在全球氣候變遷與人口及經濟活動持續發展的影響之下，造成臺灣降雨型態的改變，以及水資源分布不均與供需失衡，增加供水的風險。因應此課題，經濟部水利署採多元水源分擔風險，致力於新興水源的利用與推動，包含雨水貯留、海水淡化水、都市污水與工業廢污水的回收再利用。其中，經污水廠處後過的放流水之回收再利用，因不易受氣候影響，且水質與水量較為穩定，是為現階段國內新興水資源開發之重要政策。
國內現階段的水再生處理程序，大多係以逆滲透去除水體中的總溶解固體物或降低導電度，達到水質淨化之目的。然而在考慮氣候變遷、水資源與能源的多重因素，如何以最少能源換取最多水資源成為推動水再利用作為新興水源的重要課題，因此，必須發展低耗能的脫鹽程序，作為水再生利用的關鍵技術。本文針對近期於國內外皆相當受到重視之新穎脫鹽技術─電容去離子技術 (Capacitive deionization)進行說明與介紹，期能建構一個以低耗能、綠色分離技術為主軸之低耗能水再生利用處理模組系統，並促進國內低耗能水再生利用技術之發展，從而確保我國水資源之永續經營與利用，穩定國內的水源供應。
前言
臺灣為海島型氣候國家，雖然具有豐富的降雨量，約為世界平均降雨量的3.5倍，但因臺灣地形狹長，山脈陡峭、河川短而急，使得臺灣地區水源缺乏長期穩定的供水。另一方面，因應氣候變遷所帶來的衝擊，在「國家氣候變遷調適政策綱領」中，明定水資源領域之調適總目標為「在水資源永續經營與利用之前提下，確保水資源量供需平衡」。為達到調適策略目標，水利署以推動多元水源發展為主軸，除利用傳統水庫為水源外，並致力於新興水源之開發與推動，包含雨水貯留、海水淡化水、都市污水與工業廢污水的回收再利用。其中，經污水廠處理後過的放流水之回收再利用，則因不易受氣候影響，且水質與水量較為穩定，是為現階段國內新興水資源開發之重要政策。
都市污水處理廠放流水、工業區廢水處理廠放流水、工業用水大戶將預定放流或納管之廢水、生活污水大戶預定放流之污水等新興水源，其水再生利用皆需倚靠再生處理程序以提升水質，達到再生水水質標準後，再將再生水供給於各標的用水。現階段國內的水再生處理廠，大多以「以電換水」的模式進行，以砂濾(Sand Filtration)與超濾膜(Ultrafiltration, UF)進行放流水的除濁前處理，逆滲透(Reverse Osmosis, RO)程序降低水體中的總溶解固體物(Total dissolved solids, TDS)，最後再進行消毒(Disinfection)的程序。值得注意的是，在再生水的處理程序中，以逆滲透去除總溶解固體物的脫鹽程序(Desalination)，需在高壓下操作，其能耗相對較高(2~6 kWh/m3)，若僅仰賴此較高耗能模式做為再生水處理之技術，在臺灣為能源進口國家的限制條件下，該技術的使用將影響新興水資源政策之落實。因此，低耗能水再生利用技術之開發，是影響未來新興水資源發展的關鍵因子之一。
在考慮氣候變遷、水資源與能源的多重因素下，目前許多工業國家都致力於新穎、低耗能水再生技術的開發，而近年來興起的一項新穎脫鹽技術─電容去離子技術(Capacitive deionization, CDI)，則提供了低能耗、低成本、對環境友善的水再生(脫鹽)替代技術。本文將針對CDI技術進行說明與介紹。
電容去離子技術原理
電容去離子技術(Capacitive deionization, CDI)是一種新穎的電化學處理程序，以高孔洞碳材為電極材料，利用電吸附(electrosorption)原理來移除水體中的帶電荷污染物質或是離子。電容去離子技術的工作原理如圖1所示，在兩側的多孔碳材電極之間施加外部電壓，形成一個靜電場，使得正極吸引水體中的陰離子，而負極則吸引陽離子，並進一步在孔洞中形成電雙層(electrical double layer, EDL)，使得大量的帶電荷離子能儲存在碳電極材料中(充電吸附)，達到移除水中離子與脫鹽之目的。由於電吸附過程，離子的儲存並非是依靠化學反應來進行，它的系統再生是依據通過電極的放電程序(放電脫附)，僅需將兩側電極上的電壓移除，原本儲存在碳材孔洞內的陽離子與陰離子，會被重新釋放到水溶液中。
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圖1 電容去離子技術(CDI)的工作原理
技術特點：低能耗需求
電容去離子技術有別於一般耗能、高壓的傳統去離子之薄膜分離、電透析等程序，不需使用薄膜裝製，而是在水處理過程中採取通道式結構，且可在低壓力(0.2~0.3 MPa)與低電壓(0.8~1.2 V)的環境下操作，系統亦具可逆性，無二次污染物的問題，故可被視為一個清淨節能的創新技術 [Anderson et al., 2010]。在處理半鹽水或是更低含鹽量之水體時，電容去離子技術尤其具有顯著的能源優勢(< 1 kWh/m3)。此外，於充電吸附過程中所使用的能源，可於放電脫附過程中進行回收，而更進一步降低能耗需求。因此，電容去離子技術更被經濟合作暨發展組織(organization for economic cooperation and development, OECD)評估為最具有取代現有耗能脫鹽技術的前瞻性技術。
