本研究利用同步電混凝/電過濾（EC/EF）程序，分別處理Oxide CMP廢水、Copper CMP廢水以及自行合成之含奈米級TiO2微粒之水樣，利用文獻所提及之濾速預測模式進行相關的驗證試驗，並藉由所施加電場強度的不同，獲得不同之濾速衰減曲線，進一步分析該衰減曲線，並以指數形式描述施加電場後濾速變異之情況得以修正所引用之模式，得一符合EC/EF程序之濾速預測模式。研究模組經過文獻之研究分別針對不同水樣採用鋁電極以及鐵電極兩種犧牲性陽極，而陰極則採用不?袗?材質，薄膜的選用上則分別有0.1μm的PVDF有機平板濾膜以及二氧化鋁為基材並鍍上碳層為濾層的無機管狀膜，以配合不同的過濾模組。分析結果顯示，掃流速度對於最終穩定濾速影響較小，而對於濾速衰減速度則影響較大，掃流速度越快則濾速越快達最終穩定；透膜壓差對於最終穩定濾速的影響顯著，越高的透膜壓差參數則產生越高的濾餅體積百分率；施加電場所造成濾速變異曲線可以一指數曲線描述，藉由比對相關實驗參數，混凝效果良好之標的水樣將擁有良好的預測吻合度。故本研究建立濾速預測模式之方法可簡單描述不同環境下各模組處理不同水樣之情況。

A flux declination predication model for nanoparticle-containing wastewaters treated by a simultaneous electrocoagulation/electro- filtration (EC/EF) process was investigated by perceiving blocked membrane pores, concentration polarization layer, cake layer, and applied electric field strength in this study. As nanotechnology develops, it has been used in many applications. However, its environmental impacts have not been extensively studied. Membrane technology is one of the direct and effective treatment methods for removing nanoparticles from wastewater. But nanoparticle-containing wastewater treated by membrane technology would face the problem of membrane fouling. In this study, oxide chemical mechanical polishing (CMP) wastewater, copper CMP wastewater, and nanosized TiO2-containing wastewater were treated by a EC/EF treatment module. In the EC/EF treatment module, iron, aluminum, and stainless steel were respectively selected as th anode and cathode. Polyvinylidene fluoride (PVDF) with a nominal pore size of 0.1 μm and carbon/Al2O3 tubular inorganic composite membranes with a pore size ranging from 2 to 10 nm were used in this work. In this work, the changes of the relevant performance of membrane with changes of applied pressure (9.8-19.6 kPa), crossflow velocity (0.3-0.5 m/s) and applied electric filed strength (25-233 V/cm) were studied. The simulation results of a modified mathematic model showed that the flux declination would be fitted finely by an exponential function. Experimental results showed that a higher transmembrane pressure would yield a higher cake concentration and a higher crossflow velocity would yield the steady flux quickly. Overall speaking, the flux declination for nanoparticle-containing wastewaters treated by a simulataneous EC/EF process was described properly as a exponential form. The exponential function could simply show the flux declination of different samples treated by different modules in different situations.

