1、電混凝技術(shù)應(yīng)用於微藻收集與濃縮摘要電凝技術(shù)應(yīng)用直流電將廢水中微粒之電性中和，以及應(yīng)用犧牲電極解離金屬離子之凝聚吸附作用，將廢水中微小顆粒凝聚後再經(jīng)浮除、過(guò)濾或沉降程序從水中分離，已應(yīng)用於工業(yè)上如染整廢水、工業(yè)區(qū)污水廠(chǎng)等應(yīng)用實(shí)績(jī)；電凝技術(shù)於飲用水微藻去除之前處理作業(yè)，眾多研究單位亦進(jìn)行長(zhǎng)期之研究。本研究利用電混凝來(lái)凝聚微藻細(xì)胞，促進(jìn)其沈降功能。將高濃度微藻通過(guò)直流電電場(chǎng)，將微藻表面電荷中和，同時(shí)應(yīng)用鐵犧牲陽(yáng)極，將微藻造成絮團(tuán)（flock），達(dá)到濃縮目的，以探討電凝作用於高濃度微藻濃縮之可行性。經(jīng)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)用海水所培養(yǎng)之?dāng)M球藻，應(yīng)用1 V 低電壓於450 C/g-algae 之操作條件下，

2、電凝處理後經(jīng)由慢混（20 rpm 磁石攪拌10 min），經(jīng)由過(guò)濾或沉降可達(dá)90%以上採(cǎi)收率。電凝處理後以過(guò)濾方式採(cǎi)收微藻，濾液之鐵離子含量?jī)H10 ppm。以微藻濃度500 mg/L之培養(yǎng)液其電凝採(cǎi)收操作之耗能為0.07 kWh/m3，驗(yàn)證應(yīng)用電凝技術(shù)應(yīng)用於高濃度微藻濃縮之可行性。一.前言微藻成長(zhǎng)過(guò)程應(yīng)用太陽(yáng)光為能量，吸收空氣中二氧化碳，同時(shí)應(yīng)用溶解於水中之氮、磷等微量元素成份成長(zhǎng)。因此能降低大氣中二氧化碳及具有水質(zhì)淨(jìng)化功能，同時(shí)微藻藻體成長(zhǎng)快速，含有高量碳水化合物、礦物質(zhì)、維生素等成份，能作為動(dòng)物飼料、肥料、能源及營(yíng)養(yǎng)食品等眾多用途。但微藻因粒徑小，比重與水近似，因此微藻收集濃縮不易。微藻普

3、遍存在自然水體中，容易進(jìn)入淨(jìng)水廠(chǎng)取水站，造成取水工程的困擾，如濾材堵塞或產(chǎn)生異味，因此微藻的收集去除是給水工程的一大課題。健康食品用途之微藻採(cǎi)收以離心脫水為主，後續(xù)以噴霧等方法乾燥處理，採(cǎi)收成本過(guò)高，不適用於水處理、微藻生物能源等產(chǎn)品單價(jià)低的產(chǎn)業(yè)。微藻藻體帶有負(fù)電荷，微藻成長(zhǎng)繁殖過(guò)程因表面電荷彼此相斥，於水中成懸浮狀以得到最佳生長(zhǎng)環(huán)境；同時(shí)微藻比重與水近似以及懸浮方式生長(zhǎng)，如以傳統(tǒng)沉澱方式去除須有極大操作面積及長(zhǎng)停留時(shí)間。如以傳統(tǒng)過(guò)濾方法處理，因粒徑小因此須用細(xì)微孔徑濾膜，阻抗大因此過(guò)濾通量小，操作及設(shè)備成本高。電凝法是一種以鐵、鋁等犧牲金屬為陽(yáng)極，於直流電電場(chǎng)環(huán)境下，將微藻電性中和，同時(shí)犧牲

4、金屬電極解離產(chǎn)生金屬離子，能將廢水中微小粒子電中和及凝聚成較大顆粒，再經(jīng)沉降、浮除、過(guò)濾或離心去除，已實(shí)廠(chǎng)應(yīng)用於工業(yè)區(qū)污水場(chǎng)廢水處理，成效良好（1、2）。但傳統(tǒng)上常應(yīng)用高壓直流330V 及高電流40A之高壓脈衝之操作條件以達(dá)到良好氧化還原能力及浮除效果，因此其操作成本及設(shè)備安全性等要求等級(jí)高，因此不利於此技術(shù)推廣。同時(shí)由氧化還原半反應(yīng)方程式得知，氯離子為其電位E0=1.36V，氫和氧之反應(yīng)電位E0=1.23V（5），過(guò)高電位將造成O2、Cl2等非必要的氧化反應(yīng)，造成電力浪費(fèi)及二次污染。本研究所採(cǎi)收微藻其培養(yǎng)液含有約3NaCl，因此初步以9V 直流電作用下，在正極附近發(fā)現(xiàn)氣泡生成，並有刺鼻味道產(chǎn)