關鍵材料：多孔性碳電極
在電吸附程序中，理想的多孔電容電極材料必須具有以下幾點特性，(1)高的比表面積；(2)好的電化學穩定性；(3)良好的導電性；(4) 高的親水性；(5)快速的孔洞接受性；(6)高的離子可接觸面積[Poroda et al,, 2013]。以現階段發展而言，目前國際上大多致力於開發高電容效率的碳電極材料，如碳氣凝膠(carbon aerogel)、活性碳(activated carbon)、活性碳纖維(activated carbon fiber)、及奈米碳管(carbon nanotube)、中孔洞碳材(mesoporous carbon)、石墨烯(graphene)等，這些奈米碳材共同的特點有機械性質穩定、導電性質佳、與高的比表面積，適合作為電吸附電極材料。
CDI技術的應用
在電容去離子技術的應用方面，研究已經證實其可使用於半鹽水的淡化、硬水軟化、重金屬去除、地下水汙染整治等[Hou et al., 2013; Fan et al., 2016]。目前於國內尚缺乏模組的驗證，朝向模組系統開發，與商業化階段發展，然而，目前美國、荷蘭、大陸、韓國等地已有公司將電容去離子技術開發成模組商品進行販售，因此於國內有加速發展此技術之必要性。水利署目前即嘗試先以砂濾(Sand filtration)或超過濾(Ultra filtration, UF)做為前處理程序，將電容去離子技術應用於污水廠放流水的水再生程序，進行實驗室規模模組試驗，如圖2所示。
結語
氣候變遷、水資源和能源有相互依存的關聯，由於臺灣地理環境特殊，且近年來因氣候變遷的影響愈加顯著，造成降雨型態的改變，增加供水的風險。為確保工商經濟發展與民生用水，經濟部水利署採推動多元水源分擔風險，除藉傳統水庫水源外，亦致力於新興水源的利用與推動。而家庭污水的回收再利用，因不易受氣候影響，是為現階段國內新興水資源開發之重要政策。再者，新興水源中，不論是廢污水之再生利用或海水淡化，從水體中移除無機性鹽類或降低總溶解性固體，是以消耗電能提升水質的程序，亦即「以電換水」模式。因此，為推動新興水源的開發，必須開發低耗能的脫鹽程序，如電容去離子技術(CDI)，以減少耗電量與環境衝擊，從而建構一個以低耗能、綠色分離技術為主軸之低耗能水再生利用處理模組系統，有效去除再生水中之溶解性無機離子，提高再生水的水質，並促進國內低耗能水再生利用技術之發展，從而確保我國水資源之永續經營與利用。
參考文獻
Anderson, M. A., Cudero, A. L. and Palma, J. (2010), Capacitive deionization as an electrochemical means of saving energy and delivering clean water. Comparison to present desalination practices: Will it compete?, Electrochimica Acta 55, 3845–3856.
Fan, C.H., Tseng, S.C., Li, K.C. and Hou, C.H. (2016), Electro-removal of arsenic(V) and arsenic(III) from aqueous solutions by capacitive deionization, Journal of Hazardous Materials 312, 208–215.
Hou, C.H. and Huang, C.Y. (2013) A comparative study of electrosorption selectivity of ions by activated carbon electrodes in capacitive deionization, Desalination, 314, 124–129.
Porada, S., Zhao, R., van der Wal, A., Presser, V. and Biesheuvel, P.M. (2013), Review on the science and technology of water desalination by capacitive deionization, Progress in Materials Science 58, 1388–1442.