聲明切結書 i
謝誌 ii
摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
表目錄 ix
圖目錄 xi
照片目錄 xv

第一章 前言 1
1. 1 研究源起 1
1. 2 研究目的 2
1. 3 研究項目 3
1. 3. 1 廢水基本性質分析 4
1. 3. 2 傳統掃流過濾模式驗證 4
1. 3. 3 電混凝/電過濾系統處理廢水之濾速衰減試驗 4
1. 3. 4 以經驗式修訂傳統掃流過濾預測模式 4
1. 3. 5 綜合比較模式之預測吻合度 5
第二章 文獻回顧 7
2. 1 薄膜單元 7
2. 1. 1 薄膜分類 8
2. 1. 2 薄膜分離機制 9
2. 1. 3 薄膜組件 11
2. 2 混凝理論與電混凝機制 12
2. 2. 1 電雙層壓縮 13
2. 2. 2 吸附及電性中和 15
2. 2. 3 吸附與架橋作用 15
2. 2. 4 沉澱網除 16
2. 2. 5 電混凝機制 17
2. 3 垂直過濾（Dead-end Filtration）與掃流過濾（Crossflow Filtration） 18
2. 4 掃流過濾程序之效率衰減 19
2. 4. 1 薄膜孔洞阻塞 21
2. 4. 2 濃度極化（Concentration Polarization） 21
2. 4. 3 濾餅生成 22
2. 5 掃流過濾濾速衰減預測 23
2. 6 外加電場於膜分離程序 26
2. 7 同步電混凝/電過濾程序之濾速影響 29
2. 8 薄膜逆洗 30
第三章 實驗材料、設備與方法 32
3. 1 實驗材料 32
3. 2 實驗設備 32
3. 3 實驗規劃 34
3. 3. 1 未加電場掃流過濾試驗 34
3. 3. 2 同步電混凝/電過濾處理試驗 34
3. 3. 3 同步電混凝/電過濾程序中水中微粒粒徑變化試驗 35
3. 3. 4 堵塞薄膜阻力試驗 35
3. 3. 5 濾餅體積百分率（Volume Fraction）試驗 36
3. 4 實驗分析方法 36
第四章 結果與討論 38
4. 1 廢水基本性質分析 38
4. 1. 1 顆粒粒徑分布 38
4. 1. 2 界達電位分析 40
4. 1. 3 其他水質分析 41
4. 2 薄膜性能試驗 41
4. 3 未加電場掃流過濾試驗 44
4. 3. 1 未加電場掃流過濾濾速分析 45
4. 3. 2 未加電場掃流過濾顆粒粒徑成長分析 47
4. 3. 3 未加電場掃流過濾濾餅體積百分率分析 49
4. 3. 4 未加電場掃流過濾堵塞薄膜阻力分析 51
4. 4 同步電混凝/電過濾試驗 53
4. 4. 1 同步電混凝/電過濾濾速分析 53
4. 4. 2 同步電混凝/電過濾顆粒粒徑成長分析 56
4. 4. 3 同步電混凝/電過濾濾餅體積百分率 58
4. 4. 4 同步電混凝/電過濾堵塞薄膜阻力分析 58
4. 5 綜合分析薄膜阻塞、濃度極化、濾餅生成以及電場作用下
之影響 60
4. 5. 1 掃流過濾下之濾速曲線與掃流過濾濾速預測式比較 60
4. 5. 2 同步電混凝/電過濾作用下濾速變化曲線 63
4. 6 預測模式於不同環境下之探討 69
第五章 結論與建議 78
5. 1 結論 78
5. 2 建議 80
參考文獻 82
附錄 87
附錄 1 符號對照表 87
附錄 2 臨界過濾常數(NFc)與濾餅體積百分率(cg)關係 89
碩士在學期間發表之學術論文 90

表 2-1 主要膜分離技術之驅動力 7
表 2-2 過濾技術與薄膜孔徑範圍分類 9
表 2-3 各種膜組件之優缺點比 12
表 4-1 Copper CMP廢水、Oxide CMP廢水以及含奈米級TiO2微粒
水樣之顆粒界達電位分析 40
表 4-2 Copper CMP廢水、Oxide CMP廢水以及含奈米級TiO2微粒
水樣之顆粒界達電位分析 41
表 4-3 薄膜性能試驗操作參數設定（新鮮薄膜阻力） 42
表 4-4 變動透膜壓差及掃流速度對濾速之影響（測試水樣為含奈
米級TiO2顆粒水樣） 46
表 4-5 透膜壓差對於過濾程序前後總過濾阻力（薄膜阻力、濾餅
阻力以及濃度極化層阻力）之影響 47