5、生，推測(cè)因?yàn)殡娏鬟^(guò)高與高濃度氯離子發(fā)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生氯氣，氯氣溶解於水中會(huì)造成PH 下降，破壞藻細(xì)胞壁將細(xì)胞質(zhì)溶出，降低微藻採(cǎi)收率，影響後續(xù)水回收利用回收水質(zhì)。微藻電凝採(cǎi)收僅需要將藻體凝聚功能，陽(yáng)極之鐵電極在通電過(guò)程中會(huì)發(fā)生氧化解離，而釋出亞鐵離子，而因?yàn)槭┘与娢桓哽秮嗚F離子氧化電位，因此亞鐵離子會(huì)進(jìn)一步氧化為鐵離子(Eq 1-2)，鐵離子解離於水中可將藻細(xì)胞表面電荷中和與凝聚藻細(xì)胞功用。Fe(s)=Fe2+ + 2e- E0=0.44 V Eq 1.Fe2+ =Fe3+ + e- E0=0.77 V Eq 2.因此本研究應(yīng)用直流電壓，低於氯離子反應(yīng)電壓操作條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；另經(jīng)由初步實(shí)驗(yàn)得知若電

6、壓低於0.5V，則電流過(guò)低，僅0.005A，須要過(guò)長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到微藻電性中和及解離金屬離子。因此本計(jì)畫(huà)以低電壓1V 之操作條件下，應(yīng)用鐵金屬為犧牲電極，將鐵離子解離與微藻凝聚，不產(chǎn)生其他額外如氯離子氧化反應(yīng)；同時(shí)應(yīng)用濾材將藻體與水分離，以探討應(yīng)用電混凝技術(shù)於微藻收集與濃縮之可行性。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法 本研究應(yīng)用不同濃度藻液、不同作用時(shí)間之條件下，探討微藻類(lèi)之電凝採(cǎi)収處理技術(shù)。進(jìn)行微藻電凝後顯微鏡觀(guān)測(cè)比較，探討不同電量及不同濃度之採(cǎi)收率、單位耗能等操作條件。計(jì)畫(huà)實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用藻種、研究設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方法如下:1. 藻液製備擬球藻液來(lái)源為本單位培養(yǎng)之?dāng)M球藻 (Nannochloropsis oculata)，

7、Size：23m，以F/2 medium 培養(yǎng)基培養(yǎng)約一週(對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期之末期)進(jìn)行採(cǎi)收實(shí)驗(yàn)，其濃度為400-1000 mg/L，pH8.4，界達(dá)電位(Zeta potential)=- 0.215 mV。2. 微藻顯微鏡觀(guān)查微藻影像觀(guān)測(cè)顯微鏡使用三眼干涉位相差光學(xué)顯微鏡，其型號(hào)為NIKONECLIPSE 80I。3. 電源供應(yīng)器及操作方法直流電源供應(yīng)器為（MOTECH programmable DC power supply ），最大電壓/電流（110V/0.5A）4. 電凝實(shí)驗(yàn)方法a.實(shí)驗(yàn)方法：每次實(shí)驗(yàn)取200mL 擬球藻藻液，同時(shí)量測(cè)其OD 值將藻液放入200mL 燒杯，應(yīng)用碳鋼電極（SS

8、41），電極尺寸6cm*10cm*1mm（t），每一極板浸水作用面積37.2cm2，電極距2cm。實(shí)驗(yàn)前將碳鋼以稀鹽酸浸泡30 分鐘，刷去銹蝕成份，清洗後再應(yīng)用。將燒杯置於磁石攪拌器，同時(shí)設(shè)定50rpm通電後調(diào)整電源供應(yīng)器電壓1.0V，每分鐘記錄電流安培數(shù)，直到設(shè)定庫(kù)倫數(shù)b. 計(jì)算電凝過(guò)程所耗庫(kù)侖數(shù)c. 關(guān)閉直流電源同時(shí)移開(kāi)電極板，調(diào)整磁石攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速至20rpm 慢混10分鐘後，取定量藻液經(jīng)由PVA 泡棉過(guò)濾，量取OD 值及計(jì)算採(cǎi)收效率。5. 藻液過(guò)濾設(shè)備及檢測(cè)方法應(yīng)用5mm 厚之PVA 材質(zhì)發(fā)泡泡綿為濾材，其孔洞尺寸為50m，下層以20mm 之100m 泡棉為吸水層，藻液過(guò)濾同時(shí)加以均勻之?dāng)D

