台灣地形山高水急，水資源汲取不易，如何有效用水成為國家民生、工業和農業發展的關鍵。為此，台灣大學化學工程學系吳嘉文教授和環境工程學研究所侯嘉洪教授整合了科技部兩項計畫，成功開發了「奈米孔洞碳材於高效電容去離子系統」，以更節能且有效率的技術利用再生水資源。

帶領台灣創新水技術研發團隊的台大吳嘉文教授和侯嘉洪教授，以及科技部工程司徐碩鴻司長，共同展示原型機。（攝影／吳雅婷）

這項技術打破了過去「以電換水」的做法，負責開發該系統實際應用的侯嘉洪教授表示，利用創新材料的高導電性、高比表面積和高化學穩定度，實現低能耗且高淨水回收率的再生水利用系統，未來可望運用在高科技冷卻水、化工廠汙水處理及民生飲用水等場域。

「奈米孔洞碳材於高效電容去離子系統」可分為「奈米孔洞碳材」和「電容去離子技術」兩部分來進行探討。

材料方面，該技術開發團隊透過結合金屬和有機框架，在熱裂解後，金屬官能基碳化，成為具高比表面積的碳材，但缺點是導電性較低。因此，該團隊將碳材嵌入金奈米顆粒，其電吸附能力（salt adsorption capacity；SAC）最終從8.36mg/g倍增至14.31mg/g，達到高效去離子化。

技術方面，電容去離子技術（capacitive deionization；CDI）為2010年後較受重視的新興製程，原因是該技術是利用電吸附（electrosorption）現象，把奈米孔洞碳材當作電極，將水中離子大量儲存於奈米孔洞中，而不需化學藥劑或高能耗的熱蒸散系統，達到高效節能的去離子效果。

負責研發創新材料的吳嘉文教授解釋，國際上脫鹽（desalination）和離子分離技術（deionization）的發展趨勢從高耗能的熱製程，例如多效蒸發法（multiple-effect distillation；MED）和多級閃蒸法（multi-stage flash distillation），逐漸走向高效節能製程。CDI技術不僅耗電量低，約為0.1~0.5kWh/m³，且淨水回收率超過80%，能夠真正地實現節水環保。

他進一步指出，CDI技術的潛在應用廣泛，包含水淡化、硬水軟化、汙水淨化（例如硝酸鹽和砷的去除）、廢水採礦（例如銦、鑭、鈰）和重金屬去除（例如銅、鋅、鎳），還可能建立循環型水資源處理系統，提供新興水資源。

這項水科技創新技術以論文「金屬有機框架之衍生碳材料：沸石咪唑酯骨架-8衍生氮摻雜孔洞碳材」（“High Performance Capacitive Deionization Using Modified ZIF-8 Derived N-doped Porous Carbon Electrodes with Improved Electrical Conductivity”），在去（2018）年發表於國際期刊Nanoscale，獲得廣泛回響。

此外，該技術已技術移轉至新創公司普泉科技（POWER PURE），預計在1~3年內完成商品化。侯嘉洪教授透露，奈米碳材電容去離子技術未來將聚焦高科技產業，相較於工業廢水處理，高科技產業的用水多以建構分流系統，且水資源價值明確，待商品化發展成熟，該技術能帶來1/3~1/2的用電成本。