表 4-6 不同操作環境下掃流過濾程序之濾餅體積百分率（測試水
樣為含奈米級TiO2顆粒之水樣） 51
表 4-7 不同操作環境下掃流過濾堵塞薄膜阻力（利用含奈米級
TiO2顆粒水樣進行薄膜堵塞程序） 52
表 4-8 不同電場環境下粒徑隨時間變化（測試水樣為Oxide CMP
廢水） 57
表 4-9 不同電場環境下堵塞薄膜阻力分析（測試水樣為Oxide
CMP廢水） 59
表 4-10 濾速衰減相關重要參數整理（測試水樣為含奈米級TiO2
顆粒之水樣） 61
表 4-11 於掃流速度0.5 m/s環境下模式預測值與實驗實測值對照
（測試水樣為含奈米級TiO2顆粒之水樣） 62

圖 1-1 研究架構流程圖 6
圖 2-1 微過濾截留機制 11
圖 2-2 電雙層之電位分佈 14
圖 2-3 DLVO理論之位能曲線圖 15
圖 2-4 垂直過濾與掃流過濾示意圖 19
圖 2-5 典型掃流過濾濾速衰減趨勢圖 20
圖 2-6 掃流過濾濾餅成長示意圖 23
圖 2-7 掃流電過濾中顆粒受力狀況 29
圖 2-8 薄膜堵塞以及逆洗程序之濾液通量變化示意圖 31
圖 3-1 同步電混凝/電過濾處理系統示意圖 33
圖 3-2 同步電混凝/電過濾程序濃縮液採樣示意圖 35
圖 4-1 Copper CMP廢水之粒徑分布圖 39
圖 4-2 Oxide CMP廢水之粒徑分佈圖 39
圖 4-3 TiO2之粒徑分佈圖 40
圖 4-4 不同掃流速度下新鮮薄膜（未堵塞薄膜）透膜壓差與濾速
關係圖（測試水樣為去離子水） 43
圖 4-5 不同掃流速度下新鮮薄膜（未堵塞薄膜）透膜壓差與膜阻
力係數關係圖（測試水樣為去離子水） 43
圖 4-6 不同透膜壓差下新鮮薄膜（未堵塞薄膜）掃流速度與膜阻
力係數關係圖（測試水樣為去離子水） 44
圖 4-7 過濾模組內掃流速度梯度示意圖 45
圖 4-8 不同掃流速度下濾液之粒徑變化（透膜壓差為9.8 kPa） 48
圖 4-9 不同掃流速度下濾液之粒徑變化（透膜壓差為14.7 kPa） 48
圖 4-10 不同掃流速度下濾液之粒徑變化（透膜壓差為
19.6 kPa） 49
圖 4-11 固定透膜壓差與掃流速度環境下濾速變化與施加電場強
度之關係（測試水樣為Oxide CMP廢水） 55
圖 4-12 同步電混凝/電過濾程序下出流水之粒徑分佈（測試水樣
為Oxide CMP廢水，操作條件為透膜壓差9.8 kPa，掃
流速度為1.33 cm/s，電場強度為60 V/cm，處理時間為
30 min） 56
圖 4-13 同步電混凝/電過濾程序之施加電場後所造成之濾速
變異趨勢圖（測試水樣為Oxide CMP廢水） 64
圖 4-14 同步電混凝/電過濾程序之施加電場後濾速初期與施
加電場強度關係圖（測試水樣為Oxide CMP廢水） 65

圖 4-15 同步電混凝/電過濾程序之施加電場後濾速終期與施
加電場強度關係圖（測試水樣為Oxide CMP廢水） 65
圖 4-16 施加電場而造成之濾速變化的指數特徵項與施加電
場之關係圖（測試水樣為Oxide CMP廢水） 66
圖 4-17 掃流過濾之濾速變化的指數特徵項與時間之關係圖
（測試水樣為Oxide CMP廢水） 68
圖 4-18 同步電混凝/電過濾程序處理Copper CMP廢水之施加電
場後所造成之濾速變異趨勢圖 71
圖 4-19 同步電混凝/電過濾程序處理Copper CMP廢水之施加電
場後濾速初期與施加電場強度關係圖 71
圖 4-20 同步電混凝/電過濾程序處理Copper CMP廢水之施加電
場後濾速終期與施加電場強度關係圖 72
圖 4-21 施加電場處理Copper CMP廢水而造成之濾速變化的
指數特徵項與施加電場之關係圖 72
圖 4-22 同步電混凝/電過濾程序處理含TiO2奈米微粒之水樣之施
加電場後所造成之濾速變異趨勢圖 73
圖 4-23 同步電混凝/電過濾程序處理含TiO2奈米微粒之水樣之施
加電場後濾速初期與施加電場強度關係圖 74
圖 4-24 同步電混凝/電過濾程序處理含TiO2奈米微粒之水樣之施
加電場後濾速終期與施加電場強度關係圖 74
圖 4-25 施加電場處理含TiO2奈米微粒之水樣而造成之濾速