9、壓吸水層，以維持其毛細(xì)吸水性。藻液濃度以分光光度計(jì)於685nm 波長(zhǎng)，量測(cè)其吸光度，取得處理前後吸光值以計(jì)算採(cǎi)收效率，再經(jīng)由冷凍乾燥後量測(cè)所得之檢量線(xiàn)得知其濃度為343.5X（mg/L），X 為量測(cè)之OD 值。6. 殘餘鐵檢測(cè)委託行政院環(huán)保署認(rèn)可之清華科技檢驗(yàn)公司，以NIEA W311.51B 檢測(cè)方法，量測(cè)採(cǎi)收後殘液之鐵含量。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論1. 不同電極材料對(duì)低電壓電混凝的影響 經(jīng)由9V 直流電電凝前處理，驗(yàn)證以電混凝方式具有混凝效果，但因高電流同時(shí)將有毒氯氣電解產(chǎn)生，不利於操作作業(yè)。因此應(yīng)用較低電壓，以不銹鋼及碳鋼電極，以測(cè)試對(duì)微藻之混凝成效，並比較兩電極材料對(duì)電混凝功能的影響。 實(shí)驗(yàn)

10、結(jié)果如表1 所示，SS41 碳鋼電極材料於電凝實(shí)驗(yàn)中，易於析出鐵離子，鐵離子將提昇混凝功效，因此只消耗66.74 庫(kù)侖電子，即可達(dá)到92.9採(cǎi)收率。而SUS304 不銹鋼於相似操作條件，使用64.56 庫(kù)侖電子，雖然付出相當(dāng)?shù)碾娮恿?，但因?yàn)槿狈怆x鐵離子在培養(yǎng)液間的架橋作用，並無(wú)法達(dá)到與碳鋼電極相當(dāng)?shù)幕炷δ?。其?cǎi)收率僅13.8，遠(yuǎn)低於SS41 碳鋼電極。 為確認(rèn)SUS304 不銹鋼電極之效能，應(yīng)用較高之電壓1.8V 及1,630 mA 電流之操作條件，於相同時(shí)間11 min，消耗電子達(dá)1,078.8 庫(kù)侖，不銹鋼電極採(cǎi)收率可達(dá)96.7。但是此種操作條件之採(cǎi)收單位耗能卻比SS41 碳鋼耗能高約

11、16 倍。SS41 碳鋼電極材料應(yīng)用於電混凝微藻藻液採(cǎi)收，單位能耗僅0.17 kWh/kg，非常的節(jié)省能源，具有極大競(jìng)爭(zhēng)力。 唯電混過(guò)程中消耗的電極將成為額外的消耗，由法拉地定律（Faraday Law）消耗的電子量計(jì)算，若所有的電子用於產(chǎn)生鐵離子，則每100 克藻混凝將消耗12 g 的鐵，此數(shù)值較氯化鐵化學(xué)混凝需要13.8 g/100 g 藻略低，而因?yàn)殡娔^(guò)程可能有其他反應(yīng)存在，並非所有電子被用於鐵離子解離，因此實(shí)際鐵消耗量將較化學(xué)混凝來(lái)的更低。表1 不同電極材料及處理電極材料SS41SUS304（一）SUS304（二）電混時(shí)間,min111711操作電壓, V1.141.111.8單位電

12、子消耗量,column/g lgae5455328886電能消耗,kWh/kg algae0.170.164.48採(cǎi)收率, %92.8713.8496.72. 不同極板距離及不同電壓測(cè)試極板距離將影響操作條件如電壓及電流；極板之?dāng)?shù)目，也與設(shè)備初設(shè)成本有關(guān)，因此應(yīng)用20mm 及10mm 不同極板距離測(cè)試。因本研究以海水培養(yǎng)微藻，導(dǎo)電度高，於低電壓操作環(huán)境，兩種距離耗電相近。當(dāng)電壓於1.5V，開(kāi)始有微量氯泡於正極產(chǎn)生，因此於低電壓操作環(huán)境，將避免產(chǎn)生不必要氯氣及消耗電能。但如電壓小於0.5V 電流為0.005A，電流過(guò)小電凝作用不佳。圖1 不同極板距離及電壓及安培數(shù)3. 微藻電凝顯微鏡觀(guān)測(cè) 擬球藻

