國科會工程處113年度產學合作計畫優良成果

含氟廢水也能變黃金？電化學技術打造永續資源再生新藍圖

在我們看不見的科技世界裡，有一條「隱形水脈」正悄悄流動。這條水脈，連接著我們手中每一部手機、每一塊電腦晶片，以及那些運行人工智慧的高效能運算伺服器。這就是高科技產業背後的大量製程用水。

台灣以半導體王國著稱，也面臨日益嚴峻的水資源挑戰；特別是半導體製程中常見的「含氟廢水」，既難處理，也難以再利用。但你知道嗎？這些看似無用的廢水，其實蘊藏著高價值的資源。而現在，一項源自台大環境工程學研究所侯嘉洪教授團隊的創新研究，正嘗試將這些「毒水」轉化為寶貴的綠色資源。

問題：從污染到資源，只差一套技術的距離

氟是常見於電子製程中的化學元素，能提升製程效率與產品穩定性，但也造成廢水中的氟離子含量偏高。傳統上，這類含氟廢水會透過加藥沉澱的方式處理，產生氟化鈣污泥。然而這種方式不僅不利於氟的資源化再利用，還需要進一步處理污泥，增加處置成本與碳排放。

近年來，產業界已能將高濃度含氟廢水提煉成「冰晶石」(Cryolite)，供給鋁製造與陶瓷業作為助熔劑。但對於濃度較低的含氟廢水，仍然只能透過大量加藥的傳統方式處理，所產生的污泥往往受制於純度不足，而導致再利用價值低的困境。

也因此，一個根本的問題浮現：是否能在不加藥的情況下，把低濃度的氟離子有效提濃後進入冰晶石製程，讓氟變成具有高經濟附加價值的循環資源？

這就是本研究的起點。

解方：用電的力量，讓氟「集中」起來

侯嘉洪教授團隊多年前就投入「薄膜電容去離子技術(membrane capacitive deionization, MCDI)」研究，並在多項水資源再生應用上取得卓越成果。這次，他們決定運用這項技術來處理含氟廢水。

MCDI是什麼？簡單來說，這是「利用電容器在充電過程中完成水質淨化處理的技術」，對電容去離子裝置的電極施加小於2伏特的低電壓後，會在正負電極間形成電場，此時正極吸附帶負電離子，用負極吸附帶正電離子。因此當MCDI裝置通電運作時，透過特殊設計的電極與薄膜，廢水中帶負電的氟離子會被吸附到正電極表面，達到去除或濃縮的效果。關鍵是：不需要加任何藥劑，也不會產生污泥。

研究團隊建立了實驗室等級的MCDI系統，每天可處理100公升廢水，並針對不同濃度與操作條件進行系統性測試。他們發現：

• 當延長充電吸附時間時，氟離子的濃縮效果明顯提升。
• 可透過循環體積、操作時間的優化進行設備運轉能耗的最適化調整。
• 系統能有效將氟濃度提高至可進入冰晶石資源循環製程的等級。

為了驗證系統的可擴展性，團隊更將原始設計放大10倍，建立「電容式氟離子濃縮套裝系統」(圖一)，實現每天處理1噸廢水的能力，向實廠應用邁出關鍵的一步。

圖一、(a) 實驗室規模電容式氟離子濃縮系統；(b) 電容式氟離子濃縮套裝系統。

解決腐蝕問題：材料升級，環保再加分

實驗中，團隊也發現原本使用的鈦電極在高濃度氟離子環境中會出現明顯腐蝕(圖二)，影響系統穩定性。他們進一步導入石墨片作為鈦電極的替代材料，搭配奈米活性碳塗層，結果不僅耐久性提升，碳排放也大幅降低。

圖二、鈦電極經耐受性測試後之SEM微觀結構分析：測試液體氟濃度100 mg/L之(a)陰極與(b)陽極以及測試液體氟濃度1,000 mg/L (c)陰極與(d)陽極。

生命週期評估顯示：

• 使用傳統金屬材料每回收1毫克氟離子，碳排量為0.098 kg CO₂-eq；
• 改用石墨後，碳排量僅為0.008 kg CO₂-eq。

這代表技術的升級不只是功能優化，更是邁向「淨零碳排」的具體行動。

跨界合作：讓學術研究真正落地

研究不該只停留在論文中。為了將這項技術帶入真實產業，團隊與「鋒霈環境科技股份有限公司」合作，結合該公司冰晶石製造技術，進行實廠測試與系統整合。

本計畫成功使用薄膜電容脫鹽技術進行氟離子濃縮的可行性評估作業，以實務運作考量選用穩定之石墨片取代金屬鈦板作為集電材料，並成功將低濃度含氟廢水提濃，在技術上支援合作業者進行低濃度含氟水的資源化處理，將廢水中氟資源回收之允收廢水濃度下限由10,000 mg/L下降至1,000 mg/L，進而增大含氟廢水允收濃度範圍，提高允收廢水量，增加循環資源化再製產品產量，推估可提升合作業者營收約1,000萬元/年。同時，執行團隊與合作業者延續進行相關的衍生研究，包含產學合作計畫「以新穎電化學分離技術處理半導體廢水試驗計畫」(2024.08.01-2029.07.31)。

更進一步，台大團隊也在竹北設立「Net Zero Water Tech Hub」產學研發中心，成為技術展示、合作媒合、與產業培訓的重要平台(圖三)。這些努力已經吸引更多企業加入產學合作行列，在半年內已獲得超過1250萬元的產學計畫資金挹注。

圖三、於台大竹北校區設立Net Zero Water Tech Hub產學研發中心

育才：不只是技術，更是人才的搖籃

本計畫培育了理論與實作兼備的環工人才。碩博士生不僅參與技術研發，還進入半導體工廠實習，參與廢水處理流程。這些經歷讓他們在畢業後迅速銜接產業需求，投入顧問公司、水資源單位、或持續學術研究，成為台灣環境永續的中堅力量。

其中，參與學生更獲選國科會千里馬計畫，赴澳洲新南威爾斯大學與雪梨科技大學交流，強化國際學術連結。

計畫主持人侯嘉洪教授擔任國際主流期刊的編輯(Journal of Environmental Chemical Engineering、Desalination與Desalination and Water Treatment)、2023年第六屆Battery Deionization & Electrochemical Separation (BDI&E)國際研討會的會議主席，以及擔任國際水協會(IWA)薄膜技術委員會的專家委員，在國際間獲得學術地位的認可與影響力。此外，計畫團隊的參與人員亦獲得數種學生競賽獎項，包含2024年淨零排放科技國際競賽：Advanced Green Energy Award與環境工程學會優秀論文獎等。

圖四、計畫團隊之衍生成果

展望未來：邁向廢水零排放的里程碑

這項研究不僅是技術突破，更是永續轉型的關鍵拼圖。透過創新的電化學濃縮技術，我們可以：

• 將原本無法再利用的低濃度氟廢水「變廢為寶」；
• 減少加藥、減少污泥、減少碳排；
• 為產業創造新的資源再利用價值；
• 帶動淨零排放與循環經濟的實現。

侯教授團隊的願景清晰而堅定：打造一張完整的「氟系廢水資源循環地圖」，讓台灣不只在晶片上領先世界，也在環境永續上邁向典範。