變化的指數特徵項與施加電場之關係圖 75
圖 4-26 管狀無機膜同步電混凝/電過濾程序處理Oxide CMP廢水
之施加電場後所造成之濾速變異趨勢圖 76
圖 4-27 管狀無機膜同步電混凝/電過濾程序處理Oxide CMP廢水
之施加電場後濾速初期與施加電場強度關係圖 76
圖 4-28 管狀無機膜同步電混凝/電過濾程序處理Oxide CMP廢水
之施加電場後濾速終期與施加電場強度關係圖 77

照片 4-1 Copper CMP廢水、Oxide CMP廢水以及含奈米級TiO2微
粒水樣（由左至右） 39

[1] 張立德、牟季美，“奈米材料和奈米結構”，滄海書局，台中市(2002)。
[2] 阮國棟、吳婉怡、林琮禧、汪芷嫣、林郁真，“未來三年奈米科技環境議題研發藍圖規劃”，Http://www.epa.gov.tw/attachment_file/%E6%9C%AA%E4%BE%86%E4%B8%89%E5%B9%B4%E5%A5%88%E7%B1%B3%E7%A7%91%E6%8A%80%E7%92%B0%E5%A2%83%E8%AD%B0%E9%A1%8C%E7%A0%94%E7%99%BC%E8%97%8D%E5%9C%96%E8%A6%8F%E5%8A%832.pdf，2005/8/4。
[3] 經濟部全球資訊網，因應新興科技產業需求經濟部推動奈米產業超精微製程省水及回用技術，http://w2kdmz1.moea.gov.tw/user/news/detail-1.asp?kind=&id=5581，2006/12。
[4] 李明哲、江岱叡、吳仁達，半導體工廠用水節約之研究，聯華電子公司 IC-3事業部 廠務工程，http://proj.moeaidb.gov.tw/eta/tech_platform/item2b_PDF/a03b003-2.pdf，2006/8
[5] 經濟部水利署，民國九十三年工業用水量統計報告，http://wuss.wra.gov.tw/annualreports/2006524_民國九十三年工業用水量統計報告(瀏覽用).pdf，2006/12。
[6] 蔡秀惠，“利用外加電場掃流微過濾程序處理化學機械研磨廢水”，碩士學位論文，國立中山大學環境工程研究所，高雄市(2001)。
[7] 楊叢印，“結合電過濾/電透析技術處理CMP廢水並同步產製電解水之研究”，博士學位論文，國立中山大學環境工程研究所，高雄市 (2003)。
[8] 陳富政，“利用同步電混凝/電過濾程序技術處理化學機械研磨廢水”，碩士學位論文，國立中山大學環境工程研究所，高雄市(2003)。
[9] 熊紀中，“以電場掃流過濾分離CMP廢水之研究”，碩士學位論文，中原大學化學工程研究所，中壢市 (2003)。
[10] 鄭志豪，“利用電場抑制掃流微過濾之膜結垢”，碩士學位論文，中原大學化學工程研究所，中壢市 (2005)。
[11] Belfort, G., R. H. Davis, and A. L. Zydney, “The behavior of suspensions and macromolecular solution in crossflow microfiltration,” Journal of Membrane Science, 96, 1-58 (1994).
[12] 鄭領英、王學松，“膜的高科技應用”，五南圖書出版股份有限公司，台北市 (2003)。
[13] Song, L., “Flux decline in crossflow microfiltration and ultrafiltration: mechanisms and modeling of membrane fouling,” Journal of Membrane Science, 139, 183-200 (1998).
[14] Weigert, T., J. Altmann, and S. Ripperger, “Crossflow electrofiltration in pilot scale,” Journal of Membrane Science, 159, 253-262 (1999).
