，其為本創作較佳實施例之過濾系統的過濾方法示意圖），依此不斷循環直至溶液110的淨化水410完全被濾出。在本較佳實施例中，濃縮廢液310回收的次數為五次（即單一溶液共過濾六次），換句話說，是將八個彼此並聯的過濾模組22為一個單位，並將六個單位再相互串聯（共四十八個過濾模組22，圖四僅以串聯三個單位共二十四個過濾模組22為例），如圖四中虛線所示，其中每一個過濾模組22可以自行排出該淨化水410至放流槽40中，也可以是八個彼此並聯的過濾模組22排出的該淨化水410聚集匯流後，在一併排放至放流槽40中。同時以每次過濾裝置20的過濾效果為每100公升溶液可過濾出30公升淨化水（即過濾效濾為百分之三十）為實驗，請參考下表一的實驗數據，可知當該溶液110經由本創作過濾系統1共六次的過濾後，該溶液110中會有將近百分之九十的淨化水410被過濾出來。藉此，濃縮廢液310不再是立即丟棄的廢棄物，其將會帶來額外的回收利益，濃縮廢液310回收後可大量減少成本，同時能達到零排放，並大幅降低法規風險、缺水風險等功效。 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 過濾次數 </td><td> 一次 </td><td> 二次 </td><td> 三次 </td><td> 四次 </td><td> 五次 </td><td> 六次 </td><td> 總流量 </td></tr><tr><td> 淨化水 （公升） </td><td> 30.0 </td><td> 21.0 </td><td> 14.7 </td><td> 10.3 </td><td> 7.2 </td><td> 5.0 </td><td> 88 </td></tr><tr><td> 濃縮廢液 （公升） </td><td> 70.0 </td><td> 49.0 </td><td> 34.3 </td><td> 24.0 </td><td> 16.8 </td><td> 11.8 </td><td> 12 </td></tr></TBODY></TABLE>表一、100公升溶液經六次過濾後所排放淨化水和濃縮廢液的流量

而前述該過濾膜組22的數量或該過濾系統1所過濾的次數，皆可依據使用者的需求，或待過濾溶液110的不同自行調整，本創作不應以此為限。更進一步而言，本創作過濾系統1所包含的過濾裝置20還可與一外部的工業電腦或人機介面（圖未示）等邏輯控制裝置連接，使用者可透過工業電腦或人機介面輸入過濾膜組22的數量，或過濾系統1過濾的次數（即前述串聯單位的數目），成為可高度擴充調整的過濾系統1。

惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍，即依本創作申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本創作涵蓋之範圍內。

1‧‧‧過濾系統

10‧‧‧原液槽

110‧‧‧溶液

20‧‧‧過濾裝置

22‧‧‧過濾模組

221‧‧‧過濾基板

222‧‧‧多孔過濾薄膜

223‧‧‧溶液進液口

224‧‧‧熱交換器

225‧‧‧廢液出液口

226‧‧‧淨化水液出液口

227‧‧‧冷卻交換器

228‧‧‧抽真空器

30‧‧‧廢液槽

310‧‧‧濃縮廢液

40‧‧‧流放槽

410‧‧‧淨化水

50‧‧‧中和槽

60‧‧‧採樣槽

a－d‧‧‧步驟

圖一為本創作較佳實施例之過濾系統示意圖。

圖二為本創作較佳實施例之過濾系統的運作方法流程圖。

圖三為本創作較佳實施例之過濾模組示意圖。

圖四為本創作較佳實施例之過濾系統的過濾方法示意圖。

Claims (10)

1. 一種過濾系統，包含： 一原液槽，裝載有一溶液； 一過濾裝置，與該原液槽連接，該過濾裝置過濾該溶液以形成一淨化水與一濃縮廢液，其中該過濾裝置包含有複數個過濾模組，每一個過濾模組包含至少一過濾基板以及至少一多孔過濾薄膜； 一廢液槽，分別與該過濾裝置和該原液槽連接，該廢液槽經由該過濾裝置回收該濃縮廢液，並排放該濃縮廢液至該原液槽；以及 一流放槽，與該過濾裝置連接，該流放槽回收並排放該淨化水。
2. 如請求項1所述之過濾系統，更包含一中和槽設於該過濾裝置和該流放槽之間，並分別與該過濾裝置和該流放槽連接。
3. 如請求項1所述之過濾系統，更包含一採樣槽與該流放槽連接。
4. 如請求項1所述之過濾系統，其中該過濾裝置更包含一儲藏空間，該儲藏空間放置有該複數個過濾模組的備品。
5. 如請求項1所述之過濾系統，其中每一個複數個過濾模組更包含一感測器。
6. 如請求項5所述之過濾系統，其中每一個複數個過濾模組彼此以並聯方式過濾該溶液。
7. 如請求項1所述之過濾系統，其中該多孔過濾薄膜為聚四氟乙烯（PTFE）材質的多孔過濾薄膜。
8. 如請求項7所述之過濾系統，其中該多孔過濾薄膜的氣孔孔徑介於0.01μm至10μm之間，該多孔過濾薄膜的氣孔分布率（distributing rate）介於10%至99%之間，該多孔過濾薄膜的厚度介於1μm至100μm之間。
9. 如請求項1所述之過濾系統，其中該溶液為海水、工業廢水、民生廢水、高揮發性溶液（VOC）或該流放槽排放的該濃縮廢液。
10. 如請求項1所述之過濾系統，該過濾系統還與一外部的工業電腦或人機介面連接。