13、電凝前後外觀(guān)經(jīng)由400 倍率顯微鏡觀(guān)察量測(cè)如下圖（2）所示，擬球藻其粒徑約2-3m，且因電荷相斥，因此擬球藻微粒均呈分散狀。但經(jīng)由SS41 電極經(jīng)直流電558 庫(kù)侖/克藻之作用，微藻因電性中和及鐵離子吸附作用凝聚成團(tuán)塊（flock），其團(tuán)塊長(zhǎng)度可達(dá)100m，因此後續(xù)可經(jīng)由過(guò)慮、沉澱或浮除，從水中分離及濃縮。擬球藻濃度709mg/L，以558 庫(kù)侖/克藻電凝處理，經(jīng)過(guò)濾後可達(dá)92.3%採(cǎi)收率圖2 擬球藻濃度709mg/L 放大400 倍圖3、擬球藻以558 庫(kù)侖/克藻電凝達(dá)92.3%採(cǎi)收率4. 不同電量檢測(cè)應(yīng)用直流電電場(chǎng)及犧牲鐵電極之解離之鐵金屬離子，能將微藻電性中和及凝聚。因電量愈大解離之金屬

14、離子相對(duì)增加，但也將增加操作成本，而過(guò)高的庫(kù)侖數(shù)施加只能稍微提高採(cǎi)收率。過(guò)低的庫(kù)侖數(shù)不足以完全混凝微藻細(xì)胞，造成採(cǎi)收率低下。因此應(yīng)選用最經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行微藻凝聚。應(yīng)用1 V 直流電及應(yīng)用不同電量實(shí)驗(yàn)，由圖（4）可知，達(dá)到90以上採(cǎi)收率，每克藻約須450庫(kù)倫電量。圖3 單位電量施加對(duì)採(cǎi)收率的影響5. 不同微藻濃度採(cǎi)收效率 應(yīng)用不同微藻濃度經(jīng)由實(shí)驗(yàn)得知，以450-500 庫(kù)侖/克藻之操作條件，經(jīng)由混凝成凝絮後，應(yīng)用50m 微孔之濾材過(guò)濾，即可得90以上之採(cǎi)收率。 由下表（2）可知過(guò)濾採(cǎi)收作業(yè)因藻體於濾材表面層積，型成第2 層膜也具有阻隔過(guò)濾功能，因此高濃度微藻採(cǎi)收之效率也高於低濃度藻液。同時(shí)高濃度藻體

15、補(bǔ)助過(guò)濾，因此所須電凝耗能較低，如1,310mg/L 藻液濃度僅須400 庫(kù)倫/g 藻，即可達(dá)到97.5之採(cǎi)收率。因此如提高微藻濃度高，其單位微藻之採(cǎi)收成本亦較低。藻液濃度(mg/L)耗電量（庫(kù)倫/g 藻）平均採(cǎi)收率(%)44746087.6%50047592.7%58345993.1%65048095.0%131040097.5%表2 不同濃度微藻之採(cǎi)收率6. 鐵離子殘餘量檢測(cè) 電凝處理過(guò)程，陽(yáng)極犧牲鐵電極解離之鐵離子，將與微藻混合凝聚，經(jīng)由過(guò)濾或沉澱去除。為了解微藻採(cǎi)收後殘餘液內(nèi)所含有之鐵離子成份量，是否造成後續(xù)影響，因此以1V 電壓及500 庫(kù)侖/克藻之電量之操作條件，將含650mg/L

16、 藻液進(jìn)行2 次電凝處理，每次處理1L。電凝後經(jīng)由30 分鐘沉降後取上澄液，或經(jīng)由過(guò)濾處理後取濾液，委託清華科技檢驗(yàn)股份有限公司以NIEAW311.51B 檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)（8），得到電凝後處理水以過(guò)濾方式處理，其濾液鐵濃度為10.6 mg/L；電凝後以沉澱方式處理，上澄液鐵濃度為19.5 mg/L。7. 操作能耗成本預(yù)估 經(jīng)由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電凝法採(cǎi)收微藻應(yīng)用450-500 庫(kù)侖/克藻可得到90之採(cǎi)收率。因此如以藻液濃度500mg/L 之?dāng)M球藻液，設(shè)定其採(cǎi)收能耗為500 庫(kù)侖/克藻，因1m3 藻液含為藻500 克，須耗250,000 庫(kù)侖電量，如上述實(shí)驗(yàn)應(yīng)用1V 電壓，因此其耗電量為250,000 C1 V/（3,6001,000）=0.07KW-Hr/m3，如以營(yíng)業(yè)用電每度電4 元計(jì)算，處理每噸藻液電費(fèi)約須0.28 元。四、討論及建議應(yīng)用微藻去除廢水中污染物質(zhì)，能降低廢水中氮、磷等不易去除物質(zhì)，但是廢水中微藻去除是一項(xiàng)不易解決工程，如添加混凝劑將增加操作成本；併隨使用混凝劑衍生的污泥量處理以及水中殘餘混凝劑對(duì)於水回收的不利等因素，因此須要開(kāi)發(fā)更佳微