[15] 莊智琄，“利用同步電混凝/電過濾程序處理含奈米級TiO2之有機廢水”，碩士學位論文，國立中山大學環境工程研究所，高雄市(2004)。
[16] Desai, T. A., D. Hansford, and M. Ferrari, “Characterization of micromachined silicon membranes for immunoisolation and bioseparation applications,” Journal of Membrane Science, 159, 221-231 (1999).
[17] 行政院經濟部工業局，“無機分離膜特性簡介”， http://proj.moeaidb.gov.tw/eta/tech_platform/item2b_PDF/a03b020.pdf，2006/12。
[18] 行政院經濟部，“以薄膜回收二氧化碳之技術手冊”，http://www.itri.org.tw/cfc/co2/publish/tech/membrane.doc，2006/12。
[19] 童士庭，“濃度極化現象對NF薄膜之分類成效的影響”，碩士學位論文，大葉大學環境工程工程學系，彰化縣 (2003)。
[20] 陳啟明，“NF薄膜程序應用於自來水淨水工程之探討”，碩士學位論文，國立屏東科技大學食品科學學系，屏東縣 (2004)。
[21] Matteson, M. J., R. L. Dobson, J. R. W. Glenn, N. S. Kukunoor, W. H. Waits III, and E. J. Clayfield, “Electrocoagulation and separation of aqueous suspensions of ultrafine particles,” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 104, 101-109 (1995).
[22] 施安琪，“藻類存在對濁度混沈去除之影響”，碩士學位論文，國立交通大學環境工程研究所，新竹市 (2001)。
[23] Wu, W., R. F. Giese, and C. J. van Oss, “Stability versus flocculation of particle suspensions in water—correlation with the extended DLVO approach for aqueous systems, compared with classical DLVO theory,” Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 14, 47-55 (1999).
[24] 李坤峰，“飲用水處理程序二階段添加PAC與污泥毯穩定度提昇之研究”，碩士學位論文，元智大學化學工程研究所，中壢市(2000)。
[25] 楊萬發，“水及廢水處理化學”，茂昌圖書有限公司，台北市(2002)。
[26] 王文成，“以電聚浮除法處理半導體業廢水中之砷”，碩士學位論文，國立中興大學環境工程研究所，台中市 (2005)。
[27] 沈筱菁，“電聚浮除結合活性污泥法處理都市垃圾焚化底渣水洗廢水之研究”，碩士學位論文，淡江大學水資源及環境工程學系，台北市 (2003)。
[28] Song, L., “A new model for the calculation of the limiting flux in ultrafiltration,” Journal of Membrane Science, 144, 173-185 (1998).
[29] Muhammad, H. A. M., A. B. Alaadin, and S. A. Nabil, “Crossflow microfiltration of electrocoagulated kaolin suspension: fouling mechanism,” Journal of Membrane Science, 243, 143-153 (2004).
[30] Chun, M. S. and W. C. Park, “Time evolution of electrokinetic flow-induced streaming potential and flux in dead-end and cross-flow filtration of colloids through nanopores,” Journal of Membrane Science, 243, 417-424 (2004).
[31] 吳振溢，“以電場掃流微過濾分離酵母菌/牛血清蛋白混合懸浮液”，碩士學位論文，中原大學化學工程學系，中壢市 (2004)。
[32] Song, L. and L. Wang, “Flux decline in crossflow microfiltration and ultrafiltration: experimental verification of fouling dynamics,” Journal of Membrane Science, 160, 41-50 (1999).
[33] Jiao, D. and M. M. Sharma, “Mechanism of cake buildup in crossflow filtration of colloidal suspensions,” Journal of Colloid and Interface Science, 162, 454-462 (1994).
[34] Lu, W. M., K. L. Tung, C. H. Pan, and K. J. Hwang, “Crossflow microfiltration of mono-dispersed deformable particle suspension,” Journal of Membrane Science, 198, 225-243 (2002).
[35] Mondor, M., and C. Moresoli, “Experimental verification of the shear-induced hydrodynamic diffusion model of Crossflow microfiltration, with consideration of the transmembrane pressure axial variation,” Journal of Membrane Science, 175, 119-137 (2000).
[36] Chellam, S. and M. R. Wiesner, “Evaluation of crossflow filtration models based on shear-induced diffusion and particle adhesion: complications induced by feed suspension polydispersivity,” Journal of Membrane Science, 138, 83-97 (1998).
[37] Geissier, S. and U. Werner, “Dynamic model of crossflow microfiltration in flat-channel systems under laminar flow conditions,” Filtration and Separation, 32, 533-537 (1995).
[38] Elimelech, M. and S. Bhattacharjee, “A novel approach for modeling concentration polarization in Crossflow membrane filtration based on the equivalence of osmotic pressure model and filtration theory,” Journal of Membrane Science, 145, 223-241 (1998).
[39] Huotari, H. M., I. H. Huisman, and G. Trägårdh, “Electrically enhanced crossflow membrane filtration of oily waste water using the membrane as a cathode,” Journal of Colloid and Interface Science, 156, 49-60 (1999).
[40] Hiamtup, P., A. Sirivat, and A. M. Jamieson, “Electrorheological properties of polyaniline suspensions: field-induced liquid to solid transition and residual gel structure,” Journal of Colloid And Interface Science, 295, 270-278 (2006).
[41] Arai, Y., E. J. Elzinga, and D. L. Sparks, “X-ray absorption spectroscopic investigation of arsenite and arsenate adsorption at the aluminum oxide–water interface,” Journal of Colloid and Interface Science, 235, 80-88 (2001).
[42] Arai, Y. and D. L. Sparks, “ATR–FTIR spectroscopic investigation on phosphate adsorption mechanisms at the ferrihydrite–water interface,” Journal of Colloid and Interface Science, 241, 317-326 (2001).
[43] Ripperger, S. and J. Altmann, “Crossflow microfiltration – state of the art,” Separation and Purification Technology, 26, 19-61 (2002).

[44] Seungkwan, H., S. F. Ron, and E. Menachem, “Kinetics of permeate flux decline in crossflow membrane filtration of colloidal suspensions,” Journal of Colloid and Interface Science, 196, 267-277 (1997).
[45] Cho, J., G. Amy, and J. Pellegrino, “Membrane filtration of natural organic matter: factors and mechanisms affecting rejection and flux decline with charged ultrafiltration (UF) membrane,” Journal of Membrane Science, 164, 89-110 (2000).
[46] 楊金鐘、蔡啟明，“利用自製碳/氧化鋁無機複合膜管及電化學程序處理Oxide-CMP廢水之研究”，第三屆環境保護與奈米科學技術研討會論文集，第287-294頁，高雄市 (2006)。
[47] 楊金鐘、蔡啟明、劉駿、李權家，“利用同步電混凝/電過濾程序處理Cu-CMP及Oxide-CMP廢水：板框式處理模組”， 第三十屆廢水處理技術研討會論文集光碟，第5頁，中壢市 (2005)。
[48] 李權家，“管狀無機膜製備及其於化學機械研磨廢水處理之應用”，碩士學位論文，國立中山大學環境工程研究所，高雄市(2006)。
[49] 行政院環境保護署環境檢驗所，“水中氫離子濃度指數測定方法－電極法”，http://www.niea.gov.tw/niea/WATER/W424 51A.htm，2007/02。
[50] 行政院環境保護署環境檢驗所，“水中導電度測定方法－導電度計法”，http://www.niea.gov.tw/niea/WATER/W20351B.htm，2007/02。
[51] 行政院環境保護署環境檢驗所，“水中濁度檢測方法－濁度計法”，http://www.niea.gov.tw/niea/WATER/W21952C.htm，2007/02。
[52] 行政院環境保護署環境檢驗所，“水中總溶解固體及懸浮固體檢測方法─103℃∼105℃乾燥”，http://www.niea.gov.tw/niea /WATER/W21952C.htm，2007/02。
[53] Pablo, H. and E. J. Stewart, “A laboratory study of buoyant plumes in laminar and turbulent crossflows,” Atmospheric Emvironment, 30, 1125-1135 (1996).